Jonisk mekanism för PD-förekomst i atypiska kardiomyocyter. Aktionspotentialer för kardiomyocyter. Huvudtyper av jonkanaler i hjärtat

26 oktober 2017 Inga kommentarer

Enligt den traditionella uppfattningen är orsaken till cellpotentialer både i vila och under deras aktivering i första hand den ojämna fördelningen av kalium- och natriumjoner mellan innehållet i cellerna och den extracellulära miljön. Kom ihåg att koncentrationen av kaliumjoner inuti celler är 20-40 gånger högre än deras innehåll i vätskan som omger cellen (observera att överskottet av positiva laddningar av kaliumjoner inuti cellerna huvudsakligen kompenseras av anjoner av organiska syror), och koncentrationen av natrium i den intercellulära vätskan är 10-20 gånger högre än inuti celler.

En sådan ojämn fördelning av joner tillhandahålls av aktiviteten hos "natrium-kaliumpumpen", dvs. Na+/K+-ATPas. Uppkomsten av vilopotentialen beror huvudsakligen på närvaron av en koncentrationsgradient av kaliumjoner. Denna synpunkt underbyggs av det faktum att kaliumjoner inuti cellen till övervägande del är i fritt tillstånd, d.v.s. är inte bundna till andra joner, molekyler, därför kan de diffundera fritt.

Enligt den välkända teorin av Hodgkin et al. är cellmembranet i vila huvudsakligen genomsläppligt för kaliumjoner. Kaliumjoner diffunderar igenom koncentrationsgradöver cellmembranet till miljö, kan anjoner inte penetrera membranet och stanna kvar på dess inre sida.

På grund av det faktum att kaliumjoner har en positiv laddning, och de anjoner som finns kvar på membranets inre yta är negativa, är membranets yttre yta positivt laddad och den inre är negativt laddad. Det är tydligt att diffusionen bara fortsätter till det ögonblick då en jämvikt upprättas mellan krafterna från det framträdande elektriska fältet och diffusionskrafterna.

Membranet i vila är genomsläppligt inte bara för kaliumjoner, utan även i liten utsträckning för natrium- och klorjoner. Cellernas membranpotential är resultatet elektromotoriska krafter genereras av dessa tre diffusionskanaler. Inträngningen av natrium från den omgivande vätskan in i cellen längs koncentrationsgradienten leder till en viss minskning av membranpotential, och sedan till deras depolarisering, dvs. en minskning av polariseringen (membranens inre yta blir återigen positivt laddad, och den yttre ytan blir negativt laddad). Depolarisering ligger till grund för bildandet av membranens aktionspotential.

Alla celler i exciterbara vävnader, under verkan av olika stimuli med tillräcklig styrka, kan gå in i ett tillstånd av excitation. Excitabilitet är cellers förmåga att snabbt reagera på irritation, manifesterad genom en kombination av fysiska, fysikalisk-kemiska processer och funktionella förändringar.

Ett obligatoriskt tecken på excitation är en förändring i det elektriska tillståndet cellmembranet. I allmänhet ökar membranets permeabilitet (detta är en av de vanliga cellreaktionerna på olika skadliga effekter) för alla joner. Som ett resultat försvinner jongradienter och potentialskillnaden över membranet minskar till noll. Detta fenomen med "borttagning" (avbrytande) av polarisering kallas depolarisering.

I detta fall blir den inre ytan av membranen återigen positivt laddad, och den yttre - negativt laddad. Denna omfördelning av joner är tillfällig; efter avslutad excitation återställs den initiala vilpotentialen igen. Depolarisering ligger till grund för bildandet av membranens aktionspotential.

När membrandepolariseringen når eller överstiger en viss tröskelnivå exciteras cellen, det vill säga en aktionspotential uppstår, vilket är en excitationsvåg som rör sig längs membranet i form av en kortvarig förändring av membranpotentialen i ett litet område av den exciterbara cellen. Aktionspotentialen har standardamplitud och temporala parametrar som inte beror på styrkan av stimulansen som orsakade den (allt-eller-inget-regeln). Aktionspotentialer ger ledning av excitation längs nervfibrerna och initierar processerna för kontraktion av muskelceller.

