Йонния механизъм на възникване на PD в атипични кардиомиоцити. Потенциали на действие на кардиомиоцитите. Основните видове йонни канали сърцето

26 октомври 2017 г. Без коментари

Според традиционната концепция причината за възникването на клетъчни потенциали както в покой, така и по време на тяхното активиране е преди всичко неравномерното разпределение на калиеви и натриеви йони между съдържанието на клетките и извънклетъчната среда. Припомнете си, че концентрацията на калиеви йони вътре в клетките е 20-40 пъти по-висока от съдържанието им в течността около клетката (обърнете внимание, че излишъкът от положителни заряди на калиеви йони вътре в клетките се компенсира главно от аниони на органични киселини), а концентрацията на натрий в междуклетъчната течност е 10-20 пъти по-висока от тази в клетките.

Такова неравномерно разпределение на йони се осигурява от дейността на "натриево-калиевата помпа", т.е. N a + / K + -АТФаза. Появата на потенциала на покой се дължи главно на наличието на концентрационен градиент на калиеви йони. Тази гледна точка се основава на факта, че калиеви йони вътре в клетката са предимно в свободно състояние, т.е. не са свързани с други йони, молекули, следователно могат свободно да дифундират.

Според добре познатата теория на Ходжкин и др., клетъчната мембрана в покой е пропусклива главно само за калиеви йони. Калиевите йони дифундират градиент на концентрацияпрез клетъчната мембрана в заобикаляща среда, докато анионите не могат да проникнат през мембраната и остават от вътрешната й страна.

Поради факта, че калиевите йони имат положителен заряд, а анионите, останали на вътрешната повърхност на мембраната, са отрицателни, външната повърхност на мембраната е заредена положително, а вътрешната е отрицателно заредена. Ясно е, че дифузията продължава само докато се установи равновесие между силите на възникващото електрическо поле и силите на дифузия.

Мембраната в покой е пропусклива не само за калиеви йони, но и в малка степен за натриеви и хлорни йони. Резултатът е мембранният потенциал на клетките електродвижещи силигенерирани от тези три дифузионни канала. Проникването на натрий от околната течност в клетката по градиента на концентрацията води до известно намаляване на мембранен потенциал, а след това - до тяхната деполяризация, т.е. намаляване на поляризацията (вътрешната повърхност на мембраните става отново положителна, а външната е отрицателно заредена). Деполяризацията е в основата на образуването на акционния потенциал на мембраните.

Всички клетки на възбудимите тъкани под действието на различни стимули с достатъчна сила са способни да преминат в състояние на възбуждане. Възбудимостта е способността на клетките да реагират бързо на дразнене, проявяваща се чрез комбинация от физични, физикохимични процеси и функционални промени.

Задължителен признак на възбуда е промяната в електрическото състояние. клетъчната мембрана... Като цяло, пропускливостта на мембраната се увеличава (това е един от често срещаните клетъчни отговори на различни увреждащи влияния) за всички йони. В резултат на това йонните градиенти изчезват и потенциалната разлика през мембраната намалява до нула. Това явление на "повдигане" (отмяна) на поляризация се нарича деполяризация.

В този случай вътрешната повърхност на мембраните става отново положителна, а външната - отрицателно заредена. Това преразпределение на йони е временно; след края на възбуждането първоначалният потенциал на покой се възстановява отново. Деполяризацията е в основата на образуването на акционния потенциал на мембраните.

Когато мембранната деполяризация достигне определено прагово ниво или го надхвърли, клетката се възбужда, тоест се появява потенциал за действие, който представлява вълна на възбуждане, движеща се по протежение на мембраната под формата на краткотрайна промяна в мембранния потенциал в малък област на възбудимата клетка. Потенциалът на действие има стандартни амплитуда и времеви параметри, които не зависят от силата на стимула, който го е причинил (правилото „всичко или нищо“). Потенциите на действие осигуряват провеждането на възбуждане по нервните влакна и инициират процесите на свиване на мускулните клетки.

