Стрелки указывают направления изменений от контрольных значений потенциалов действия и амплитуды силы сокращения
Глава 6. Сердечно-сосудистая система
Физиология сердца Общие представления
Кровеносная система служит для доставки к тканям необходимых веществ и их распределения и для удаления побочных продуктов обмена веществ. Кровеносная система принимает участие в механизмах поддержания гомеостаза, таких как регуляция температуры тела, поддержание баланса жидкости в организме, регулирование снабжения клеток кислородом и питательными веществами при различных физиологических состояниях организма.
Сердечно-сосудистая система состоит из насоса - сердца, системы распределяющих и собирающих трубок - кровеносных сосудов и обширной системы тонких сосудов, обеспечивающих быстрый обмен веществ между тканями и сосудами -капилляров. Поступление крови к тканям регулируется определенными механизмами, и эти регулирующие механизмы способны удовлетворять меняющиеся потребности различных тканей
в соответствии с различными физиологическими и патологическими состояниями.
Сердце
Сердце (рис. 6-1 А) состоит из двух последовательных насосов (рис. 6-1 Б): один насос проталкивает кровь через легкие для обеспечения обмена кислорода и углекислого газа. Это так называемая легочная циркуляция или легочный круг кровообращения. Через другой насос кровь движется ко всем остальным тканям тела. Это системная циркуляция. Кровь может двигаться через сердце только в одном направлении. Одностороннее движение крови через сердце обеспечивается соответствующим устройством створок клапанов. Хотя сердечный выброс имеет прерывистый или пульсирующий характер, к тканям тела (на периферию) кровь движется сплошным (непрерывным) потоком за счет растяжения аорты и ее ветвей во время сокращения желудочков (систола) и за счет эластической тяги стенок крупных артерий при поступательном проталкивании крови во время релаксации желудочков (диастола).
Рис. 6-1. Общие представления о системе кровообращения.
А - камеры сердца и магистральные сосуды. Б - взаимосвязь камер сердца с большим и малым кругами кровообращения. Стрелки указывают направления кровотока
Структура сердечно-сосудистой системы
Кровь, поступающая в правый желудочек из правого предсердия, через легочную артерию прокачивается в систему артерий легких под давлением, равным в среднем одной седьмой давления в артериях большого круга кровообращения. Затем кровь проходит через легочные капилляры, где она освобождается от углекислого газа и насыщается кислородом. Обогащенная кислородом кровь возвращается через легочные вены в левое предсердие и затем в левый желудочек. Далее она прокачивается левым желудочком в аорту. Кровь быстро движется через аорту и ее артериальные ветви. По мере приближения к периферии диаметр этих ветвей уменьшается. Также меняются и гистологические характеристики тканей стенок сосудов. Стенки аорты и крупных артерий содержат преимущественно эластическую ткань, тогда как стенки периферических артерий содержат больше мышечной ткани, а в стенках артериол преобладает мышечный слой. От каждой артериолы отходит много капилляров. Общая площадь поперечного сечения капиллярного русла весьма значительна, несмотря на то что площадь поперечного сечения отдельного капилляра меньше площади отдельной артериолы.
Возвращаясь из капилляров к сердцу, кровь проходит через венулы, затем через вены все большего размера. Ближе к сердцу количество вен уменьша-
ется, меняются толщина и строение стенок вен, уменьшается общая площадь поперечного сечения венозного русла. Кровь в сердце поступает по двум полым венам - верхней и нижней. Обе впадают в правое предсердие. Оттуда кровь поступает в правый желудочек.
Таким образом, большой круг кровообращения начинается аортой, выходящей из левого желудочка и заканчивается двумя полыми венами, впадающими в правое предсердие. Малый круг кровообращения начинается легочной артерией, выходящей из правого желудочка, и заканчивается четырьмя легочными венами, впадающими в левое предсердие.
При нормальном кровообращении в здоровом организме общий объем крови остается постоянным, и увеличение объема крови в одном участке должно сопровождаться уменьшением объема крови в другом. Тем не менее распределение циркулирующей крови по различным участкам тела определяется сердечным выбросом левого желудочка и состоянием сократительной способности резистивных сосудов (артериол), расположенных в этих участках.
Система кровообращения состоит из последовательно и параллельно расположенных каналов - сосудов (рис. 6-2). Такое расположение оказывает значительное влияние на показатели сопротивления сосудов, давления и движения крови в кровеносных сосудах.
Рис. 6-2. Кровеносные сосуды.
На рисунке изображены большой (красным) и малый (синим) круги кровообращения с параллельным и последовательным расположением кровеносных сосудов. Капилляры изображены тонкими линиями
Типы и характеристика потенциалов действия кардиомиоцитов
Изменения потенциала, отводимого от типичного мышечного волокна желудочка, показаны на рис. 6-3 А. Когда два электрода помещены в раствор электролита рядом с полоской покоящейся сердечной мышцы, то между этими двумя электродами не регистрируется разность потенциалов (точка а). В точке b, когда один из электродов введен внутрь мышечного волокна сердца, измерительный прибор мгновенно регистрирует разность потенциалов (Vm) между внутренней и внешней стороной клеточной мембраны. Потенциал внутри клетки примерно на -90 мВ ниже, чем у окружающей среды.
В точке c клетка желудочка возбуждается электрическим стимулом, и клеточная мембрана быстро деполяризуется. Во время деполяризации разность потенциалов фактически меняет знак таким образом, что потенциал внутри клетки превышает таковой снаружи приблизительно на 20 мВ. Быстрое нарастание потенциала действия обозначается как фаза 0. За нарастанием мгновенно следует короткий период частичной ранней реполяризации (фаза 1) и затем плато (фаза 2), которое удерживается приблизительно от 0,1 до 0,2 с. Мембрана затем реполяризуется (фаза 3) до тех пор, пока поляризация снова не достигнет (в точке e) состояния покоя (фаза 4). Окончательная реполяризация (фаза 3) развивается более медленно, чем деполяризация (фаза 0).
В сердце регистрируют два основных типа по-тенциалов действия, которые показаны на рис. 6-3. Один тип, быстрый ответ(рис. 6-3 А),
возникает в рабочих миоцитах предсердий и желудочков и в специализированных проводящих волокнах (волокна Пуркинье сердца). Другой тип потенциала действия, медленный ответ (рис. 6-3 Б), встречается в синоатриальном (SA) узле, области естественного водителя ритма сердца, и в атриовентрикулярном (AV) узле, специализированной ткани, проводящей импульсы сердца из предсердий в желудочки.
Сравним эти два принципиальных типа потенциалов действия (рис. 6-3). Потенциал покоя (фаза 4) у быстрого ответа значительно более отрицателен, чем потенциал покоя у медленного ответа. Кроме этого, крутизна нарастания (фаза 0), амплитуда потенциала действия и величина овершута быстрого ответа больше, чем медленного ответа. Амплитуда потенциала действия и крутизна нарастания являются важными факторами, определяющими то, как быстро будет распространяться потенциал действия. В ткани сердца с медленным ответом потенциал действия распространяется более медленно, чем в ткани сердца с быстрым ответом. К тому же проведение возбуждения, скорее всего, будет заблокировано в сердечной ткани с медленным ответом, а не в ткани с быстрым ответом. Медленное проведение и склонность к блоку проведения увеличивает вероятность развития некоторых нарушений ритма.
Далее на панелях представлены типичные потенциалы действия, зарегистрированные от клеток SA-узла (B), предсердия (Г)и желудочка (Д).
Заметьте, что нумерация фаз потенциала действия дана в соответствии с международными принципами.
Рис. 6-3. Изменения трансмембранного потенциала, отводимого от сердечных волокон с быстрым и медленным ответом в изолированной сердечной ткани, помещенной в раствор электролита.
А - во время a микроэлектрод был в растворе, который окружает сердечное волокно. Во время b микроэлектрод вошел в клетку. Во время c возник потенциал действия в волокне, в которое введен микроэлектрод. Время от c доd представляет собой фазу абсолютной рефрактерности или эффективный рефрактерный период (ЭРП), а время отd до e представляет относительный рефрактерный период (ОРП). Б - потенциал действия, отводимый от сердечного волокна с медленным ответом. Обратите внимание на то, что по сравнению с волокном, в котором был зарегистрирован быстрый ответ, потенциал покоя медленного волокна менее негативен, фаза 0 (нарастание) потенциала действия менее крутая, амплитуда потенциала действия меньше, фаза 1 отсутствует и ОРП продолжается в значительной мере и в течение фазы 4, после того как волокно полностью реполяризовалось.