Aktionspotentialer uppstår som ett resultat av överdriven diffusion av natriumjoner från den omgivande vätskan in i cellen jämfört med vila. Den period under vilken membranets permeabilitet för natriumjoner ökar vid excitation av cellen är mycket kort (0,5-1,0 ms); detta följs av en ökning av membranets permeabilitet för kaliumjoner och följaktligen en ökning av diffusionen av dessa joner från cellen till utsidan.

En ökning av kaliumjonflödet riktat utåt från cellen leder till en minskning av membranpotentialen, vilket i sin tur orsakar en minskning av membranets permeabilitet för natriumjoner. Således kännetecknas det andra excitationssteget av det faktum att flödet av kaliumjoner från cellen till utsidan ökar, och det ankommande flödet av natriumjoner minskar. Detta fortsätter tills vilopotentialen är återställd. Därefter minskar också permeabiliteten för kaliumjoner till det ursprungliga värdet.

Den yttre ytan av membranet, på grund av de positivt laddade kaliumjonerna som frigörs i mediet, får återigen en positiv potential i förhållande till den inre. Denna process att återföra membranpotentialen till den initiala nivån, dvs. vilopotentialnivå kallas repolarisering.

Repolariseringsprocessen är alltid längre än depolariseringsprocessen och presenteras på aktionspotentialkurvan (se nedan) som en mer försiktig nedåtgående gren. Således inträffar membranrepolarisering inte som ett resultat av den omvända rörelsen av natriumjoner, utan på grund av frisättningen av en ekvivalent mängd kaliumjoner från cellen.

I vissa fall förblir membranets permeabilitet för natrium- och kaliumjoner förhöjd efter avslutad excitation. Detta leder till att så kallade spårpotentialer registreras på aktionspotentialkurvan, vilka kännetecknas av en liten amplitud och en relativt lång varaktighet.

Under verkan av subtröskelstimuli ökar membranets permeabilitet för natrium obetydligt och depolariseringen når inte ett kritiskt värde. Mindre membrandepolarisering kritisk nivå kallas lokal potential, som kan representeras som "elektrotonisk potential", eller "lokal respons".

Lokala potentialer kan inte fortplanta sig över avsevärda avstånd, utan bleknar nära platsen för deras ursprung. Dessa potentialer följer inte regeln "allt eller inget" - deras amplitud och varaktighet är proportionella mot intensiteten och varaktigheten av den irriterande stimulansen.

Med upprepad verkan av subtröskelstimuli kan lokala potentialer summeras, nå ett kritiskt värde och orsaka uppkomsten av propagerande aktionspotentialer. Sålunda kan lokala potentialer föregå förekomsten av aktionspotentialer. Detta observeras särskilt tydligt i cellerna i hjärtats ledningssystem, där långsam diastolisk depolarisering, som utvecklas spontant, orsakar uppkomsten av aktionspotentialer.

Det bör noteras att transmembranrörelsen av natrium- och kaliumjoner inte är den enda mekanismen för att generera en aktionspotential. Transmembrana diffusionsströmmar av klorid- och kalciumjoner deltar också i dess bildning.

Ovanstående allmän information om membranpotentialer är lika hänvisade till både atypiska kardiomyocyter som bildar hjärtats ledningssystem och kontraktila kardiomyocyter - direkt utförare av hjärtats pumpfunktion. Förändringar i laddningen av membranen ligger till grund för genereringen av elektriska impulser - de signaler som är nödvändiga för att koordinera funktionen hos de kontraktila kardiomyocyterna i förmaken och ventriklarna under hela hjärtcykeln och hjärtats pumpfunktion som helhet.

Specialiserade celler - "pacemakers" av sinusknutan har förmågan att spontant (utan påverkan utifrån) generera impulser, det vill säga aktionspotentialer. Denna egenskap, som kallas automatism, är baserad på processen med långsam diastolisk depolarisering, som består i en gradvis minskning av membranpotentialen till en tröskel (kritisk) nivå, från vilken snabb membrandepolarisering börjar, det vill säga fas 0 av aktionspotentialen.

Spontan diastolisk depolarisering tillhandahålls av joniska mekanismer, bland vilka den traditionellt ospecifika strömmen av Na+-joner in i cellen intar en speciell position. Men enligt moderna studier står denna ström endast för cirka 20% av aktiviteten av transmembranrörelsen av joner.