Потенциите на действие възникват в резултат на излишната, в сравнение с почивката, дифузия на натриеви йони от околната течност в клетката. Периодът, през който пропускливостта на мембраната за натриеви йони се увеличава при възбуждане на клетката, е много краткотраен (0,5-1,0 ms); това е последвано от увеличаване на пропускливостта на мембраната за калиеви йони и, следователно, увеличаване на дифузията на тези йони от клетката навън.

Увеличаването на потока на калиеви йони, насочен навън от клетката, води до намаляване на мембранния потенциал, което от своя страна води до намаляване на пропускливостта на мембраната за натриеви йони. По този начин, вторият етап на възбуждане се характеризира с факта, че потокът на калиеви йони от клетката навън се увеличава, а обратният поток на натриеви йони намалява. Това продължава до УНГ, до възстановяване на потенциала за почивка. След това пропускливостта за калиеви йони също намалява до първоначалната си стойност.

Външната повърхност на мембраната, поради освободените в средата положително заредени калиеви йони, отново придобива положителен потенциал спрямо вътрешния. Този процес на връщане на мембранния потенциал до първоначалното му ниво, т.е. Нивото на потенциала в покой се нарича реполяризация.

Процесът на реполяризация винаги е по-дълъг от процеса на деполяризация и на кривата на потенциала на действие (виж по-долу) е представен под формата на по-плосък низходящ клон. По този начин реполяризацията на мембраната настъпва не в резултат на обратното движение на натриевите йони, а в резултат на освобождаването на еквивалентно количество калиеви йони от клетката.

В някои случаи пропускливостта на мембраната за натриеви и калиеви йони остава повишена след края на възбуждането. Това води до факта, че върху кривата на потенциала на действие се записват така наречените следови потенциали, които се характеризират с малка амплитуда и относително голяма продължителност.

Под действието на подпраговите стимули пропускливостта на мембраната за натрий се увеличава незначително и деполяризацията не достига критична стойност. Деполяризацията на мембраната е по-малка критично нивонаречен локален потенциал, който може да бъде представен под формата на "електротоничен потенциал" или "локален отговор".

Местните потенциали не са способни да се разпространяват на значителни разстояния, а отслабват близо до мястото на тяхното възникване. Тези потенциали не се подчиняват на правилото „всичко или нищо” – тяхната амплитуда и продължителност са пропорционални на интензивността и продължителността на дразнещия стимул.

При многократно действие на подпраговите стимули локалните потенциали могат да се сумират, да достигнат критична стойност и да предизвикат появата на размножаващи се потенциали на действие. По този начин локалните потенциали могат да предхождат появата на потенциали за действие. Това особено ясно се наблюдава в клетките на сърдечната проводна система, където бавната диастолна деполяризация, която се развива спонтанно, предизвиква появата на потенциали на действие.

Трябва да се отбележи, че трансмембранното движение на натриеви и калиеви йони не е единственият механизъм за генериране на потенциал за действие. Неговото образуване включва и трансмембранни дифузионни потоци на хлорни и калциеви йони.

Очертано по-горе Главна информацияМембранните потенциали се приписват еднакво както на атипичните кардиомиоцити, които образуват проводящата система на сърцето, така и на контрактилните кардиомиоцити, които са преки изпълнители на помпената функция на сърцето. Промените в заряда на мембраната са в основата на генерирането на електрически импулси - сигнали, необходими за координиране на функционирането на контрактилните кардиомиоцити на предсърдията и вентрикулите през целия сърдечен цикъл и помпената функция на сърцето като цяло.

Специализираните клетки - "пейсмейкъри" на синусовия възел имат способността спонтанно (без външно влияние) да генерират импулси, тоест потенциали за действие. Това свойство, наречено автоматизм, се основава на процеса на бавна диастолна деполяризация, който се състои в постепенно намаляване на мембранния потенциал до прагово (критично) ниво, от което започва бързата деполяризация на мембраната, т.е. фаза 0 на потенциала на действие.

Спонтанната диастолна деполяризация се осигурява от йонни механизми, сред които традиционно неспецифичният поток на Na + йони в клетката заема специално място. Въпреки това, според съвременните изследвания, този ток представлява само около 20% от активността на трансмембранното движение на йони.