На панелях В, Г, Д продемонстрированы типичные потенциалы действия, зарегистрированные от клеток СA-узла(B), предсердия (Г) и желудочка (Д). Развертка в B составляет половину от таковой в Г или Д
Типы ионных токов, формирующие фазы ПД рабочего кардиомиоцита
Потенциал покоя рабочего кардиомиоцита (Vm) составляет примерно -90 мВ. Когда потенциал покоя рабочего кардиомиоцита внезапно изменяется до порогового уровня, равного примерно -65 мВ, свойства клеточной мембраны резко изменяются.
Ионы Na+ входят в кардиомиоциты через существующие в мембране селективные быстрые Na+-каналы. Быстрая деполяризация - фаза 0 - связана с входом ионов Na+ в кардиомиоцит за счет резкого увеличения GNa. По мере того как Na+стремительно входит в клетку сердца в течение фазы 0, отрицательные заряды внутри клетки нейтрализуются, и Vmстановится менее отрицательным. Когда Vm падает до нуля, электростатическая сила, необходимая для перемещения Na+в клетку, перестает существовать. Тем не менее пока быстрые Na+-каналы открыты, Na+ продолжает поступать в клетку из-за большого концентрационного градиента. Это пролонгирование входящего Na+ тока приводит к тому, что внутренняя часть клетки становится заряженной положительно. Эта реверсия полярности мембраны и есть так называемый овершутпотенциала действия сердца. Такая реверсия электростатического градиента будет, конечно, способствовать ограничению входа дополнительного Na+. Тем не менее на протяжении всего времени, когда направленные внутрь химические силы превосходят направленные вовне электростатические силы, результирующий поток Na+ направлен внутрь, хотя скорость, с которой Na+ поступает в клетку, уменьшается. Поскольку быстрые Na+-каналы являются потенциал-управляемыми, они инактивируются при определенном потенциале и фаза 0 завершится (рис. 6-4).
Далее наступает фаза 1 - ранняя реполяризация. Реполяризация происходит быстро вследствие активации транзиторного выходящего тока (Ito) создаваемого главным образом K+. Активация К+-каналов во время фазы 1 вызывает непродолжительный выброс K+ из клетки, потому что внутренняя часть клетки позитивно заряжена и потому, что внутренняя концентрация K+ значительно превосходит внешнюю концентрацию K+. В результате такого транзиторного выхода позитивно заряженных ионов клетка на короткое время частично реполяризуется.
Во время фазы 2 - плато потенциала действия - Ca2+ входит в кардиомиоциты через кальциевые
каналы, которые активируются и инактивируются гораздо медленнее, чем это делают быстрые Na+-каналы. Во время горизонтального участка фазы 2 такой вход положительного заряда, переносимого Ca2+, сбалансирован выходом положительного заряда, переносимого K+. K+ выходит через каналы, которые проводят в основном Ito, IK и IK1 токи. Как было сказано ранее, ток Ito ответственен за фазу 1, но он не инактивируется полностью до тех пор, пока не закончится фаза 2.
Процесс окончательной реполяризации - фаза 3 - начинается в конце фазы 2, когда выход K+ из клетки сердца начинает превышать вход Ca2+. Как мы уже отмечали, по крайней мере, три К+ тока направленных наружу (Ito IK и IK1) вносят вклад в окончательную реполяризацию (фаза 3) клеток сердца (рис. 6-4).
В завершение избыток Na+, который входит в клетку в течение фазы 0, активно удаляется Na+/К+-АТФазой. Этот фермент переносит 3 Na+ в обмен на 2 K+, который вышел из клетки главным образом в течение фаз 2 и 3. Точно так же большая часть излишка Ca2+, который вошел в клетку главным образом в течение фазы 2, удаляется преимущественно Na+-Ca2+-обменником, который обменивает 3 Na+ на 1 Ca2+. Восстановление концентраций знаменует фазу 4 - потенциал покоя.
Напомним, что IK1 - это inwardly rectifying K+-current, который проводится через К+-кана- лы аномального выпрямления с током входящего направления. Это, inward rectifiers K+-chan- neks - каналы, названные сокращенно Kir (для детализации см. Атлас по физиологии - том 1, рис. 1-16, с. 42 и рис. 1-77, с. 160). Напомним также, что Ito - это fast transient K+-current илиtransient outward current, который проводится через быстро инактивирующиеся (и поэтому транзиторные) K+-каналы выходящего тока. Это группа потенциал-управляемых K+-каналов - KV. Каналы этого типа обычно образованы членами
подсемейств KV1.4, KV3.3, KV3.4, KV4.1 - KV4.3 и
вспомогательной β-субъединицы, часто необходимой для феномена быстрой инактивации (для детализации см. Атлас по физиологии - том 1, рис. 1-14, с. 38 и рис. 1-15, с. 40, а также рис. 1-76, с. 158). Напомним, что delayed rectifier K+-channels - K+-каналы задержанного выпрямления, через которые идет ток IK. Это также КV, -каналы, например
KV1.1 - KV1.3, KV1.5 - KV1.8, KV2.2, KV3.1, KV3.2
(для детализации см. Атлас по физиологии - том 1, рис. 1-15, с. 40, а также рис. 1-76, с. 158).
Рис. 6-4. Ионные токи, текущие через основные ионные каналы, активирующиеся в различные фазы потенциала действия рабочего кардиомиоцита
Ионные токи, формирующие потенциал действия рабочего кардиомиоцита
Любой стимул, который делает Vm менее негативным, стремится открыть m-ворота и, таким образом, стремится активировать быстрые Na+-каналы. Величина отдельно взятого потенциала, необходимого, чтобы открыть m-ворота и таким образом активировать Na+-каналы, слегка варьирует от одного канала клеточной мембраны к другому. Когда Vm достигает значений порядка -65 мВ, m-ворота быстрых Na+-каналов стремительно открываются, пока фактически все m-ворота не станут открытыми (фаза 0). Стремительное открытие m-ворот быстрых Na+-каналов ответственно за большое и резкое увеличение Na+ проводимости (GNa), которое происходит в фазу 0. Входящий Na+ ток окончательно останавливается, когда h- (инактивационные) ворота закрываются. Активность h-ворот, как и активность m-ворот, управляется значением Vm. Однако m-ворота открываются очень быстро (примерно за 0,1 м/с), в то время как закрытие h-ворот требует нескольких миллисунд. Фаза 0 заканчивается, когда все h-ворота инактивируются, таким образом, быстрые Na+-каналы закрываются. Такое быстрое закрытие h-ворот вскоре после открытия m-ворот объясняет быстрое возвращение GNa от ее максимума до значения покоя. Затем h-ворота остаются закрытыми до того момента, пока клетка частично реполяризуется во время фазы 3 (рис. 6-5 А1, А2).
Фаза 1 - короткий период ограниченной реполяризации происходит быстро вследствие активации транзиторного выходящего тока (ito) создаваемого главным образом K+. Непродолжительный выброс K+ из клетки уменьшает амплитуду потенциала действия.
Во время плато - (фаза 2) Ca2+ входит в кардиомиоциты через кальциевые каналы, которые активируются и инактивируются гораздо медленнее, чем это делают быстрые Na+-каналы. Во время фазы 2 такой вход положительного заряда, переносимого Ca2+, сбалансирован выходом положительного заряда, переносимого K+. K+ выходит через каналы, которые проводят в основном Ito, IK и IK1 токи. Различные типы Ca2+-каналов были идентифицированы в тканях сердца, но наиболее
распространены так называемые, Ca2+-каналы L-типа (long lasting). Открытие Ca2+-каналов приводит к увеличению Ca2+проводимости (GCa) сразу же после нарастания потенциала действия (рис. 6-5, А2).