För närvarande stor betydelse har en sk. fördröjd (fördröjd) ström av K+-joner som lämnar cellerna. Det har fastställts att inhibering (fördröjning) av denna ström ger upp till 80 % av automatismen hos sinusknutans pacemakers, och ökningen av K+-strömmen saktar ner eller helt stoppar pacemakerns aktivitet. Ett betydande bidrag till uppnåendet av tröskelpotentialen görs av strömmen av Ca++-joner i cellen, vars aktivering visade sig vara nödvändig för att uppnå tröskelpotentialen. I detta avseende är det lämpligt att uppmärksamma det faktum att läkare är väl medvetna om hur känslig sinusrytm är för blockerare av Ca++-kanalerna (L-typ) i cellmembranet, till exempel för verapamil, eller till betablockerare, till exempel till propranolol, som kan påverka dessa kanaler genom katekolaminer.

I aspekten av elektrofysiologisk analys av hjärtats pumpfunktion är intervallet mellan systolerna lika med den tid under vilken vilomembranpotentialen i cellerna i sinusnoden skiftas till nivån för tröskelexcitationspotentialen.

Tre mekanismer påverkar varaktigheten av detta intervall och, följaktligen, hjärtfrekvensen. Den första och viktigaste av dessa är hastigheten (stigningslutningen) för diastolisk depolarisering. Med dess ökning nås tröskelexcitationspotentialen snabbare, vilket bestämmer ökningen av sinusrytmen. Den motsatta förändringen, det vill säga en avmattning av spontan diastolisk depolarisering, leder till en minskning av sinusrytmen.

Den andra mekanismen som påverkar nivån av automatism i sinusknutan är en förändring i vilomembranpotentialen hos dess celler (maximal diastolisk potential). Med en ökning av denna potential (i absoluta tal), dvs med hyperpolarisering av cellmembranet (till exempel under påverkan av acetylkolin), tar det längre tid att nå tröskelvärdet för excitationspotential, om naturligtvis hastigheten på diastolisk depolarisering förblir oförändrad. Konsekvensen av ett sådant skifte blir en minskning av antalet hjärtslag per tidsenhet.

Den tredje mekanismen är förändringar i tröskelpotentialen för excitation, vars förskjutning mot noll förlänger vägen för diastolisk depolarisering och bidrar till minskningen av sinusrytmen. Närmar sig tröskelpotentialen till vilopotentialen åtföljs av en ökning av sinusrytmen. Olika kombinationer av de tre huvudsakliga elektrofysiologiska mekanismerna som reglerar sinusknutans automatism är också möjliga.

Faser och huvudsakliga jonmekanismer för bildning av transmembranverkanspotential

Följande faser av TMPD särskiljs:

Fas O - depolarisationsfas; kännetecknas av snabb (inom 0,01 s) omladdning av cellmembranet: dess inre yta blir positivt laddad, och den yttre blir negativt laddad.

Fas 1 - fas av initial snabb repolarisering; manifesteras av en liten initial minskning av TMPD från +20 till 0 mV eller något lägre.

Fas 2 - platåfas; en relativt lång period (ca 0,2 s) under vilken TMPD-värdet hålls på samma nivå

Fas 3 - fasen av den slutliga snabba repolariseringen; under denna period återställs den initiala polariseringen av membranet: dess yttre yta blir positivt laddad och den inre blir negativt laddad (-90 mV).

Fas 4 - diastolfas; värdet av TMPD för den kontraktila cellen förblir ungefär på nivån -90 mV, det sker en återställning (inte utan deltagande av Na+/K+-Hacoca) av de initiala transmembrana gradienterna av K+, Na+, Ca2+ och SG-joner.

Olika faser av TMPD kännetecknas av ojämn excitabilitet hos muskelfibern.

I början av TMPD (fas 0,1,2) är cellerna helt icke-exciterbara (absolut refraktär period). Under snabb terminal repolarisering (fas 3) återställs excitabiliteten delvis (relativ refraktär period). Under diastole (fas 4) finns ingen refraktäritet och myokardfibern återställer helt sin excitabilitet. Förändringar i excitabiliteten hos kardiomyocyten under bildandet av den transmembrana aktionspotentialen återspeglas i EKG-komplexet.

Under naturliga förhållanden är myokardceller ständigt i ett tillstånd av rytmisk aktivitet. Under diastole är vilomembranpotentialen hos myokardceller stabil - minus 90 mV, dess värde är högre än i pacemakers celler. I cellerna i det arbetande myokardiet (förmak, ventriklar) hålls membranpotentialen, i intervallen mellan på varandra följande AP, på en mer eller mindre konstant nivå.