Понастоящем голямо значениеима т.нар. забавен (забавен) ток на К + йони, напускащи клетките. Установено е, че потискането (забавянето) на този ток осигурява до 80% от автоматизма на пейсмейкърите на синусовия възел, а увеличаването на тока K+ забавя или напълно спира дейността на пейсмейкъра. Значителен принос за постигането на праговия потенциал има токът на йони Са ++ в клетката, чието активиране се оказа необходимо за достигане на праговия потенциал. В тази връзка е уместно да се обърне внимание на факта, че клиницистите са наясно колко чувствителен е синусовият ритъм към блокерите на Са ++ каналите (L-тип) на клетъчната мембрана, например към верапамил или бета -блокери, например, на пропранолол, способни да повлияят на тези канали чрез катехоламини.

В аспекта на електрофизиологичния анализ на помпената функция на сърцето, интервалът между систолите е равен на продължителността на времето, през което мембранният потенциал на покой в ​​клетките на синусовия възел се измества до нивото на праговия потенциал на възбуждане.

Три механизма влияят на продължителността на този интервал и следователно на сърдечната честота. Първият от най-важните от тях е скоростта (стръмността на нарастване) на диастолната деполяризация. С нарастването му праговият потенциал на възбуждане се достига по-бързо, което определя увеличаването на честотата на синусовия ритъм. Обратната промяна, тоест забавянето на спонтанната диастолна деполяризация, води до намаляване на синусовия ритъм.

Вторият механизъм, който влияе върху нивото на автоматизма на синусовия възел, е промяна в потенциала на мембраната в покой на неговите клетки (максимален диастоличен потенциал). С увеличаване на този потенциал (в абсолютни стойности), т.е. при хиперполяризация на клетъчната мембрана (например под въздействието на ацетилхолин), е необходимо повече време, за да се достигне прага на потенциала на възбуждане, ако, разбира се, скоростта на диастолната деполяризация остава непроменена. Последствието от тази промяна ще бъде намаляване на броя на сърдечните удари за единица време.

Третият механизъм е промени в праговия потенциал на възбуждане, чието изместване към нула удължава пътя на диастолната деполяризация и допринася за намаляване на синусовия ритъм. Приближаването на праговия потенциал към потенциала на покой е придружено от увеличаване на синусовия ритъм. Възможни са и различни комбинации от трите основни електрофизиологични механизма, които регулират автоматизма на синусовия възел.

Фази и основни йонни механизми на образуване на трансмембранния потенциал на действие

Разграничават се следните фази на TMPD:

Фаза 0 - фаза на деполяризация; характеризиращ се с бързо (в рамките на 0,01 s) презареждане на клетъчната мембрана: вътрешната й повърхност става положителна, а външната – отрицателно заредена.

Фаза 1 - фаза на начална бърза реполяризация; проявява се с леко първоначално намаляване на TMPD от +20 до 0 mV или малко по-ниско.

Фаза 2 - фаза на плато; относително дълъг период (около 0,2 s), през който стойността на TMPD се поддържа на същото ниво

Фаза 3 - фаза на крайна бърза реполяризация; през този период се възстановява първоначалната поляризация на мембраната: външната й повърхност става положително заредена, а вътрешната й - отрицателно (-90 mV).

Фаза 4 - фаза на диастола; стойността на TMPD на контрактилната клетка остава приблизително на нивото от -90 mV, настъпва възстановяване (не без участието на Na + / K + -Hacoca) на първоначалните трансмембранни градиенти на K +, Na +, Ca2 + и CG йони .

Различните фази на TMPD се характеризират с неравномерна възбудимост на мускулното влакно.

В началото на TMPD (фаза 0,1,2) клетките не са напълно възбудими (абсолютен рефрактерен период). При бърза терминална реполяризация (фаза 3) възбудимостта се възстановява частично (относителен рефрактерен период). По време на диастола (фаза 4) рефрактерността отсъства и миокардното влакно напълно възстановява своята възбудимост. Промените във възбудимостта на кардиомиоцита по време на образуването на трансмембранния акционен потенциал се отразяват в ЕКГ комплекса.

