Изменение физико-химических и электрофизиологических свойств кардиомиоцитов

Функциональным элементом сердца служит мышечное волокно - цепочка из клеток миокарда, соединенных "конец в конец" и заключенных в общую саркоплазматическую оболочку (основную мембрану).

В зависимости от морфологических и функциональных особенностей в сердце различают два типа кардиомиоцитов:

*Клетки рабочего миокарда предсердий и желудочков, составляющие основную массу сердца и обеспечивающие его нагнетательную функцию.

*Клетки водителя ритма (пейсмекера) проводящей системы, отвечающие за генерацию возбуждения и проведение его к клеткам рабочего миокарда.

Возникновение и распространение возбуждения в сердце.

Мышца сердца (миокард), подобно нервной ткани и скелетным мышцам, принадлежит к возбудимым тканям. Это означает, что волокна миокарда обладают потенциалом покоя (ПП), отвечают на надпороговые стимулы генерацией потенциалов действия (ПД) и способны проводить эти потенциалы без затухания (бездекрементно).

Мышечная ткань предсердий и желудочков ведет себя как функциональный синцитий: возбуждение, возникающее в каком-либо из этих отделов, охватывает все без исключения клетки. Благодаря этой особенности сердце подчиняется закону "все или ничего": на раздражение оно либо отвечает возбуждением всех волокон, либо (если раздражитель подпороговый) не реагирует вовсе. Этим оно отличается от нервов и скелетных мышц, где каждая клетка возбуждается изолированно, и поэтому только в тех клетках, на которые наносят надпороговые раздражения, возникают потенциалы действия.

Ритмические сокращения сердца возникают под действием импульсов, зарождающихся в нем самом. Это свойство называется автоматизмом. В норме ритмические импульсы генерируются только специализированными клетками водителя ритма (пейсмекера) проводящей системы сердца.

В норме водителем ритма служит синоатриальный (СА) узел - водитель ритма первого порядка, расположенный в стенке правого предсердия у места впадения в него верхней полой вены. Частота разрядов СА-узла в покое составляет около 70 в 1 мин. От этого узла возбуждение распространяется сначала по рабочему миокарду обоих предсердий. При распространении возбуждения по проводящей системе оно на короткое время задерживается в атриовентрикулярном (АВ) узле. Остальные отделы специализированной системы, к которым относят пучок Гиса с его левой и правой ножками и их конечные разветвления-волокна Пуркинье - проводят импульсы довольно быстро (со скоростью примерно 2 м/с), поэтому различные отделы желудочков достаточно синхронно охватываются возбуждением. Скорость распространения импульса от субэндокардиальных окончаний волокон Пуркинье по рабочему миокарду составляет около 1 м/с.

Если по той или иной причине возбуждение СА-узла не возникает, либо (при синоатриальной блокаде) не может перейти на предсердие, роль водителя ритма берет на себя АВ-узел - пейсмекер второго порядка (частота АВ-ритма равна 40-30/мин). Если же проведение возбуждения от предсердий к желудочкам полностью нарушено (развилась полная поперечная блокада), то желудочки сокращаются в ритме пейсмекера третьего порядка, расположенного в вентрикулярной проводящей системе. СА-узел называют номотопным (нормально расположенным) центром, а очаги возбуждения в остальных отделах проводящей системы - гетеротопными (ненормально расположенными) центрами.

В случае полной поперечной блокады предсердия и желудочки сокращаются независимо друг от друга - предсердия в ритме СА-узла, а желудочки со значительно меньшей частотой, присущей пейсмекерам третьего порядка (30-40/мин). При внезапном возникновении полной поперечной блокады желудочковые центры автоматизма начинают функционировать лишь через несколько секунд. Во время этой предавтоматической паузы кровоснабжение головного мозга ухудшается, что может привести к потере сознания и судорогам (приступ Морганьи-Адамса-Стокса). Если вентрикулярные водители ритма не включаются, то остановка желудочков может привести к необратимому повреждению мозга и даже к смертельному исходу.