Во время плато потенциала действия трансмембранный концентрационный градиент K+ фактически такой же, как и во время фазы 4, но Vm положителен, поэтому обе силы, химическая и электростатическая, способствуют выходу K+ из клетки. Если бы GK была во время плато такая же, как во время фазы 4, то выход K+ во время фазы 2 значительно превосходил бы вход Ca2+ , и устойчивое плато не возникало бы. Однако по мере того как Vm приближается, а затем достигает положительных значений около пика нарастания потенциала действия, GK внезапно уменьшается. Уменьшенный K+ ток, связанный с понижением GK, предотвращает избыточную потерю K+ из клетки во время плато.
Снижение GK как при положительных, так и при небольших отрицательных значениях Vm называется аномальным выпрямлением с током входящего направления (inward rectification). Аномальное выпрямление с током входящего направления присуще нескольким типам K+ токов, включая IK1 ток.
Другие K+-каналы - К+-каналы задержанного выпрямления (delayed rectifier channels). Протекающие через них токи обозначаются как IK. Эти каналы закрыты в течение фазы 4, но они активируются потенциалами, которые преобладают к концу фазы 0. Однако активация развивается медленно в течение плато. Следовательно, активация этих каналов ведет к постепенному увеличению GK в течение фазы 2. Таким образом, указанные каналы играют в течение фазы 2 небольшую роль, но вносят определенный вклад в процесс окончательной реполяризации (фаза 3), как это описано ниже.
Процесс окончательной реполяризации (фаза 3) начинается в конце фазы 2, когда выход K+ из клетки сердца начинает превышать вход Ca2+. Как мы уже отмечали, по крайней мере, три K+ тока, направленных наружу (Ito IK и IK1), вносят вклад в окончательную реполяризацию (фаза 3) клеток сердца. Необходимо отметить, что определенный вклад вносит ток через катион-неселективные ионные каналы - INS (рис. 6-5 Б).
Рис. 6-5. Изменение проводимости мембраны рабочих кардиомиоцитов предсердий и желудочков для ионов (А) и основные ионные токи, принимающие участие в формировании потенциалов действия этих клеток рабочего миокарда (Б).
На панели Б в центре - потенциал действия миокардильной клетки желудочка, вверху и внизу - относительная проводимость для входящих и выходящих ионных токов соответственно. Прямые жирные линии для ICl, Ipump и IК(АТФ) указывают лишь на присутствие тока, обусловленного этими каналами или насосами, величины этих токов изменяются при различных физиологических состояниях
Ионные токи, формирующие потенциал действия пейсмейкерной клетки
У медленного же ответа (рис. 6-6 А) нарастание гораздо менее крутое, чем у быстрого. Ранняя реполяризация (фаза 1) отсутствует, плато либо отсутствует, либо значительно меньшей длительности и не такое горизонтальное, а переход от плато к окончательной реполяризации менее выражен. Прежде всего, к клеткам с медленным ответом относятся клетки в синусном (SA) и атриовентрикулярном (AV) узлах.
Типичный трансмембранный потенциал действия, зарегистрированный от клетки в SA-узле, изображен на рис. 6-6 А, а реконструированный с помощью компьютерной модели DiFrancescoNoble на рис. 6-6 Б. По сравнению с трансмембранным потенциалом, записанным от кардиомиоцита желудочка, потенциал покоя клетки SA-узла обычно менее негативен, нарастание потенциала действия (фаза 0) менее крутое, плато непродолжительно и реполяризация (фаза 3) более постепенна. Все эти черты характерны для медленного ответа. Нарастание потенциала действия не создается током, направленным внутрь через быстрые Na+-каналы. В таких клетках деполяризация
достигается главным образом за счет входа Ca2+ через Ca2+-каналы. Реполяризация в этих волокнах сопровождается инактивацией Ca2+-каналов и увеличенной K+ проводимостью через IK1 и IK каналы (рис. 6-6 В).
Трансмембранный потенциал в течение фазы 4 намного менее негативен у клеток, обладающих автоматией в SA- (и AV) узлах, чем у предсердных или желудочковых кардиомиоцитов, потому что IKl (К+-ток аномального выпрямления входящего направления) через К+-каналы аномального выпрямления редко встречается у клеток узлов. Ввиду этого отношение GK к GNa в течение фазы 4 намного меньше у клеток узлов, чем у кардиомиоцитов. Следовательно, во время фазы 4, Vmотклоняется намного больше от равновесного K+ потенциала (EK) у клеток узлов, чем у кардиомиоцитов.
Однако принципиальное свойство пейсмейкерного волокна, которое отличает его от других рассмотренных нами волокон, заключается в фазе 4. У клеток, не обладающих автоматией, мембранный потенциал остается постоянным в течение этой фазы, в то время как пейсмейкерное волокно характеризуется медленной диастолической деполяризацией в течение фазы 4. Деполяризация развивается с постоянной скоростью до достижения порога, запуская потенциал действия.
Рис. 6-6. Основные ионные токи, активирующиеся в различные фазы потенциала действия пейсмейкерной клетки в синоатриальном узле.
А - потенциалы действия и ионные токи, участвующие в формировании потенциалов действия пейсмейкерной клетки в синоатриальном узле. IK - калиевый ток задержанного выпрямления, Ibg - фоновый ток утечки, If - пейсмейкерный ток, активируемый гиперполяризацией, ICa,T - T-тип (от transient - преходящий) Са2+-токов активируется слабой деполяризацией и эти токи мимолетные (преходящие), ICa,L (от long-lasting - долгодлящийся) Са2+-токов, требующий сильной деполяризации для активации; он долго-длящийся и блокируется органическими антагонистами L-типа Са2+-каналов, включая дигидропиридины, фенилалкиламины и бензотиазепины. Б - реконструкция спонтанной активности клетки синоатриального узла с помощью компьютерной модели DiFrancesco-Noble. Показаны потенциалы действия. В - реконструкция ионных токов клетки синоатриального узла с помощью компьютерной модели DiFrancesco-Noble. Показаны амплитуды ионных токов IK, Ibg, If и ICa (ICa,L + ICa,T)
Ионные механизмы автоматии
Несколько ионных токов вносят вклад в медленную диастолическую деполяризацию, которая характерна для клеток сердца, обладающих автоматией. В пейсмейкерных клетках SA-узла, по крайней мере, три ионных тока опосредуют медленную диастолическую деполяризацию: (1) входящий ток, If , вызванный гиперполяризацией; (2) входящий Ca2+ ток, ICa и (3) выходящий K+ ток, IK (рис. 6-7 А и Б).
Входящий ток If (funny) активируется ближе к концу реполяризации. Этот «странный» ток переносится главным образом Na+через специфические каналы, которые отличаются от быстрых №+-каналов. Току был пожалован титул «странного», потому что его первооткрыватели не ожидали обнаружить направленный внутрь Na+ ток в пейсмейкерных клетках после завершения реполяризации. Этот ток активируется по мере того, как мембранный потенциал становится более негативным, чем приблизительно -50 мВ. Чем более негативен мембранный потенциал в это время, тем больше активация If тока.
Второй ток, ответственный за диастолическую деполяризацию, Ca 2+ ток, ICa. Этот ток активируется к концу фазы 4 по мере того, как трансмембранный потенциал достигает величины около - 55 мВ. Как только каналы активированы, вход Ca2+ в клетку увеличивается. Этот приток ускоря-
ет диастолическую деполяризацию, которая затем приводит к фазе нарастания потенциала действия. Уменьшение концентрации внешнего Ca2+ или добавление антагонистов кальциевого канала уменьшает амплитуду потенциала действия и крутизну медленной диастолической деполяризации в клетках SA-узла.
Прогрессивной диастолической деполяризации, опосредованной двумя входящими токами, If и ICa, противодействует выходящий ток K+ - ток задержанного аномального выпрямления IK. Эта утечка K+ стремится реполяризовать клетку после нарастания потенциала действия. K+ продолжает выходить наружу в течение значительного времени после максимальной реполяризации, но этот выход уменьшается на всем протяжении фазы 4. Как только ток уменьшается, его противодействие деполяризующим влияниям двух входящих токов (ICa и If) также постепенно уменьшается.
Ионные основы автоматии в пейсмейкерных клетках AV-узла похожи на таковые в клетках SA-узла. Подобные механизмы также отвечают за автоматию в волокнах Пуркинье желудочков, за исключением того, что в них не участвует Ca2+ ток. Другими словами, медленная диастолическая деполяризация опосредована преимущественно неустойчивостью между влиянием вызванного гиперполяризацией входящего тока If и постепенно уменьшающимся выходящим K+ током IK.