При естествени условия миокардните клетки са постоянно в състояние на ритмична активност. По време на диастола потенциалът на мембраната в покой на миокардните клетки е стабилен - минус 90 mV, стойността му е по-висока, отколкото в клетките на пейсмейкъра. В клетките на работещия миокард (предсърдия, вентрикули) мембранният потенциал в интервалите между следващите PD се поддържа на повече или по-малко постоянно ниво.

Потенциалът на действие в клетките на миокарда възниква под въздействието на възбуждане на клетките на пейсмейкъра, което достига до кардиомиоцитите, причинявайки деполяризация на техните мембрани (Фигура 3).

Потенциалът за действие на клетките на работещия миокард се състои от фаза на бърза деполяризация (фаза 0), начална бърза реполяризация (фаза 1), преминаваща във фаза на бавна реполяризация (фаза на плато или фаза 2) и фаза на бърза крайна реполяризация (фаза 3) и фаза на покой - (фаза 4).

Фазата на бърза деполяризация се създава чрез активиране на бързи волтаж-зависими натриеви канали, които осигуряват рязко увеличаване на пропускливостта на мембраната за натриеви йони, което води до появата на бърз входящ натриев ток. Мембранният потенциал намалява от минус 90 mV до плюс 30 mV, т.е. по време на пика се променя знакът на мембранния потенциал. Амплитудата на потенциала на действие на клетките на работещия миокард е 120 mV.

Когато се достигне мембранния потенциал от плюс 30 mV, бързите натриеви канали се инактивират. Деполяризацията на мембраната предизвиква активиране на бавни натриево-калциеви канали. Потокът на Ca 2+ йони в клетката през тези канали води до развитие на PD плато (фаза 2). По време на периода на плато клетката преминава в състояние на абсолютна рефрактерност.

След това се активират калиеви канали. Потокът от К+ йони, напускащи клетката, осигурява бърза реполяризация на мембраната (фаза 3), по време на която бавните натриево-калциеви канали се затварят, което ускорява процеса на реполяризация.

Реполяризацията на мембраната причинява постепенно затваряне на калиеви канали и реактивиране на натриевите канали. В резултат на това се възстановява възбудимостта на миокардната клетка - това е периодът на така наречената относителна рефрактерност.

Окончателната реполяризация в клетките на миокарда се дължи на постепенно намаляване на пропускливостта на мембраната за калций и повишаване на пропускливостта на калий. В резултат на това входящият калциев ток намалява и изходящият калиев ток се увеличава, което осигурява бързо възстановяване на потенциала на покой на мембраната (фаза 4).

Способността на миокардните клетки през живота на човек да бъдат в състояние на непрекъсната ритмична активност се осигурява от ефективната работа на йонните помпи на тези клетки. По време на диастолата Na + йони се отстраняват от клетката, а K + йони се връщат в клетката. Са 2+ йони, които са проникнали в цитоплазмата, се абсорбират от ендоплазмения ретикулум.

Влошаването на кръвоснабдяването на миокарда (исхемия) води до изчерпване на запасите от АТФ и креатин фосфат в миокардните клетки, в резултат на което работата на помпите се нарушава, в резултат на което електрическата и механичната активност на миокардните клетки намалява.

Потенциалът на действие и свиването на миокарда съвпадат във времето. Навлизането на калций от външната среда в клетката създава условия за регулиране на силата на свиване на миокарда.

Отстраняването на калция от междуклетъчното пространство води до дисоциация на процесите на възбуждане и свиване на миокарда. В този случай потенциалите на действие се записват почти непроменени, но миокардната контракция не настъпва. Веществата, които блокират навлизането на калций по време на генериране на акционен потенциал, имат подобен ефект. Вещества, които инхибират калциевия ток, намаляват продължителността на фазата на платото и потенциала на действие и намаляват способността на миокарда да се свива.

С увеличаване на съдържанието на калций в междуклетъчната среда и с въвеждането на вещества, които увеличават навлизането на калциеви йони в клетката, силата на сърдечните контракции се увеличава.