Характеристики процесса возбуждения на клеточном уровне.

Возникновение возбуждения имеет свои особенности в клетках рабочего миокарда и в клетках водителей ритма. Клетки рабочего миокарда предсердий и желудочков не обладают автоматизмом. Потенциалы действия в них возникают лишь под влиянием распространяющегося возбуждения: от возбужденных участков к невозбужденным течет ток, вызывающий деполяризацию последних. Когда в результате этой деполяризации мембранный потенциал достигает критического (порогового) значения, возникает потенциал действия.

Клетки сердца, обладающие автоматизмом, спонтанно деполяризуются до критического уровня. В таких клетках за фазой реполяризации следует фаза медленной диастолической деполяризации, начинающаяся сразу по достижении максимального диастолического потенциала и приводящая к снижению мембранного потенциала до порогового уровня и возникновению потенциала действия. В отличие от потенциала действия медленная диастолическая деполяризация (пейсмекерный потенциал, препотенциал) - это местное, нераспространяющееся возбуждение.

В норме ритм сердечных сокращений задают лишь несколько клеток синоатриального узла - так называемые истинные водители ритма. Все остальные клетки проводящей системы разряжаются, как и рабочий миокард, под действием распространяющегося возбуждения. Эти клетки называют латентными (скрытыми, потенциальными) водителями ритма. Потенциал действия в них возникает под влиянием токов от возбужденных участков до того, как в результате их собственной медленной диастолической деполяризации их мембранный потенциал достигнет порогового уровня. В связи с тем, что в латентных водителях ритма медленная диастолическая деполяризация позже достигает порогового уровня, частота их разрядов ниже.

В миокарде, в отличие от скелетной мускулатуры, возбуждение и сокращение в значительной степени перекрываются во времени. Потенциал действия клеток миокарда заканчивается только после начала фазы расслабления. Поскольку последующее сокращение может возникнуть лишь в результате очередного возбуждения, а это возбуждение в свою очередь возможно только по окончании периода абсолютной рефрактерности предшествующего потенциала действия, сердечная мышца, в отличие от скелетной, не может отвечать на частые раздражения суммацией одиночных сокращений, или тетанусом.

Это свойство миокарда - неспособность к состоянию тетануса, имеет большое значение для нагнетательной функции сердца. Тетаническое сокращение, продолжающееся дольше периода изгнания крови, препятствовало бы наполнению сердца.

У человека и млекопитающих структуры, которые отвечают за электромеханическое сопряжение в скелетных мышцах, в основном имеются и в волокнах сердца. Для миокарда характерна система поперечных трубочек (Т-система). Особенно хорошо она развита в желудочках, где эти трубочки образуют продольные ответвления. Напротив, система продольных трубочек, служащих внутриклеточным резервуаром Са ²⁺ , в мышце сердца развита в меньшей степени, чем в скелетных мышцах.

Как структурные, так и функциональные особенности миокарда свидетельствуют в пользу тесной взаимосвязи между внутриклеточными депо Са ²⁺ и внеклеточной средой. Ключевым событием в сокращении служит вход в клетку Са ²⁺ во время потенциала действия. Значение этого кальциевого тока состоит не только в том, что он увеличивает длительность потенциала действия и вследствие этого рефрактерного периода, но также в том, что перемещение кальция из наружной среды в клетку создает условия для регуляции силы сокращения.

Однако количество кальция, входящего во время потенциала действия, явно недостаточно для прямой активации сократительного аппарата. Очевидно, большую роль играет выброс Са ²⁺ из внутриклеточных депо, запускаемый входом Са ²⁺ извне. Кроме того, входящий в клетку Са ²⁺ пополняет запасы Са²⁺ , обеспечивая последующие сокращения.

Таким образом, потенциал действия влияет на сократимость по меньшей мере двумя путями:

*Играет роль пускового механизма ("триггерное действие"), вызывающего сокращение путем высвобождения Са ²⁺ (преимущественно из внутриклеточных депо).