Рис. 6-7. Изменение проводимости мембраны пейсмейкерных клеток синоатриального узла для ионов (А) и основные ионные токи, принимающие участие в формировании потенциалов действия этих клеток (Б).
На панели Б в центре - потенциал действия клетки синоатриального узла, вверху и внизу - входящие и выходящие ионные токи соответственно. Прямые жирные линии для Ipump и Ibg указывают лишь на присутствие тока, обусловленного этими каналами или насосами, величины этих токов изменяются при различных физиологических состояниях. Знак вопроса указывает на то, что роль этих токов в формировании потенциала действия синоатриальных клеток до конца не выяснена, тогда как знак «0» говорит о том, что этот ток отсутствует
Истинные и латентные пейсмейкерные комплексы
Свойство автоматии - ведущей пейсмейкерной активности - позволяет сердцу сокращаться даже тогда, когда сердце изолировано из организма. Если коронарные сосуды извлеченного сердца искусственно перфузировать раствором электролита, насыщенного кислородом, ритмические сердечные сокращения сохраняются в течение многих часов. По крайней мере, некоторые клетки предсердий и желудочков могут возбуждаться и инициировать сокращения. Такие клетки главным образом находятся в тканях узлов или специализированных проводящих волокнах сердца.
Областью сердца млекопитающих, которая обычно генерирует импульсы с самой большой частотой (рис. 6-8 А), являетсясиноатриальный (SA) узел. Это главный водитель ритма сердца. Детализированное картирование электрических потенциалов на поверхности правого предсердия показывает, что существуют две или три области автоматии, находящиеся в 1 или 2 см от SA-узла, и составляют совместно с SA-узлом предсердный пейсмейкерный комплекс. Иногда все эти локусы одновременно инициируют импульсы. Однако принципиальное свойство пейсмейкерного
волокна, которое отличает его от других рассмотренных нами волокон, заключается в фазе 4. У клеток, не обладающих автоматией, потенциал остается постоянным в течение этой фазы, в то время как пейсмейкерное волокно характеризуется медленной диастолической деполяризацией в течение фазы 4. Деполяризация развивается с постоянной скоростью до достижения порога, запуская потенциал действия.
Однако существуют и латентные пейсмейкеры. Когда SA-узел или другие составляющие предсердного пейсмейкерного комплекса удалены или разрушены, клетки водителя ритма AV-узла обычно берут на себя пейсмейкерную функцию всего сердца. Через некоторое время клетки предсердий, обладающие автоматией, обычно становятся доминирующими. Волокна Пуркинье представляют специализированную проводящую систему желудочков, которая также способна проявлять автоматию. Как правило, эти волокна разряжаются с очень низкой частотой. Когда AV-узел не может проводить импульсы от предсердий к желудочкам (рис. 6-8 Б), собственный желудочковый водитель ритма в сети волокон Пуркинье инициируют сокращения желудочков, но только с частотой от 30 до 40 ударов в минуту.
Рис. 6-8. Потенциалы действия ведущего пейсмейкера.
А - клетки синусового узла и латентного пейсмейкера. Б - клетки пучка Гиса. Вертикальными пунктирными линиями отмечены моменты начала возбуждения пейсмейкеров, стрелкой отмечено время проведения возбуждения от истинного пейсмейкера к латентному.
Пунктирными линиями показано время достижения порогового потенциала латентными пейсмейкерными клетками. В результате они возбуждаются в ритме, заданном истинным пейсмейкером, поскольку в латентных пейсмейкерах медленная диастолическая деполяризация не успевает достигнуть порогового уровня. ɛс - критический уровень деполяризации
Возможные пути изменения частоты разрядов пейсмейкерных клеток
Частота разрядов пейсмейкерных клеток, определяющих частоту сердечных сокращений, может варьировать в результате изменения следующих условий: (1) при изменении скорости диастолической деполяризации в фазу 4; (2) при изменении максимально отрицательной величины мембранного потенциала в фазу 4; (3) при изменении порогового потенциала за счет сдвига величины критического уровня деполяризации; (4) при изменении скорости нарастания переднего фронта деполяризации и скорости реполяризации
(рис. 6-9). Когда скорость медленной диастолической деполяризации увеличивается (от 2 до 1 на рис. 6-9 А1), потенциал порога достигается раньше и частота сердечных сокращений увеличивается. Повышение порогового потенциала (от Ес-1 до Ес-2 на рис. 6-9 А2) задерживает начало фазы 0 (от момента времени 2 до момента времени 3) и частота сердечных сокращений соответственно уменьшается. Точно так же, когда максимальный, негативный потенциал увеличен (от 1 до 4 на рис. 6-9 А2), то требуется больше времени, чтобы достигнуть порога Ес-2, когда крутизна фазы 4 остается неизменной, а частота сердечных сокращений, следовательно, уменьшается.
Рис. 6-9. Основные пути, обусловливающие изменения частоты возбуждения пейсмейкерных клеток.
А - причины изменения частоты пейсмейкерной активности. А1 - изменение частоты спонтанной активности за счет изменения скорости медленной диастолической деполяризации (1 и 2). А2 - изменение частоты спонтанной активности за счет изменения порогового уровня деполяризации (Ес-1, Ес-2 - 1 и 4). Изменение частоты спонтанной активности за счет изменения уровня максимального диастолического потенциала (2, 3 и 5). Б - влияние кратковременного раздражения блуждающего нерва (стрелка) на трансмембранный потенциал, регистрируемый от пейсмейкерной клетки SA-узла препарата изолированного предсердия кошки. Длительности сердечного цикла, в миллисундах, обозначены числами наверху рисунка
Влияние величины мембранного потенциала покоя на скорость распространения потенциала действия
Уровень потенциала покоя мембраны управляет скоростью проведения потенциалов действия, поскольку влияет на амплитуду потенциала действия и крутизну его нарастания.
Скорость распространения потенциала действия по миокарду определяют следующие факторы: (1) величина мембранного потенциала покоя, (2) амплитуда ПД и (3) скорость нарастания его переднего фронта в фазу 0.
(1) Чем более деполяризована мембрана, тем меньше скорость распространения независимо от причин возникновения. В основе этого явления лежит инактивация потенциал-управляемых h-ворот. А именно, когда начинается регенеративная деполяризация, то часть быстрых натриевых каналов могут быть уже инактивированы.
(2) Амплитуда ПД определяет разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участком, т.е. величину локальных токов, которые деполяризуют мембрану до порогового уровня.
(3) Скорость нарастания переднего фронта влияет на величину разности потенциалов между возбужденным и еще не возбужденным участками. Иными словами, если ПД развивается медленно, то это сопровождается снижением возникающей разности потенциалов, поскольку покоящаяся часть деполяризуется постепенно по отношению к активной зоне.
Этими механизмами можно объяснить более медленное распространение возбуждения потенциалов с медленным ответом. Следует учитывать, что блокируются в первую очередь потенциалы с медленным ответом. Трансмембранный потенциал может изменяться в сторону деполяризации по следующим причинам: (1) изменилась внеклеточная концентрация K+; (2) у волокон сердца, способных к автоматии, Vm постепенно становится менее негативным во время фазы 4; и (3) при преждевременном возбуждении мембрана клетки полностью не реполяризуется после
предыдущего возбуждения. Вообще говоря, чем менее отрицателен уровень Vm, тем меньше скорость распространения импульса, независимо от причины изменения Vm.
Уровень Vm влияет на скорость проведения, потому что инактивация h-ворот быстрых Na+-каналов, является потенциал-управляемой. Чем менее отрицателен Vm, тем больше количество h-ворот, которые стремятся закрыться. В течение нормального процесса возбуждения, деполяризация развивается так быстро в течение фазы 0, что сравнительно медленные h-ворота не закрываются до конца этой фазы. Однако если неполная деполяризация произведена постепенно, например, как при повышении уровня внешнего K+, то ворота имеют вполне достаточное время, чтобы закрыться и таким образом инактивировать некоторые из Na+-каналов. Когда клетка не полностью деполяризована, многие из Na+-каналов уже инактивированы; таким образом, только часть Na+-каналов способна проводить направленный внутрь Na+ ток в течение фазы 0.
