• Мембранные потенциалы кардиомиоцитов

    Октябрь 26, 2017 Нет комментариев

    Мембранные потенциалы кардиомиоцитов

    Согласно традиционному представлению, причиной возникновения потенциалов клеток как в покое, так и при их активации является прежде всего неравномерное распределение ионов калия и натрия между содержимым клеток и экстрацеллюлярной средой. Напомним, что концентрация ионов калия внутри клеток в 20—40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости (отметим при этом, что избыток положительных зарядов ионов калия внутри клеток компенсируется в основном анионами органических кислот), а концентрация натрия в межклеточной жидкости в 10—20 раз выше, чем внутри клеток.


    Такое неравномерное распределение ионов обеспечивается активностью «натрий-калиевого насоса», т.е. N а+/К+-АТФ-азы. Возникновение потенциала покоя обусловлено в основном наличием концентрационного градиента ионов калия. Эта точка зрения обосновывается тем, что ионы калия внутри клетки находятся преимущественно в свободном состоянии, т.е. не связаны с другими ионами, молекулами, поэтому могут свободно диффундировать.

    Согласно известной теории Ходжкина с соавторами, клеточная мембрана в состоянии покоя проницаема в основном только для ионов калия. Ионы калия диффундируют по концентрационному градиенту через клеточную мембрану в окружающую среду, анионы же не могут проникать через мембрану и остаются на ее внутренней стороне.

    В связи с тем что ионы калия имеют положительный заряд, а анионы, остающиеся на внутренней поверхности мембраны, — отрицательный, внешняя поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя — отрицательно. Понятно, что диффузия продолжается только до того момента, пока не установится равновесие между силами возникающего электрического поля и силами диффузии.

    Мембрана в состоянии покоя проницаема не только для ионов калия, но и в небольшой степени для ионов натрия и хлора. Мембранный потенциал клеток представляет собой результирующую электродвижущих сил, генерируемых этими тремя каналами диффузии. Проникновение натрия из окружающей жидкости внутрь клетки по концентрационному градиенту приводит к некоторому уменьшению мембранного потенциала, а затем – к их деполяризации, т.е. уменьшению поляризации (внутренняя поверхность мембран становится вновь положительно, а наружная — отрицательно заряженной). Деполяризация лежит в основе формирования потенциала действия мембран.

    Все клетки возбудимых тканей при действии различных раздражителей достаточной силы способны переходить в состояние возбуждения. Возбудимость — это способность клеток к быстрому ответу на раздражение, проявляющемуся через совокупность физических, физико-химических процессов и функциональных изменений.

    Облигатным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны. В целом проницаемость мембраны увеличивается (это одна из общетиповых реакций клетки на различные повреждающие воздействия) для всех ионов. Вследствие этого ионные градиенты исчезают и разность потенциалов на мембране снижается до нуля. Это явление «снятия» (отмены) поляризации называют деполяризацией.

    При этом внутренняя поверхность мембран становится вновь положительно, а наружная — отрицательно заряженной. Такое перераспределение ионов имеет временный характер; после окончания возбуждения исходный потенциал покоя вновь восстанавливается. Деполяризация лежит в основе формирования потенциала действия мембран.

    Когда деполяризация мембраны достигает некоторого порогового уровня или превышает его, клетка возбуждается, т. е. появляется потенциал действия, который представляет собой волну возбуждения, перемещающуюся по мембране в виде кратковременного изменения мембранного потенциала на небольшом участке возбудимой клетки. Потенциал действия имеет стандартные амплитуду и временные параметры, не зависящие от силы вызвавшего его стимула (правило «все или ничего»). Потенциалы действия обеспечивают проведение возбуждения по нервным волокнам и инициируют процессы сокращения мышечных клеток.

    Потенциалы действия возникают в результате избыточной по сравнению с покоем диффузии ионов натрия из окружающей жидкости внутрь клетки. Период, в течение которого проницаемость мембраны для ионов натрия при возбуждении клетки возрастает, является весьма кратковременным (0,5— 1,0 мс); вслед за этим наблюдают повышение проницаемости мембраны для ионов калия и, следовательно, усиление диффузии этих ионов из клетки наружу.