*Обеспечивает пополнение внутриклеточных запасов Са ²⁺ в фазе расслабления, необходимое для последующих сокращений.

Вегетативные и другие механизмы, воздействующие на сокращения сердца.

Целый ряд факторов оказывает косвенное влияние на сокращение миокарда, изменяя длительность потенциала действия и тем самым величину входящего тока Са ²⁺ .

Примеры такого влияния - снижение силы сокращений вследствие укорочения потенциала действия при повышении внеклеточной концентрации К ⁺ или действии ацетилхолина и усиление сокращений в результате удлинения потенциала действия при охлаждении.

Увеличение частоты потенциалов действия влияет на сократимость так же, как и повышение их длительности (ритмоинотропная зависимость, усиление сокращений при нанесении парных стимулов, постэкстрасистолическая потенциация). Так называемый феномен лестницы (нарастание силы сокращений при их возобновлении после временной остановки) также связан с увеличением внутриклеточной фракции Са ²⁺ .

Учитывая эти особенности сердечной мышцы, не приходится удивляться тому, что сила сокращений сердца быстро изменяется при изменении содержания Са ²⁺ во внеклеточной жидкости. Удаление Са ²⁺ из внешней среды приводит к полному разобщению электромеханического сопряжения; потенциал действия при этом остается почти неизменным, но сокращений не происходит.

Ряд веществ, блокирующих вход Са ²⁺ во время потенциала действия, оказывает такой же эффект, как и удаление кальция из внешней среды. К таким веществам относятся так называемые антагонисты кальция ( верапамил , нифедипин , дилтиазем ).

Напротив, при повышении внеклеточной концентрации Са ²⁺ или при действии веществ, увеличивающих вход этого иона во время потенциала действия (адреналин , норадреналин ), сократимость сердца увеличивается. В клинике для усиления сердечных сокращений используют так называемые сердечные гликозиды (препараты наперстянки, строфанта и т.д.).

В соответствии с современными представлениями сердечные гликозиды повышают силу сокращений миокарда преимущественно путем подавления Nа ⁺ /К ⁺ -АТФазы (натриевого насоса), что приводит к повышению внутриклеточной концентрации Na ⁺ . В результате снижается интенсивность обмена внутриклеточного Са ²⁺ на внеклеточный Na ⁺ , зависящего от трансмембранного градиента Na ⁺ , и Са ²⁺ накапливается в клетке. Это дополнительное количество Са ²⁺ запасается в депо и может быть использовано для активации сократительного аппарата.

Вегетативная иннервация сердца.

Основные механизмы действия вегетативной нервной системы.

Сердечные центры продолговатого мозга и моста непосредственно управляют деятельностью сердца. Их влияния передаются по симпатическим и парасимпатическим нервам и касаются частоты сокращений (хронотропное действие), силы сокращений (инотропное действие), а также скорости атриовентрикулярного проведения (дромотропное действие).

Как и в остальных органах, передатчиками нервных влияний на сердце служат химические медиаторы - ацетилхолин в парасимпатической нервной системе и норадреналин - в симпатической.

Кроме того, симпатоадреналовая система влияет на сердце посредством катехоламинов, выделяющихся в кровь из мозгового слоя надпочечников.

Механизм действия медиаторов.

Считается, что в основе действия блуждающих нервов и их медиатора ацетилхолина лежит прежде всего повышение проницаемости возбудимых мембран для калия. В результате такого влияния мембранный потенциал стремится достичь равновесного потенциала для калия, что препятствует деполяризации. Этот эффект проявляется и в запаздывании медленной диастолической деполяризации в синоатриальном узле, и в укорочении потенциала действия миокарда предсердий, сопровождающемся ослаблением сокращений. Уменьшение крутизны нарастания потенциалов действия в атриовентрикулярном узле, очевидно, также связано с этим эффектом, так как усиленный выход калия противодействует медленному входящему току кальция.