На рис. 6-10 показаны результаты эксперимента, в котором потенциал покоя пучка волокон Пуркинье уменьшали, изменяя величину [K+]o. Ткань стимулируется на некотором удалении от клетки с вживленным электродом, и артефакт от раздражения (St) появляется как двухфазное отклонение перед фазой 0. Интервал от этого артефакта до начала фазы 0 обратно пропорционален скорости проведения. Когда [K+]o равна 3 мМ (A и Е), Vm составляет -82 мВ, и наблюдается крутой наклон в фазе 0. В конце фазы 0, овершут достигает 30 мВ. Следовательно, амплитуда потенциала действия составляет 112 мВ.
Когда [K+]o постепенно увеличивается до 16 мМ (от Б к Д), потенциал покоя постепенно становится менее негативным. В то же самое время и амплитуды, и длительности потенциалов действия, и крутизны нарастания уменьшаются. Как следствие, скорость проведения прогрессивно снижается. При уровнях [K+]o в 14 и 16 мМ (Д и E), Vm достигает значений, достаточных, чтобы инактивировать все быстрые Na+-каналы. Потенциалы действия на рис. 6-9 Д и E являются характерными медленными ответами.
Рис. 6-10. Зависимость мембранного потенциала и потенциала действия клеток Пуркинье от внеклеточной концентрации калия (St - стимуляция)
Взаимосвязь частоты стимуляции и длительности потенциала действия кардиомицита
Изменения частоты стимулирующих импульсов изменяют длительность потенциалов действия в клетках сердца (рис. 6-11) и таким образом изменяют их рефрактерные периоды. Следовательно, изменения частоты стимулирующих импульсов часто являются важными факторами при инициировании или прекращении некоторых аритмий. Изменения длительности потенциала действия, которые происходили при уменьшении длительности межстимуляционного интервала от 2000 до 200 мс в волокне Пуркинье показаны на рис. 6-11. Обратите внимание, что по мере того, как длительность межстимуляционного интервала сокращается, длительность потенциала действия уменьшается. Прямая корреляция между длительностью потенциала действия и длительностью межстимуляционного интервала опосредована изменениями в GK, во что вовлечены, по крайней мере, два типа K+-каналов, а именно, K+-каналы задержанного выпрямления (delayed rectifier channels),формирующие ток IK и быстро инактивирующиеся (и поэтому транзиторные) K+-каналы, которые проводят направленный наружу Ito.
Ток IK активируется при значениях Vm близких к нулю, но ток активируется медленно и остается активированным сотни миллисунд. Ток IK также очень медленно инактивируется. Следовательно, поскольку длительность межстимуляционного интервала уменьшается, каждый следующий потенциал действия имеет тенденцию возникать в начале периода инактивации тока IK предшествующего потенциала действия. Таким образом, чем короче длительность межстимуляционного интервала, тем больше направленный наружу K+-ток в течение фазы 2, и, следовательно, короче длительность потенциала действия.
Ток Ito влияет на связь между частотой стимуляции и длительностью потенциала действия. Ток Ito также активируется при значениях потенциалов, близких к нулю, и его величина изменяется обратно пропорционально длине сердечного цикла. Следовательно, при уменьшении межстимуляционного интервала, результирующее увеличение направленного наружу K+тока сокращает плато.
Относительные вклады IK и Ito во взаимосвязь между длительностью потенциала действия и длиной сердечного цикла варьируют в сердцах разных видов животных.
Рис. 6-11. Влияние длительности межстимуляционного интервала (CL) на длительность потенциала действия (APD) клеток Пуркинье
Влияние стимуляции вегетативных нервов на форму потенциалов клеток синусного, атриовентрикулярного узлов и кардиомиоцитов предсердий
Обычно частота разряда водителя ритма регулируется действием обоих отделов вегетативной нервной системы. Усиленная симпатическая нервная активность, посредством высвобождения норадреналина, повышает частоту сердечных сокращений, увеличивая, преимущественно, крутизну медленной диастолической деполяризации рис. 6-12 А1, А2, А3). Этот механизм увеличения частоты сердечных сокращений осуществляется при физической нагрузке, беспокойстве, или при некоторых заболеваниях.
Повышенная активность блуждающего нерва, посредством высвобождения ацетилхолина, уменьшает частоту сердечных сокращений, гиперполяри-
зуя клеточную мембрану пейсмейкера и уменьшая крутизну медленной диастолической деполяризации (рис. 6-12 Б1, Б2, Б3). Эти механизмы уменьшения частоты сердечных сокращений осуществляются, когда преобладает действие блуждающего нерва. Примером крайнего случая является вазовагальный обморок: короткий период головокружения или потери сознания, вызванного интенсивным всплеском вагусной активности. Этот тип обморока является рефлекторным ответом на боль или некоторые психологические стимулы.
Изменения активности внутрисердечной нервной системы обычно не изменяют частоту сердечных сокращений посредством изменения порогового значения Vm, что инициирует разряд пейсмейкерной клетки узла. Однако некоторые антиаритмические препараты, например, хинидин и прокаинамид, поднимают пороговый потенциал клеток, обладающих автоматией до менее негативных величин за счет смещения ɛс.
Рис. 6-12. Влияния парасимпатической и симпатической стимуляции на форму потенциалов действия клеток синоатриального узла (А1, Б1), атриовентрикулярного узла (А2, Б2) и рабочего миокарда предсердий (А3, Б3). На «В», также приведены кривые изометрических сокращений предсердий.
Стрелки указывают направления изменений от контрольных значений потенциалов действия и амплитуды силы сокращения
Влияние нейтротрансмиттеров, их агонистов и антагонистов на клетки синоатриального узла
Нейротрансмиттеры вегетативной нервной системы воздействуют на автоматию, изменяя клеточные трансмембранные ионные токи. Адренергические трансмиттеры увеличивают все три тока, участвующих в автоматии SA-узла. Чтобы увеличить крутизну диастолической деполяризации, усиление If и ICa адренергическими трансмиттерами должно превысить усиление IK. Адренергические трансмиттеры могут существенно влиять на GCa. Так, адренергический нейротрансмиттернорадреналин или, например, агонист β-адренергического рецептора изопротеренол (рис. 6-13 А) и различные другиекатехоламины могут усиливать Ca2+-проводимость. Увеличение Ca2+-проводимости катехоламинами, возможно, является основным механизмом, по которому они усиливают сократимость сердечной мышцы.
Гиперполяризация (рис. 6-13 Б), вызванная ацетилхолином, который высвобождается из окончаний блуждающего нерва, достигается увеличением GK. Это изменение в проводимости опосредуется через активацию специфических K+-каналов, регулируемых ацетилхолином. Эти
каналы регулируются под действием ацетилхолина (например, внеклеточной концентрацией ацетилхолина). В сердце имеются мускариновые K+-каналы (KACh) - тип KG каналов, активирующийся G-белками, ответственными за эффект ацетилхолина. Возникающий ток обозначают как IKACh. В сердце ацетилхолин также понижает If и ICa токи.
У здоровых людей, находящихся в спокойном состоянии, преобладает обычно тоническое влияние парасимпатической нервной системы. Когда здоровому человеку вводят атропин, антагонист мускариновых рецепторов, который блокирует воздействия парасимпатической нервной системы, частота сердечных сокращений обычно значительно возрастает. Если здоровому человеку вводят пропранолол, антагонист β-адренергических рецепторов, который блокирует воздействия симпатической нервной системы, частота сердечных сокращений незначительно уменьшается. Когда оба отдела вегетативной нервной системы блокированы, частота сердечных сокращений у молодых людей в среднем достигает значения 100 ударов в минуту. Частота сердечных сокращений, которая устанавливается при полной блокаде вегетативной нервной системы, называется собственной частотой сердечных сокращений.
Рис. 6-13. Изменение ритма пейсмейкерной активности изолированной синоатриальной клетки под действием низких концентраций агониста β-адренорецепторов изопротеренола (ISO) (А) и агониста мускариновых холинорецепторов ацетилхолина (ACh) (Б). Ускорение или замедление ритма происходят, главным образом, за счет активации изопротеренолом или подавлением ацетилхолином пейсмейкерного тока If
Механизм влияния норадреналина и ацетилхолина
Различные факторы, такие как нейротрансмиттеры и лекарственные средства, могут существенно влиять на проводимость каналов.