    Увеличение ионного потока калия, направленного из клетки наружу, приводит к снижению мембранного потенциала, что в свою очередь обусловливает уменьшение проницаемости мембраны для ионов натрия. Таким образом, второй этап возбуждения характеризуется тем, что поток ионов калия из клетки наружу возрастает, а встречный поток ионов натрия уменьшается. Это продолжается до тех лор, пока не произойдет восстановление потенциала покоя. После этого проницаемость для ионов калия также снижается до исходной величины.

    Наружная поверхность мембраны за счет вышедших в среду положительно заряженных ионов калия опять приобретает положительный потенциал по отношению к внутренней. Этот процесс возвращения мембранного потенциала к исходному уровню, т.е. уровню потенциала покоя, называют реполяризацией.

    Процесс реполяризации всегда продолжительнее процесса деполяризации и на кривой потенциала действия (см. ниже) представлен в виде более пологой нисходящей ветви. Таким образом, реполяризация мембраны происходит не в результате обратного перемещения ионов натрия, а вследствие выхода из клетки эквивалентного количества ионов калия.

    В некоторых случаях проницаемость мембраны для ионов натрия и калия после окончания возбуждения остается повышенной. Это приводит к тому, что на кривой потенциала действия регистрируют так называемые следовые потенциалы, для которых характерны малая амплитуда и сравнительно большая длительность.

    При действии подпороговых стимулов проницаемость мембраны для натрия возрастает незначительно и деполяризация не достигает критического значения. Деполяризацию мембраны меньше критического уровня называют местным потенциалом, который может быть представлен в виде «электротонического потенциала», или «локального ответа».

    Местные потенциалы не способны распространяться на значительные расстояния, а затухают вблизи места своего возникновения. Эти потенциалы не подчиняются правилу «все или ничего» — их амплитуда и длительность пропорциональны интенсивности и длительности раздражающего стимула.

    При повторном действии подпороговых стимулов местные потенциалы могут суммироваться, достигать критического значения и вызывать появление распространяющихся потенциалов действия. Таким образом, местные потенциалы могут предшествовать возникновению потенциалов действия. Особенно отчетливо это наблюдается в клетках проводящей системы сердца, где медленная диастолическая деполяризация, развивающаяся спонтанно, вызывает появление потенциалов действия.

    Следует отметить, что трансмембранное перемещение ионов натрия и калия не является единственным механизмом генерирования потенциала действия. В его формировании также принимают участие трансмембранные диффузионные токи ионов хлора и кальция.

    Изложенные выше общие сведения о мембранных потенциалах в равной степени относят как к атипичным кардиомиоцитам, формирующим проводящую систему сердца, так и к сократительным кардиомиоцитам — непосредственным исполнителям насосной функции сердца. Изменения заряда мембран лежат в основе генерации электрических импульсов — сигналов, необходимых для согласования функционирования сократительных кардиомиоцитов предсердий и желудочков на протяжении сердечного цикла и насосной функции сердца в целом.

    Специализированные клетки — «пейсмекеры» синусового узла обладают способностью спонтанно (без воздействия извне) генерировать импульсы, т. е. потенциалы действия. Это свойство, получившее название автоматизм, имеет в своей основе процесс медленной диастолической деполяризации, заключающийся в постепенном снижении мембранного потенциала до порогового (критического) уровня, с которого начинается быстрая деполяризация мембраны, т. е. фаза 0 потенциала действия.

    Спонтанная диастолическая деполяризация обеспечивается ионными механизмами, среди которых традиционно неспецифический ток ионов Na+ в клетку занимает особое положение. Однако, согласно современным исследованиям, на долю этого тока приходится лишь около 20% активности трансмембранного перемещения ионов.