Обсуждается также возможность прямого ингибирующего действия ацетилхолина на медленный вход Са ²⁺ (т.е. снижения кальциевой проницаемости) в клетках предсердий. Что же касается желудочков, то в них эффект ацетилхолина связан преимущественно с блокадой симпатического влияния, т. е. выделения норадреналина из окончаний симпатических нервов.

Относительно действия симпатических нервов и их медиаторов к настоящему времени получены убедительные экспериментальные данные о том, что они усиливают медленный входящий кальциевый ток, т. е. повышают кальциевую проницаемость. При этом сила сокращений увеличивается, поскольку возрастает эффективность электромеханического сопряжения. Влияние катехоламинов на АВ-узел по выше изложенным соображениям также, очевидно, обусловлено усилением медленного входящего кальциевого тока. Что касается ускорения расслабления сердечной мышцы, сопровождающего положительный инотропный эффект, то его связывают со стимуляцией поступления Са ²⁺ во внутриклеточные депо.

Для положительного хронотропного эффекта симпатических нервов удовлетворительного объяснения пока нет: в СА-узле он связан, возможно, с усилением медленного кальциевого тока, но в волокнах Пуркинье более вероятно влияние на особый активируемый гиперполяризацией пейсмекерный ток.

Фармакологические механизмы действия медиаторов на сердце.

Считается, что действие медиаторов вегетативной нервной системы включает их связывание с определенными молекулярными структурами эффекторных клеток (эти структуры, как и чувствительные клетки, называют рецепторами). Влияние на сердце норадреналина и адреналина опосредовано возбуждением так называемых β-рецепторов.

Эффекты симпатических нервов и их медиаторов выключаются β-адреноблокаторами, например дихлоризопротеренолом и неталидом. Антагонистом парасимпатических эффектов ацетилхолина в сердце, как и в других органах, служит алкалоид из белладонны атропин .

Влияние ионного состава среды на функцию сердца.

Из всех характеристик внеклеточной жидкости, влияющих на работу сердца, наибольший эффект оказывает концентрация ионов К ⁺ . При повышении содержания К ⁺ в наружной среде наблюдаются:

*Снижение потенциала покоя вследствие уменьшения градиента концентрации К ⁺ .

*Увеличение проницаемости возбудимых мембран для К ⁺ (как при действии ацетилхолина на миокард предсердий).

Увеличение концентрации К ⁺ вдвое, т. е. до 8 ммоль/л (при норме 4 ммоль/л), приводит к незначительной деполяризации, сопровождающейся повышением возбудимости и скорости проведения, а также к подавлению гетеротопных очагов возбуждения. При значительном возрастании концентрации К ⁺ (выше 8 ммоль/л) возбудимость, скорость проведения и длительность потенциала действия падают, в результате чего уменьшается сократимость и синоатриальный узел фактически перестает функционировать как водитель ритма.

Снижение же внеклеточной концентрации К ⁺ (ниже 4 ммоль/л) приводит главным образом к повышению активности пейсмекера, при этом активируются также гетеротопные очаги возбуждения, что может сопровождаться нарушениями ритма.

Снижение возбудимости под действием растворов с высокой концентрацией К ⁺ (кардиоплегических растворов) используют в хирургии сердца, чтобы вызвать его временную остановку; кровообращение в этих условиях поддерживается специальным насосом (аппаратом искусственного кровообращения).

Изменения функций сердца при сдвигах в содержании К ⁺ в крови, наступающих при большой физической нагрузке или при некоторых заболеваниях, могут существенно компенсироваться влиянием симпатических нервов.

Следует выделить два основных механизма нарушений ритма сердечных сокращений: 1) патологию образования импульса и 2) дефекты проведения импульса. Однако чаще всего аритмии возникают при участии обоих механизмов. Патология образования импульса может быть обусловлена нарушениями автоматизма и повышением возбудимости кардиомиоцитов.