Връзките между фазите на миокардния AP и величината на неговата възбудимост са показани на Фигура 5.

Поради деполяризация, мембраната на кардиомиоцитите става абсолютно рефрактерна. Периодът на абсолютна рефрактерност продължава 0,27 s. През този период клетъчната мембрана става имунизирана срещу действието на други стимули. Наличието на продължителна рефрактерна фаза предотвратява развитието на непрекъснато скъсяване (тетанус) на сърдечния мускул, което би довело до невъзможност за помпената функция на сърцето.

Рефрактерната фаза е малко по-къса от продължителността на AP на вентрикуларния миокард, която продължава около 0,3 s.

Продължителността на предсърдната АР е 0,1 s, същата е и на предсърдната систола.

Периодът на абсолютна рефрактерност се заменя с период на относителна рефрактерност, през който сърдечният мускул може да реагира чрез свиване само на много силни стимули. Продължава 0,03 сек.

След период на относителна рефрактерност настъпва кратък период на свръхестествена възбудимост, когато сърдечният мускул може да реагира чрез свиване на подпраговите стимули.

Определя се основно от трансмембранния концентрационен градиент на К + йони и в повечето кардиомиоцити (с изключение на синусовия и AV възел) варира от минус 80 до минус 90 mV. При възбуждане катиони навлизат в кардиомиоцитите и настъпва тяхната временна деполяризация – потенциалът на действие.

Йонните механизми на потенциала на действие в работещите кардиомиоцити и в клетките на синусовия и AV възел са различни, поради което е различна и формата на потенциала на действие (фиг. 230.1).

При потенциала на действие на кардиомиоцитите от системата His-Purkinje и работния миокард на вентрикулите се разграничават пет фази (фиг. 230.2). Фазата на бърза деполяризация (фаза 0) се причинява от навлизането на Na + йони през така наречените бързи натриеви канали. След това, след краткосрочна фаза на ранна бърза реполяризация (фаза 1), започва фаза на бавна деполяризация или плато (фаза 2). Дължи се на едновременното навлизане на йони Са2+ през бавни калциеви канали и излизане на йони К+. Фазата на късна бърза реполяризация (фаза 3) се дължи на преобладаващото освобождаване на К + йони. И накрая, фаза 4 е потенциалът за почивка.

Брадиаритмиите могат да бъдат причинени или от намаляване на честотата на поява на потенциали за действие, или от нарушение на тяхната проводимост.

Способността на някои сърдечни клетки да генерират спонтанно потенциали за действие се нарича автоматизъм. Тази способност притежават клетките на синусовия възел, предсърдната проводяща система, AV възела и системата His-Purkinje. Автоматизмът се дължи на факта, че след края на потенциала на действие (тоест във фаза 4), вместо потенциала на покой, се наблюдава т. нар. спонтанна (бавна) диастолна деполяризация. Причината му е навлизането на Na+ и Ca2+ йони. Когато в резултат на спонтанна диастолна деполяризация мембранният потенциал достигне праг, възниква потенциал на действие.

Проводимостта, тоест скоростта и надеждността на възбуждането, зависи по-специално от характеристиките на самия потенциал на действие: колкото по-ниски е неговият наклон и амплитуда (във фаза 0), толкова по-ниска е скоростта и надеждността на проводимостта.

При много заболявания и под въздействието на редица лекарства скоростта на деполяризация във фаза 0 намалява. Освен това проводимостта зависи и от пасивните свойства на кардиомиоцитните мембрани (вътреклетъчно и междуклетъчно съпротивление). Така че скоростта на провеждане на възбуждане в надлъжна посока (тоест по влакната на миокарда) е по-висока, отколкото в напречната (анизотропна проводимост).

По време на потенциала на действие възбудимостта на кардиомиоцитите е рязко намалена - до пълна невъзбудимост. Това свойство се нарича рефрактерност. През периода на абсолютна рефрактерност нито един стимул не е в състояние да възбуди клетката. През периода на относителна рефрактерност възниква възбуда, но само в отговор на надпраговите стимули; скоростта на възбуждане се намалява. Периодът на относителна рефрактерност продължава до пълното възстановяване на възбудимостта. Различава се и ефективен рефрактерен период, в който може да възникне възбуда, но не се извършва извън клетката.

