• на главную
  • admin@modernmif.ru
 
 



.
.
 
 
.
Предыдущая | Содержание | Следующая

Электрофизиология сердца

Трансмембранный потенциал покоя. В состоянии покоя внутренняя по­ верхность мембраны мышечного волокна имеет отрицательный заряд по отношению к наружной. Этот отрицательный внутриклеточный потенци­ ал, или потенциал покоя (ПП), обусловлен различиями концентрации К+, Na + , а также Са2+ во внутри- и внеклеточном пространстве. Концен­ трация К+ внутри клетки составляет около 140 ммоль/л и значительно превышает его внеклеточную концентрацию (4 ммоль/л), тогда как Na + , наоборот, преобладает во внеклеточной среде (140 против 10 ммоль/л).

Эти градиенты концентраций связаны с различной мембранной прони­ цаемостью для этих ионов и поддерживаются работой K + — Na + -насоса сарколеммы, который затрачивает энергию для выведения К+ и Na + про­ тив их электрохимических градиентов. Насос расположен в клеточной мем­ бране и, возможно, также в Т-трубочках и сопрягает перенос Na + из


клетки с введением внутрь К+. Его движущим механизмом является мем­ бранная К+— Na + —АТФ-аза, для активации которой необходимы К+, Na + , а также Mg 2+ . Коэффициент сопряжения удаляемых Na + и поступающих К+ может варьировать от 3:3 до 3:3 и 3:1. Чаще всего он равен 3:2, в результате чего работа насоса приводит к возникновению некоторой транс­ мембранной разности потенциалов.

В состоянии покоя из всех ионов клеточная мембрана наиболее про­ ницаема для К+, который по градиенту концентрации переходит во вне­ клеточную среду. Так как он имеет положительный заряд, а белковые анионы остаются в клетке, ее внутренняя поверхность приобретает от­ рицательный заряд. При этом достигается равновесие между электри­ческими силами, стремящимися задержать К+ в клетке, и тенденцией к диффузии во внеклеточную среду по градиенту концентрации. Посколь­ ку мембрана значительно менее проницаема для Na + , диффузия этого иона протекает значительно медленнее, чем К+, в результате чего за ПП несут ответственность преимущественно К+, и его величина при­ мерно равна калиевому равновесному потенциалу. При расчете равно­ весного потенциала для этого иона с помощью уравнения Нернста ока­ залось, что его величина составляет примерно -95 мВ.

ПП клеток сократительного миокарда и проводящей системы сердца составляет от —80 до —90 мВ. Небольшое отличие этой величины от рас­четного равновесного потенциала для К+ обусловлено токами утечки дру­ гих ионов. Определенное значение имеет также коэффициент сопряже­ ния удаляемых из клетки Na + и транспортируемых внутрь ее Са2+ в Na + - Са2+-обменном механизме, который обычно равен 3:1, что обусловлива­ ет небольшую деполяризацию внутренней стороны клеточной мембраны.

ПП клеток синоатриального узла и атриовентрикулярного соединения находится в пределах -60 ... -70 мВ.

Потенциал действия (ПД). При стимуляции мышечного волокна под воздействием химического, электрического или механического раздра­ жителя внутриклеточный электрод регистрирует потенциал действия. Он возникает в результате последовательных, быстро сменяющих друг друга изменений физико-химических свойств клеточной мембраны, которые приводят к нарушению ее проницаемости для различных ионов и их пе­реносу, что вызывает изменения мембранного потенциала (так называе­ мая ионная гипотеза Hodgkin — Huxley .

ПД состоит из двух основных фаз: деполяризации и реполяризации (рис. 9).

Деполяризация, или нулевая фаза ПД, характеризуется уменьшением электроотрицательности внутренней поверхности клеточной мембраны до определенного, так называемого порогового, уровня, после чего ее отрицательный потенциал резко уменьшается, стремясь к 0, и в течение доли миллисекунды сменяется на положительный, величиной 10 - 25 мВ (овершут, или реверсия). При этом с наружной стороны мембраны обра­ зуется такой же величины отрицательный потенциал — импульс воз-


буждения (в остальное время внеклеточная среда нейтральна). Им­ пульс вызывает деполяризацию соседних возбудимых структур с разви­ тием цепной реакции — волны возбуждения , которая охватывает миокард.