Чтобы усилить Ca2+ проводимость, катехоламины сначала взаимодействуют с β-адренергическими рецепторамимембраны клетки сердца. Это взаимодействие стимулирует мембранно-связанный фермент аденилилатциклазу, что повышает внутриклеточную концентрацию циклического аденозин монофосфата (цАМФ). Повышение уровня цАМФ усиливает активацию Ca2+-каналов L-типа в клеточной мембране и таким образом увеличивает вход Ca2+ в клетки из межклеточной жидкости.
Ацетилхолин взаимодействует с мускариновыми рецепторами клеточной мембраны, чтобы наоборот ингибировать аденилилатциклазу. Таким путем ацетилхолин противодействует активации Ca2+-каналов, уменьшая, таким образом, GCa.
Синоатриальный и атриовентрикулярный узлы содержат много холиностеразы, фермента, разрушающего ацетилхолин. Ацетилхолин, высвобож-
денный из окончаний блуждающих нервов быстро гидролизируется. Благодаря быстрому разрушению ацетилхолина воздействия, вызываемые любой стимуляцией блуждающего нерва, очень быстро прекращаются после окончания стимуляции. Кроме того, влияние блуждающего нерва на деятельность синоатриального или атриовентрикулярного узлов имеет очень короткий латентный период (от 50 до 100 мс), потому что выделяемый ацетилхолин активирует специфические ацетилхолин-регулируемые К+-каналы (IKACh) в клетках сердца. Эти каналы открываются так быстро потому, что ацетилхолин действует минуя систему вторичных мессенджеров такую, как система аденилатциклазы. Сочетание двух характерных особенностей блуждающих нервов - короткого латентного периода и быстрого угасания ответной реакции - позволяет блуждающим нервам регулировать деятельность синоатриального и атриовентрикулярного узлов при каждом сокращении сердца.
В области синоатриального узла влияние парасимпатической нервной системы обычно превосходит влияние симпатической нервной системы.
Рис. 6-14. Влияние агонистов α1- и β-адренорецепторов и М2-холинорецепторов через вторичные внутриклеточные посредники на потенциал-зависимые ионные токи IK, If и ICa,L сердечных клеток. Кроме того, стимуляция М2-холинорецептора приводит к активации выходящего калиевого тока IKACh.
АЦ - аденилатциклаза, ФДЭ - фосфодиэстераза, СПР - саркоплазматический ретикулум, IP3 - инозитолтрифосфат, DАG - диацилглицерол, PKA и PKC - протеинкиназы A и C, соответственно
Структура проводящей системы сердца
Автоматия - это способность к самовозбуждению, или способность генерировать свое собственное возбуждение и сокращение. Регулярность такой пейсмейкерной активности определяет ритмичность работы сердца. Доказательством наличия автоматизма служит сокращение сердца, полностью извлеченного из организма.
Областью сердца млекопитающих, которая обычно генерирует импульсы с самой большой частотой, являетсясиноатриальный (SA) узел, это главный водитель ритма сердца. Детализированное картирование электрических потенциалов на поверхности правого предсердия показывает, что существуют две или три области автоматии, находящиеся в 1 или 2 см от SA-узла, и составляют совместно с SA-узлом предсердный пейсмейкерный комплекс. Иногда все эти локусы одновременно инициируют импульсы. А иногда, область самого раннего возбуждения сдвигается от локуса к локусу, в зависимости от определенных условий, таких как уровень активности автономной нервной системы.
Из SA-узла сердца импульсы радиально распространяются по всему правому предсердию по обычным предсердным волокнам миокарда со скоростью проведения около 1 м/с. Специальный путь, передний межпредсердный пучок миокарда (или пучок Бахмана), проводит импульс из SA-узла непосредственно к левому предсердию. Волна возбуждения, которая направляется вниз через правое предсердие, в конечном счете, достигает атриовентрикулярного (AV) узла, который является обычно единственным путем прохождения сердечного импульса к желудочкам.
Волна возбуждения из предсердий достигает желудочков через AV-узел. У взрослых людей этот узел около 22 мм в длину, 10 мм в ширину и 3 мм в толщину. Узел расположен сзади, на правой стороне межпредсердной перегородки, вблизи устья коронарного синуса. AV-узел содержит те же самые два типа клеток, что и SA-узел, но круглые клетки в AV-узле менее распространены, а преобладают удлиненные.
AV-узел состоит из трех функциональных областей: (1) область AN (atrium-nodus), переходная зона
между предсердием и остальной частью узла; (2) N (nodus) средняя часть AV-узла; и (3) NH (nodus-His) - зона, в которой волокна узла постепенно сливаются с пучком Гиса, и которая представляет собой верхнюю часть специализированной проводящей системы желудочков. Обычно AV-узел и пучок Гиса являются единственными проводящими путями, по которым импульсы сердца проходят от предсердий к желудочкам.
Пучок Гиса проходит субэндокардиально вниз, приблизительно на 1 см, по правой стороне межжелудочковой перегородки и затем разделяется на правую и левую ножки пучка. Правая ножка пучка, которая является прямым продолжением пучка Гиса, направляется вниз по правой стороне межжелудочковой перегородки. Левая ножка пучка, которая значительно толще, чем правая, отходит почти перпендикулярно от пучка Гиса и проникает через межжелудочковую перегородку. На субэндокардиальной поверхности левой стороны межжелудочковой перегородки, левая ножка пучка разделяется на тонкую переднюю и толстую заднюю ветви.
Правая ножка пучка и две ветви левой ножки пучка в конечном счете ветвятся, образуя сложную сеть проводящих волокон, названных волокнами Пуркинье, которые распространяются по субэндокардиальным поверхностям обоих желудочков. У некоторых видов млекопитающих, например у крупного рогатого скота, сеть волокон Пуркинье организована в виде дискретных, инкапсулированных волокон.
Волокна Пуркинье имеют множество линейно организованных саркомеров, таких же, как у кардиомиоцитов. Однако T-тубулярная система отсутствует в волокнах Пуркинье у многих видов, хотя она хорошо развита в кардиомиоцитах. Волокна Пуркинье - самые крупные клетки сердца: они имеют диаметр от 70 до 80 мкм, в то время как диаметр кардиомиоцитов желудочков лежит в диапазоне от 10 до 15 мкм. Частично из-за своего большого диаметра, скорость проведения возбуждения (от 1 до 4 м/с) в волокнах Пуркинье превышает таковую у любого другого типа сердечных волокон. Более высокая скорость проведения обеспечивает быструю активацию всей эндокардиальной поверхности желудочков.
Рис. 6-15. Проводящая система сердца.
А - строение проводящей системы сердца: 1 - синоатриальный узел, 2 - проводящие пути предсердий, 3 - атриовентрикулярный узел, 4 - пучок Гиса, 5 и 6 - правая и левая ножки пучка Гиса, 7 - волокна Пуркинье, ВПВ и НПВ - верхняя и нижняя полые вены. Б - скорость распространения возбуждения по миокарду предсердий и желудочков. Цифры указывают время (в сундах) от момента возникновения возбуждения в синоатриальном узле до начала возбуждения в данном отделе миокарда. Скорость проведения возбуждения в синоатриальном узле - 1-2 см/с, в предсердиях около 1 м/с, в атриовентрикулярном узле - 1-5 см/с, в проводящей системе Гиса-Пуркинье - 2-4 м/с. Обозначения: СА - синоатриальный узел, АВ - атриовентрикулярный узел, Гис - ножки пучка Гиса, ВПВ и НПВ - верхняя и нижняя полые вены, ПП и ЛП - правое и левое предсердия
Функции и свойства проводящей системы сердца
Проводящая система сердца обеспечивает генерацию ритма возбуждений, последовательность и синхронностьвозбуждения, а потом и сокращения. Все это повышает эффективность работы сердца как насоса. Разные отделы проводящей системы выполняют различную функцию, что определяет их свойства. Синоатриальный узел ответственен за генерацию потенциалов и в норме является водителем ритма. Основным свойством атриовентрикулярного узла является проведение возбуждения. Возбуждение в АV-узле пройдет только в том случае, если оно произойдет сразу в нескольких клетках. Необходимо еще обратить внимание на важное свойство АV-узла: это значительное снижение скоростипроведения возбуждения до 0,02-0,05 м/с. Это снижение скорости происходит на участке длиной 1,5-2 мм и обусловлено особенностями распространения потенциала с медленным ответом. Необходимость значительного снижения скорости очевидна, поскольку механические процессы в сердце протекают значительно медленнее, чем электрические, и нужно
время, чтобы кровь успела из предсердий попасть в желудочки. Наименьшая скорость проведения имеет места в средней части (nodus). АV-узел обладает односторонней проводимостью.