Подробности

Разпределете два вида потенциал за действие(PD): бърз(миоцити на предсърдията и вентрикулите (0,3-1 m / s), влакна на Purkinje (1-4)) и бавен(SA-пейсмейкър 1-ви ред (0,02), AV-пейсмейкър 2-ри ред (0,1)).

Основните видове йонни канали в сърцето са:

1) Бързи натриеви канали(блокиране с тетродотоксин) - клетки на предсърдния миокард, работещ вентрикуларен миокард, влакна на Purkinje, атриовентрикуларен възел (ниска плътност).

2) Калциеви канали L тип(антагонистите верапамил и дилтиазем намаляват платото, намаляват силата на сърдечната контракция) - клетки на предсърдния миокард, работещ камерен миокард, влакна на Purkinje, клетки на синатриалните и атриовентрикуларните възли на автоматизацията.

3) Калиеви канали
а) Ненормално изправяне(бърза реполяризация): клетки на предсърдния миокард, работещ вентрикуларен миокард, влакна на Purkinje
б) Забавено изправяне(плато) клетки на миокарда на предсърдията, работещ миокард на вентрикулите, влакна на Purkinje, клетки на синатриалните и атриовентрикуларни възли на автоматизация
v) образуване на I-ток, преходният изходящ ток на влакната на Purkinje.

4) "пейсмейкър" канали, образуващи I f - входящият ток, активиран от хиперполяризация, се намират в клетките на синусовите и атриовентрикуларните възли, както и в клетките на влакната на Purkinje.

5) Лиганд-зависими канали
а) чувствителни към ацетилхолин калиеви канали се намират в клетките на синатриалните и атриовентрикуларните възли на автоматизацията, клетките на предсърдния миокард
б) АТФ-чувствителните калиеви канали са характерни за клетките на работния миокард на предсърдията и вентрикулите
в) активирани с калций неспецифични канали се откриват в клетките на работния миокард на вентрикулите и влакната на Purkinje.

Фази на потенциала за действие.

Характеристика на потенциала на действие в сърдечния мускул е изразената фаза на плато, поради което потенциалът на действие има толкова голяма продължителност.

1): Фазата "плато" на потенциала за действие. (характеристика на процеса на възбуждане):

PD на миокарда в вентрикулите на сърцето продължава 300-350 msec (в скелетния мускул 3-5 msec) и има допълнителна фаза на "плато".

PD започва с бърза деполяризация на клетъчната мембрана(от - 90 mV до +30 mV), т.к бързите Na-канали се отварят и натрият навлиза в клетката. Поради инверсията на мембранния потенциал (+30 mV), бързите Na-канали се инактивират и натриевият ток се спира.

По това време бавните Са-канали се активират и калцият навлиза в клетката. Поради калциевия ток деполяризацията продължава 300 msec и (за разлика от скелетните мускули) се образува фаза на "плато". Тогава бавните Ca канали се дезактивират. Бързата реполяризация настъпва поради освобождаването на калиеви йони (K +) от клетката през множество калиеви канали.

2) Дълъг рефрактерен период (характеристика на процеса на възбуда):

Докато фазата на "плато" продължава, натриевите канали остават инактивирани. Инактивирането на бързите Na-канали прави клетката невъзбудима ( фаза на абсолютна рефрактерносткоято продължава около 300 msec).

3) Тетанусът в сърдечния мускул е невъзможен (характеристика на процеса на свиване):

Продължителността на абсолютния рефрактерен период в миокарда (300 msec) съвпада с продължителност на намаляването(камерна систола 300 msec), следователно, по време на систола, миокардът не е възбудим, не реагира на никакви допълнителни стимули; сумирането на мускулните контракции в сърцето под формата на тетанус е невъзможно! Миокардът е единственият мускул в тялото, който винаги се свива само в режим на единична контракция (след свиването винаги следва отпускане!).