Для всех волокон миокарда, кроме клеток синоатриального узла и атрио- вентрикулярного соединения, пороговый потенциал составляет от -60 мВ до —70 мВ. В клетках синоатриального и атриовентрикулярного узлов он ра­ вен -30... -40 мВ.

Быстрая деполяризация внутренней поверхности клеточной мембраны при возникновении ПД в клетках рабочего миокарда и проводящей системы сер­ дца, подобно нерву и скелетной мышце, обусловлена кратковременным повышением мембранной проницаемости для Na + . Возникает так назы­ваемый быстрый входящий ток Na + по электрохимическому градиенту через быстрые Na -каналы, управляемые потенциалзависимыми и за­висимыми от времени активационными и инактивационными воротами (см. ниже).

К концу деполяризации повышается мембранная проницаемость для К+. Это обстоятельство, а также уменьшение электроотрицательности внутри­ клеточного потенциала позволяют К+ по своему электрохимическому гра­ диенту быстро покидать клетку.

Вслед за овершутом сразу начинается реполяризация, которая имеет три фазы.

В 1-ю фазу,или фазу ранней быстрой реполяризации, мембранный потенциал уменьшается почти до 0 вследствие изменения на­ правления ионного тока с входящего на выходящее. Это обусловлено:

1) уменьшением мембранной проницаемости для Na + и инактивацией быстрых Ма+-каналов;


2)   проходящим повышением мембранной проницаемости для СГ с
появлением входящего тока этого иона, который прекращается, как только
мембранный потенциал достигает 0 (этот факт сейчас пересматривает­
ся);

3) транзиторным выходящим током большой амплитуды с малой постоян­
ной времени, который, по-видимому, представляет собой выходящий ток
К+ вследствие кратковременной активации его потенциалзависимых кана­
лов.

Во 2-ю фазу ПД, или фазу плато, мембранный потенциал под­держивается на практически неизменном уровне благодаря тонкому ба­ лансу между небольшими по величине входящими и выходящими тока­ ми. Лишь к концу фазы равновесие нарушается в пользу выходящего тока положительно заряженных ионов с внутренней поверхности мембраны к наружной, что обусловливает продолжение процесса реполяризации.

В основе фазы плато лежат следующие перемещения ионов:

1) медленные входящие токи Са2+ и в меньшей степени Na + , возни­ кающие при активации соответствующих медленных потенциалзависи­ мых каналов — селективных Са2+ и Na + и неселективных Са2+ и Na + ;

2)        небольшой выходящий ток К+ через активированные в данном ди­ апазоне потенциалов неселективные каналы, который состоит из двух компонентов - с малой и большой постоянной времени. Последнее обес­ печивает его участие в завершении процесса реполяризации.

Медленный входящий ток Са2+ имеет важное физиологическое значе­ние, поскольку: 1) обеспечивает сопряжение возбуждения клеточной мем­ браны с активацией сократительных белков, то есть сокращением; 2) обес­ печивает однонаправленное проведение импульса возбуждения по сердцу. В то же время этот ток может играть важную роль в возникновении аритмий.

В 3-ю фазу, или фазу поздней реполяризации , наблюда­ется полное восстановление отрицательного внутриклеточного потенци­ала за счет массового выхода К+. В конце 3-й фазы системы активного транспорта К+— Na + - и Са2+-насосы обеспечивают поступление К+ внутрь клетки и удаление Na + , то есть восстановление исходного распределения ионов между цитоплазмой кардиоциоцита и внеклеточной жидкостью, о 4-ю фазу, соответствующую ГТП в клетках рабочего миокарда и системы Гиса-Пуркинье, восстанавливается мембранная проницаемость для К+.

Возникновение ионных токов обусловлено изменением проводимости соответствующих ионных каналов. Такой канал представляет собой осо­ бый белок, плавающий в липидном бислойном матриксе клеточной мем­браны. В этом белке имеется заполненный водой центральный канал для транспорта ионов. Во время прохождения через такой ион-селективный канал по направлению электрохимического, то есть электрического плюс концентрационного, градиента катион, по-видимому, связывается с от­рицательно заряженными участками.

Потенциал зависимые быстрые натриевые и медленные кальциевые и натриевые каналы имеют активационные ворота (А) в центральной час-



ти канала и инактивационные ( I ) на внутренней поверхнос­ ти мембраны (рис. 10).