    В настоящее время большое значение имеет т. н. задержанный (запаздывающий) выходящий из клеток ток ионов К+. Установлено, что угнетение (задержка) этого тока обеспечивает до 80% автоматизма пейсмекеров синусового узла, а усиление тока К+ замедляет или вовсе останавливает пейсмекерную активность. Существенный вклад в достижение порогового потенциала вносит ток ионов Са++ в клетку, активация которого оказалась необходимой для достижения порогового потенциала. В этой связи с этим уместно обратить внимание на то, что клиницистам хорошо известно, насколько чувствителен синусовый ритм к блокаторам Са++-каналов (L-типа) клеточной мембраны, например, к верапамилу, или к бета-адреноблокаторам, например, к пропранололу, способным влиять на эти каналы через катехоламины.

    В аспекте электрофизиологического анализа насосной функции сердца интервал между систолами равен отрезку времени, в течение которого мембранный потенциал покоя в клетках синусового узла смещается до уровня порогового потенциала возбуждения.

    Три механизма оказывают влияние на продолжительность этого интервала и, следовательно, на частоту сердечных сокращений. Первый в наиболее важный из них — скорость (крутизна нарастания) диастолической деполяризации. При ее возрастании пороговый потенциал возбуждения достигается быстрее, что детерминирует учащение синусового ритма. Противоположное изменение, т. е. замедление спонтанной диастолической деполяризации, ведет к урежению синусового ритма.

    Второй механизм, оказывающий влияние на уровень автоматизма синусового узла, — изменение мембранного потенциала покоя его клеток (максимального диастолического потенциала). При увеличении этого потенциала (в абсолютных значениях), т. е. при гиперполяризации клеточной мембраны (например, под воздействием ацетилхолина), требуется больше времени для достижения порогового потенциала возбуждения, если разумеется скорость диастолической деполяризации остается неизменной. Следствием такого сдвига будет уменьшение числа сердечных сокращений в единицу времени.

    Третий механизм — это изменения порогового потенциала возбуждения, смещение которого по направлению к нулю удлиняет путь диастолической деполяризации и способствует урежению синусового ритма. Приближение порогового потенциала к потенциалу покоя сопровождается учащением синусового ритма. Возможны также различные комбинации трех основных эдектро-физиологических механизмов, регулирующих автоматизм синусового узла.

    Фазы и основные ионные механизмы формирования трансмембранного потенциала действия

    Различают следующие фазы ТМПД:

    Фаза 0 — фаза деполяризации; характеризуется быстрой (в течение 0,01 с) перезарядкой клеточной мембраны: внутренняя ее поверхность становится положительно, а наружная — отрицательно заряженной.

    Фаза 1 — фаза начальной быстрой реполяризации; проявляется небольшим начальным снижением ТМПД от +20 до 0 mV или чуть ниже.

    Фаза 2 — фаза плато; относительно продолжительный период (около 0,2 с), во время которого величина ТМПД поддерживается на одном уровне

    Фаза 3 — фаза конечной быстрой реполяризации; в течение данного периода восстанавливается исходная поляризация мембраны: наружная ее поверхность становится положительно-, а внутренняя — отрицательно заряженной (-90 mV).

    Фаза 4 — фаза диастолы; величина ТМПД сократительной клетки сохраняется примерно на уровне —90 mV, происходит восстановление (не без участия Na+/K+-Hacoca) исходных трансмембранных градиентов ионов К+, Na+, Са2+ и СГ.

    Для различных фаз ТМПД характерна неодинаковая возбудимость мышечного волокна.

    В начале ТМПД (фазы 0,1,2) клетки полностью не возбудимы (абсолютный рефрактерный период). Во время быстрой конечной реполяризации (фаза 3) возбудимость частично восстанавливается (относительный рефрактерный период). Во время диастолы (фаза 4) рефрактерность отсутствует и миокардиальное волокно полностью восстанавливает свою возбудимость. Изменения возбудимости кардиомиоцита на протяжении формирования трансмембранного потенциала действия отражены на ЭКГ-комплексе.

    12345 (No Ratings Yet)
    Загрузка...

    Комментарии

    *