Атриовентрикулярный узел помимо проведения возбуждения при необходимости может взять на себя функцию водителя ритма. Кроме того, особые свойства АУ-узла обеспечивают неполную блокаду при проведении возбуждения свыше 180-200 в минуту. Далее возбуждение идет по пучку Гиса и его ножкам со скоростью 2-3 м/с, переходит на волокна Пуркинье, здесь скорость максимальная - 4-5 м/с и, наконец, достигает клеток рабочего миокарда. Скорость распространения возбуждения от субэндокардиальных окончаний волокон Пуркинье по рабочему миокарду желудочков составляет около 1 м/с.
На рис. 6-16 продемонстрированы различные типы потенциалов действия, зарегистрированные последовательно от различных участков сердца и сопоставлены с одновременной записью электрокардиограммы. На данном рисунке отчетливо видно, что наибольшая задержка проведения возбуждения имеет место на участке: предсердие - атриовентрикулярный узел.
Рис. 6-16. Последовательная регистрация потенциалов действия от различных участков сердечной мышцы и сопоставление их с электрокардиограммой, зарегистрированной во втором стандартном отведении
Автоматия различных отделов сердца
Проводящая система холоднокровных животных включает два узла автоматии: синусный, расположенный в венозном синусе, и атриовентрикулярный - на границе предсердий и желудочка.
Все участки проводящей системы обладают способностью к автоматии, которая изменяется от основания сердца к верхушке (градиент автоматии). Наибольшей автоматией обладает синоатриальный узел (синусный - у холоднокровных). Его называют центром автоматии первого порядка.
При нарушении функции синоатриального узла какими-либо факторами проявляется автоматия атриовентрикулярного узла. Ритм сокращений сердца, задаваемый этим узлом, вдвое и более раз реже, чем в норме. После выключения атриовентрикулярного узла роль водителя ритма переходит к пучку Гиса, сокращения сердца становятся еще реже и т.д.
Автоматия вторичных узлов проявляется не сразу после выключения узла высшего порядка, а через промежуток времени, который длится от нескольких сунд до нескольких минут, - это так называемая преавтоматическая пауза.
Для изучения проводящей системы сердца лягушки используют метод наложения лигатур на области расположения центров автоматии (лигатуры Станниуса). Применяют две лигатуры Станниуса (рис. 6-17 A). Первая лигатура накладывается в виде тугой перевязки между венозным синусом и предсердиями. Она отделяет синусный узел от остальных отделов сердца и препятствует доступу возбуждения к ним. Вследствие этого сокращения предсердий и желудочка прекращаются. Венозный синус продолжает сокращаться в исходном ритме. Опыт доказывает наличие в венозном синусе ведущего узла автоматии.
Вторая лигатура Станниуса накладывается между предсердиями и желудочком, она служит для раздражения атриовентрикулярного узла и пробуждения его автоматии. После наложения второй лигатуры возникают сокращения предсердий и желудочка, но в ином ритме, чем сокращения синуса. Опыт доказывает существование второго узла автоматии, расположенного в атриовентрикулярной области.
Регистрируют работу сердца в норме с подведенными лигатурами Станниуса. Затем туго завязывают лигатуру на границе между предсердиями и венозным синусом (рис. 6-17 Б). Сразу после перетяжки предсердия и желудочек останавливаются, а сокращения венозного синуса продолжаются в прежнем ритме. Результаты наложения первой лигатуры регистрируют на самописце. Слабые сокращения венозного синуса можно записать только при очень хорошо отпрепарированном препарате.
На некоторых препаратах удается иногда обнаружить самостоятельное проявление автоматии атриовентрикулярного узла через какое-то время после наложения первой лигатуры Станниуса (иногда через несколько минут). Ритм спонтанно возникающих сокращений меньше исходного синусного ритма.
Если же автоматия атриовентрикулярного узла спонтанно не восстанавливается, можно ускорить ее проявление каким-либо внешним стимулом. Таким раздражителем может служить вторая лигатура Станниуса, которая накладывается в области атриовентрикулярной борозды (рис. 6-17 Б). Вторую лигатуру затягивают нетуго, до появления сокращений сердца. Вначале эти сокращения, как правило, довольно часты, но постепенно урежаются, и вскоре устанавливается истинный атриовентрикулярный ритм, который в 2-3 раза реже исходного ритма сердца (рис. 6-17 В2).
Рис. 6-17. Изучение автоматии различных отделов сердца лягушки - опыт Станниуса.
А - выключение отдельных узлов проводящей системы с помощью лигатур Станниуса: 1 - подведение лигатуры для перевязки венозного синуса; 2 - венозный синус отделен лигатурой от предсердий; 3 - подведена вторая лигатура для отделения предсердий от желудочков; 4 - предсердия отделены от желудочков. Б - схема наложения лигатур Станниуса на сердце лягушки. Принцип наложения лигатур Станниуса с целью получения искусственного блока сердца (I - первая лигатура Станниуса; II - вторая лигатура Станниуса): 1 - подведение первой и второй лигатур Станниуса, 2 - затягивание первой лигатуры Станниуса, 3 - затягивание второй лигатуры Станниуса. В - механограмма сердца лягушки: 1 - механограмма сердца лягушки в норме, 2 - механограмма после искусственного поперечного блока
Сердца
Влияние температуры на частоту сокращений сердца
Доказательством автоматии сердца служит тот факт, что вырезанное из организма сердце продолжает ритмически сокращаться. Сердце имеет несколько центров автоматизма, однако используя факт влияния температуры на скорость течения физиологических процессов, можно доказать ведущую роль синусного узла в автоматизме сердца. Если нагревать или охлаждать различные отделы сердца лягушки, то выявляется изменение частоты его сокращений только при изменении температуры синуса, тогда как изменение температуры других отделов сердца (предсердий, желудочка) сказывается лишь на силе мышечных сокращений. Эффект влияния температуры можно наблюдать и на изолированном, и на неизолированном сердце лягушки.
У обездвиженной лягушки обнажают сердце (рис. 6-18 А) собирают установку по схеме, представленной на рис. 6-18 Б. Захватывают серфином или лигатурой верхушку сердца и устанавливают штырь регистратора в горизонтальном положении, опуская или поднимая дощечку с лягушкой. К основанию сердца, находящегося в вертикальном положении (к зоне синусного узла), подводят термод, заполненный водой комнатной температуры. С помощью механоэлектрического преобра-
зователя записывают на самописце кривую сокращений сердца - механограмму (рис. 6-18 В1).
По термоду пропускают воду температурой 4 °С и продолжают запись механограммы, регистрируя изменение механограммы сердца (рис. 6-18 В2). После получения устойчивого эффекта вновь пропускают через термод воду комнатной температуры для получения исходной механограммы (рис. 6-18 В3). Затем пропускают через термод воду температурой около 36 °С и продолжают запись механограммы, регистрируя изменение механограммы сердца (рис. 6-18 В4). После получения эффекта пропускают через термод воду комнатной температуры для получения исходной механограммы (рис. 6-18 В5).
Аналогичным образом проводят исследование влияния температуры на частоту сокращений сердца, перемещая термод к другим участкам сердца (желудочку).
После прекращения температурного воздействия изолируют сердце из организма, для чего предварительно перевязывают сосуды и перерезают их ниже места перевязки. Перерезают полую вену, следя за тем, чтобы не повредить венозный синус. Если изоляция сделана правильно, то сердце, вырезанное из тела лягушки и помещенное в физиологический раствор, будет сокращаться продолжительное время.