Деполяризация до уровня порогового потенциала, кото­рый для разных каналов име­ет различную величину, переводит канал в активированное состояние: А-ворота открываются, а I -ворота не успевают закрыться. При достиже­ нии мембранным потенциалом определенной величины и по прошествии определенного времени активированный канал спонтанно инактивиру-ется в результате закрытия I -ворот. После реполяризации мембраны ка­ нал реактивируется, то есть переходит в состояние .покоя, которое ха­ рактеризуется закрытыми А-воротами при открытых I -воротах. Впослед­ ствии он может быть снова активирован.

Медленные каналы кардиомиоцитов получают возможность активи­ роваться при деполяризации лишь при фосфорилировании мембранного белка, входящего в состав медленного канала, или связанного с ним регуляторного белка. Это обеспечивается цАМФ-зависимой протеинки- назой, использующей энергию АТФ, которая активируется при увеличе­ нии внутриклеточного уровня цАМФ. Фосфорилирование вызывает кон- формационное изменение белков, которое позволяет А-воротам открыться в ответ на изменение мембранного потенциала.

Благодаря таким особым свойствам медленных каналов поступление Са2+ в кардиомиоцит, а следовательно, и сила его сокращения могут регулироваться: 1) внешними факторами — стимуляцией симпатической части вегетативной нервной системы циркулирующими катехоламина-ми, гистамином, метилксантинами; 2) внутренними факторами — уров­нем энергетического обмена в клетке, то есть запасами АТФ, рН, содер­ жанием цАМФ.

Вследствие блокады Са2+-каналов при уменьшении запасов макроэр­гов и рН в условиях кратковременной локальной ишемии снижается сила сокращений и работа клетки, что способствует сохранению минималь­ного уровня АТФ и предотвращает необратимое повреждение клетки.

Другие отличия медленных каналов от быстрого Ыа+-канала: 1) более медленная кинетика открытия и закрытия ворот; 2) менее отрицательные потенциалы активации (—35 мВ против —55 мВ) и инактивации; 3) спо­ собность блокироваться различными химическими веществами.

В участках, деполяризованных вследствие повышения содержания К+ во внеклеточной среде, вызванного ишемией, быстрые ПД могут за-


пускать медленные. При этом низкая скорость распространения мед­ ленных ПД создает условия для развития аритмий типа ри-энтри.

Электрофизиологические свойства миокарда включают возбудимость, автоматизм и проводимость:

1) возбудимость — способность клеток развивать ответ на раздражение (стимул, импульс). В миокарде это свойство Проявляется в форме: а) про­ ведения импульса; б) сокращения мышечных волокон. В различные пе­ риоды сердечного цикла возбудимость неодинакова, что обусловлено нео­ динаковой рефрактерностью.

Рефрактерный период - это часть сердечного цикла, в тече­ние которой сердце не возбуждается или возбуждение его нарушено.

Различают абсолютный и относительный рефрактерные периоды. Абсолютный рефрактерный период представляет собой часть сердечного цикла, когда другой раздражитель, независимо от его силы, не способен вызвать повторное возбуждение, то есть образование ПД, возбужденного предыдущим стимулом участка, мышцы. Он охватывает ну­ левую, 1-ю, 2-ю и начало 3-й фазы ПД (см. вис. 9).

Относительный рефрактерный период — это часть сер­дечного кардиоцикла, в которую деполяризацию (ПД) удается вызвать лишь с помощью очень сильного раздражителя, более сильного, чем тот, который вызывает ПД в состоянии покоя При наличии ПП. При этом величина вызываемого ПД и скорость его проведения уменьшены. Отно­ сительный рефрактерный период занимает значительную часть 3-й фазы. Следует отметить, что электрическая возбудимость восстанавливается раньше, чем сократительная активность.

За относительным рефрактерным периодом следует период супер­ нормальности, характеризующийся снижением порога возбудимос­ти, когда подпороговый раздражитель способен вызвать деполяризацию. Соответствует конечной части 3-й фазы.


Рефрактерный период кардиоцикла миокарда значительно длиннее, чем скелетной мышцы и нерва, что защищает миокард от тетанического сокращения и обеспечивает чередование периодов сокращения и рас­слабления, необходимых для надежного обеспечения нормального кро­ вообращения.

Длительность рефрактерного периода прямо пропорциональна продолжи­ тельности предшествовавшего сердечного цикла и силе предшествовавшего

СОКраЩСНИИ.

Ионной основой рефрактерности являются: а) инактивация мембран­ ных потенциалзависимых №+-каналов в условиях деполяризации; б) стой­ кое повышение мембранной проводимости для К+;

2)   автоматизм, или пейсмекерная активность, — способность клетки
генерировать ПД, то есть импульс возбуждения. Определяется способно­
стью к спонтанной медленной диастолической деполяризации в 4-ю фазу
ПД, которая следует сразу же за 3-й фазой (рис. 11). Пейсмекерный ток
обусловлен постепенным уменьшением проницаемости мембраны для К+.
По мере увеличения мембранного потенциала, то есть уменьшения вели­
чины ее отрицательного заряда, калиевые каналы, управляемые ворота­
ми, постепенно переходят из открытого состояния в закрытое. Динамика
этого процесса определяет скорость, с которой уменьшается суммарный
выходящий трансмембранный ток, которая, в свою очередь, определяет
угол наклона кривой пейсмекерной деполяризации. Спонтанная диасто-
лическая деполяризация, вероятно, частично обусловлена также зависи­
мым от времени входящим током Na + в результате медленного увеличе­
ния проницаемости для этого иона. Кроме того, некоторые вещества,
например, норадреналин, способны усиливать фоновые входящие токи
(так называемые токи утечки) Na + и Са2+, что также увеличивает кру­
тизну пейсмекерного потенциала.

Выраженность автоматизма, то есть частота импульсов, генерируемых пейсмекерными клетками, зависит от: 1) скорости спонтанной диастоли­ ческой деполяризации, то есть наклона кривой в 4-ю фазу; увеличение на­клона кривой приводит к повышению ЧСС и наоборот; 2) величины поро­ гового потенциала; 3) величины максимального диастолического потенциа­ ла, достигнутой к концу реполяризации.

Приоритет центров (водителей) автоматизма в сердце определяется при­ сущей их клеткам скорости спонтанной диастолической деполяризации. В норме водителем ритма 1-го порядка является синоатриальный узел, 2-го порядка — атриовентрикулярное соединение (зона NH ). Клетки системы Гиса—Пуркинье являются латентными пейсмекерами, в которых спонтан­ ная диастолическая деполяризация в норме не регистрируется, так как высокочастотная стимуляция главного водителя ритма угнетает их автома­ тизм, возбуждая эти клетки с более высокой частотой. В клетках рабочего миокарда предсердий и желудочков автоматизм развивается только в ус­ ловиях патологии, например при локальной ишемии (см. рис. 11);

3)   проводимость — свойство клеток рабочего миокарда и проводящей


системы сердца распространять импульс возбуждения на окружающие клетки. Она обусловлена возникновением разности потенциалов вдоль поверхности волокна между деполяризованным участком и участками, которые находятся в состоянии покоя. Эта разность потенциалов приво­ дит в движение ионы (в основном К+), которые перемещаются от актив­ ного участка к пассивным, давая начало локальным токам, распростра­ няющим деполяризацию вдоль поверхности клетки.

Скорость проведения возбуждения в разных отделах сердца неодина­ кова. Она максимальна в волокнах Пуркин^е (2—4 м/с) и минимальна в атриовентрикулярном соединении (0,1-0,2 м/с), где задержка проведе­ ния в зоне N играет важную физиологическую роль. В сократительном миокарде предсердий импульс проводится со скоростью 0,4-0,8 м/с, в миокарде желудочков — 0,3—0,4 м/с.

Проводимость, то есть скорость проведения возбуждения, зависит от:

А. Анатомических факторов:

1) диаметра мышечных волокон (прямая зависимость), наибольшего в волокнах Пуркинье (100 мкм против 10-15 мкм у рабочих кардиомиоцитов);

2) геометрического расположения мышечных волокон (скорость про­ ведения вдоль мышечного волокна больше, чем поперек).

Б. Фмзм&лсгмчесхт фахтсров:

1) амплитуды ПД (прямая зависимость);

2) скорости деполяризации в нулевую фазу (прямая зависимость);

3) амплитуды ПП (уменьшение его отрицательной величины в результа­ те частичной деполяризации замедляет проведение);

4) возбудимости мышечных волокон, по которым проводится импульс.

Доказана возможность неоднородности проведения возбуждения в физио­ логических условиях в атриовентрикулярном соединении, пучке Гиса и его ножках. Эта так называемая продольная функциональная диссоциация, как и уменьшение скорости проведения в отдельных участках миокарда, имеет важное значение для возникновения нарушений сердечного ритма.

.