Рис. 6-18. Влияние нагревания и охлаждения венозного синуса на частоту сокращений сердца лягушки (опыт Гаскелла).
А - схема сердца с серфином, соединенным с регистратором. Б - схема постановки опыта по изучению влияния температуры на автоматию сердца. В - непрерывная запись механической активности сердца
Условия необходимые для возникновения возбуждения
Сердечная мышца обладает рядом свойств, характерных для любой мышцы, в том числе возбудимостью, т.е. способностью отвечать на действие адекватного раздражителя специфическим изменением ионных токов с последующим изменением потенциала, т.е. отвечать возбуждением на раздражение. Чаще всего возбудимость определяют по порогу раздражения, т.е. по минимальной силе раздражителя, вызывающей ответ. Возбудимость сердечной мышцы, как и любой возбудимой ткани (скелетной и гладкой мышц, нервных волокон), меняется во время ее деятельности. При развитии возбуждения сердце теряет способность отвечать на раздражение новой волной возбуждения. Такое состояние потери возбудимости называют абсолютной рефрактерностью. Период абсолютной рефрактерности совпадает с систолой сердца и продолжается в желудочке 0,27 с. Любой силы раздражитель не способен возбудить сердечную мышцу в этот период. В основе механизма абсолютной рефрактерности лежит явление активации всех каналов входящего тока (прежде всего быстрых натриевых каналов, обеспечивающих ионные токи в фазу деполяризации потенциала действия) с последующей их инактивацией в фазу плато, на которую и приходится фаза абсолютной рефрактерности. Для снятия этой инактивации необходимо смещение потенциала в отрицательную область. Поэтому применение раздражителя любой силы неэффективно.
Абсолютная рефрактерность сменяется состоянием пониженной возбудимости или относительной рефрактерности, которая продолжается в мышце желудочка около 0,03 с и совпадает с фазой его расслабления. Возбудимость сердца в этот период постепенно нарастает, но остается ниже нормы. В это время можно возбудить сердечную мышцу, нанося раздражения большей, чем обычно, силы. В основе механизма относительной рефрактерности лежит явление снятия инактивации всех каналов входящего тока и параллельное приближение потенциала клеток к уровню мембранного потенциала. Именно поэтому в поздний
период относительной рефрактерности сердце легче возбудить, чем в ранний.
Наконец, возбудимость сердца возвращается к норме. С развитием в сердце новой волны возбуждения повторяются вышеописанные изменения возбудимости. Выражением возбуждения сердечной мышцы является потенциал действия. При соотношении изменения возбудимости мышцы сердца и потенциала действия можно видеть, что абсолютная рефрактерность занимает большую часть потенциала действия. Относительная рефрактерность приходится на фазу реполяризации. Раздражение, нанесенное на сердечную мышцу в период нормальной возбудимости и относительной рефрактерности, вызывает добавочное, внеочередное сокращение - экстрасистолу. Если внеочередное раздражение подается на венозный синус, то оно вызывает преждевременное возникновение импульса возбуждения в синусном узле и развитие внеочередного сердечного цикла. Следующий импульс возбуждения и соответствующий ему сердечный цикл возникают через обычный интервал времени. После желудочковой экстрасистолы наступает удлиненная, так называемая компенсаторная пауза. Происхождение ее связано с тем, что очередной импульс, приходящий в желудочек из синусного узла, попадает в рефрактерную фазу экстрасистолы. Этот импульс не может вызвать сокращения желудочка, оно наступает лишь в ответ на следующий импульс водителя ритма. Выпадение одного сокращения и создает удлиненную паузу.
У лягушки обнажают сердце (рис. 6-19 А). Собирают установку по схеме, представленной на рис. 6-19 Б. Захватывают серфином или лигатурой верхушку сердца и соединяют с механоэлектрическим преобразователем. На макроманипуляторе закрепляются вилочковые электроды, соединенные со стимулятором, которые подводятся к желудочку. Записывают кривую сокращений сердца - механограмму.
Исследование изменений возбудимости сердца производят путем получения экстрасистолы и определения интенсивности (раздражения, вызывающего ее в различные моменты деятельности желудочка). Внеочередное раздражение подают на желудочек в виде прямоугольных импульсов электрического тока от электростимулятора.
Рис. 6-19. Получение желудочковой экстрасистолы на сердце лягушки.
А - схема сердца с серфином. Б - схема постановки опыта. В - запись механограммы лягушки. Отметка времени 1 с. Видны две экстрасистолы. Г - желудочковая экстрасистола и компенсаторная пауза. Схематическое изображение моментов нанесения внеочередных раздражений (1, 2, 3), желудочковая экстрасистола (4), компенсаторная пауза (5), несостоявшееся сокращение обозначено пунктиром (6). Внизу отметка времени
Понятие о реентри
При определенных условиях сердечный импульс может снова возбудить некоторую область миокарда, через которую он проходил ранее. Это явление, известное как реентри (циркуляция волны возбуждения), ответственно за многие клиническиеаритмии (нарушения сердечного ритма). Реентри может быть упорядоченным или беспорядочным. В случае упорядоченной формы реентри импульс проходит по фиксированному анатомическому пути, в то время как при беспорядочной форме реентри путь непрерывно меняется. Условия необходимые для реентри иллюстрируются на рис. 6-20. Необходимое условие для реентри состоит в том, что в некоторой точке петли импульс может проходить в одном направлении, но не в другом. Это явление названо однонаправленным блоком. Хотя однонаправленный блок является необходимым условием для реентри, сам он не может вызвать циркуляции возбуждения. Чтобы возникло реентри, эффективный рефрактерный период области реентри должен быть короче, чем время проведения по петле. Функциональные компоненты петель реентри, ответственные за специфические аритмии в интактном сердце, разнообразны. Некоторые петли - большие и включают все спе-
циализированные проводящие пути, в то время как другие - микроскопические. Петля может включать кардиомиоциты, специализированные волокна проводящей системы, клетки узлов и атриовентрикулярные ткани почти в любой мыслимой компоновке. К тому же клетки сердца в петле могут быть нормальными или патологическими. Следовательно, условиями, которые поддерживают реентри, являются те, которые продлевают время проведения или сокращают эффективный рефрактерный период.
У пациентов с нерегулярными преждевременными деполяризациями, время появления этих внеочередных сокращений может обуславливать их клиническое состояние. Если они происходят на поздней стадии периода относительной рефрактерности, предшествующей деполяризации, или после полной реполяризации, то преждевременная деполяризация, вероятно, несущественна. Однако если преждевременные деполяризации происходят на ранней стадии периода относительной рефрактерности, проведение преждевременного импульса от места возникновения будет медленным, и, следовательно, возникновение реентри более вероятно. Если реентри нерегулярено (т.е. если наступает фибрилляция),последствия могут быть очень серьезными.
Рис. 6-20. Циркуляция волны возбуждения (re-entry - повторный вход) в кольце возбудимой ткани (по Mayer и Mines).
А - циркуляция волны возбуждения. А1 - при стимуляции кольца в определенной точке распространяющиеся импульсы сталкиваются. А2 - во время стимуляции на короткое время сдавливается заштрихованный участок, при этом возбуждение распространяется только в одном направлении, так как в области сжатия распространение импульса блокируется. A3 - кольцо больше не пережимается, импульс возвращается к исходной точке и затем продолжает свое движение по кольцу, начинается циркуляция возбуждения. Длина волны (ДВ) для re-entry равна произведению скорости проведения (СП) возбуждения на эффективный рефрактерный период (ЭРП). Значения СП и ЭРП, взяты для нормальной ткани рабочего миокарда человека. Циркуляция возбуждения по кольцу возможна только при условии, если ДВ меньше, чем путь, по которому двигается волна (длина окружности - 2 πr). Б - циркуляция волны возбуждения вокруг анатомического препятствия. В - циркуляция волны возбуждения вокруг функционального препятствия. На (Б) и (В) стрелкой отмечено направление распространение волны. Синим цветом закрашены участки ткани, находящиеся в состоянии абсолютной рефрактерности. Рядом с каждым участком показаны фазы потенциала действия в данный момент. Циркуляция возбуждения возможна только при наличии возбудимого окна между «головой» и «хвостом» волны
Ранние и задержанные деполяризации
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 232; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!