Aktionspotentialen i myokardceller uppstår under påverkan av excitation av pacemakerceller, som når kardiomyocyter, vilket orsakar depolarisering av deras membran (Figur 3).

Aktionspotentialen för cellerna i det arbetande myokardiet består av en fas med snabb depolarisering (0-fas), initial snabb repolarisering (1 fas), övergång till en fas av långsam repolarisering (platåfas eller fas 2) och en fas med snabb slutlig repolarisering (3-fas) och en vilofas - (4:e fas).

Den snabba depolariseringsfasen skapas genom aktivering av snabba, spänningsstyrda natriumkanaler, vilket ger en kraftig ökning av membranpermeabiliteten för natriumjoner, vilket leder till en snabb inkommande natriumström. Membranpotentialen minskar från minus 90 mV till plus 30 mV, d.v.s. under toppen ändras tecknet på membranpotentialen. Amplituden för aktionspotentialen för cellerna i det arbetande myokardiet är 120 mV.

När membranpotentialen på plus 30 mV nås, inaktiveras snabba natriumkanaler. Depolarisering av membranet orsakar aktivering av långsamma natrium-kalciumkanaler. Flödet av Ca2+-joner in i cellen genom dessa kanaler leder till utvecklingen av en AP-platå (fas 2). Under platåperioden går cellen in i ett tillstånd av absolut eldfasthet.

Då aktiveras kaliumkanalerna. Flödet av K+-joner som lämnar cellen säkerställer snabb repolarisering av membranet (fas 3), under vilken långsamma natrium-kalciumkanaler stänger, vilket påskyndar repolariseringsprocessen.

Membranrepolarisering orsakar gradvis stängning av kalium och reaktivering av natriumkanaler. Som ett resultat återställs myokardcellens excitabilitet - detta är perioden för den så kallade relativa refraktäriteten.

Den slutliga repolariseringen i myokardceller beror på en gradvis minskning av membranpermeabiliteten för kalcium och en ökning av permeabiliteten för kalium. Som ett resultat av detta minskar den inkommande kalciumströmmen och den utgående kaliumströmmen ökar, vilket säkerställer en snabb återhämtning av vilomembranpotentialen (fas 4).

Myokardcellernas förmåga att under en persons liv vara i ett tillstånd av kontinuerlig rytmisk aktivitet säkerställs av den effektiva driften av dessa cellers jonpumpar. Under diastolen avlägsnas Na+-joner från cellen och K+-joner återvänder till cellen. Ca 2+-joner som trängt in i cytoplasman absorberas av det endoplasmatiska retikulumet.

Försämring av myokardblodtillförseln (ischemi) leder till utarmning av ATP- och kreatinfosfatreserver i myokardceller, som ett resultat avbryts pumparnas drift, som ett resultat minskar den elektriska och mekaniska aktiviteten av myokardceller.

Aktionspotentialen och myokardkontraktionen sammanfaller i tiden. Inträdet av kalcium från den yttre miljön in i cellen skapar förutsättningar för att reglera kraften av myokardkontraktion.

Avlägsnandet av kalcium från det intercellulära utrymmet leder till frikoppling av processerna för excitation och sammandragning av myokardiet. Aktionspotentialer registreras nästan oförändrade, men myokardkontraktion inträffar inte. Ämnen som blockerar kalciuminträde under generering av aktionspotential har en liknande effekt. Ämnen som hämmar kalciumströmmen minskar platåfasens varaktighet och verkanspotential och minskar myokardiets förmåga att dra ihop sig.

Med en ökning av kalciumhalten i den intercellulära miljön och med införandet av ämnen som ökar inträdet av kalciumjoner i cellen, ökar styrkan av hjärtsammandragningar.

Förhållandet mellan faserna av myokardial AP och värdet av dess excitabilitet visas i figur 5.

På grund av depolarisering blir membranet av kardiomyocyter absolut eldfast. Hon har en period av absolut refraktär varaktighet på 0,27 s. Under denna period blir cellmembranet immun mot verkan av andra stimuli. Närvaron av en lång refraktär fas förhindrar utvecklingen av kontinuerlig förkortning (stelkramp) av hjärtmuskeln, vilket skulle leda till omöjligheten av hjärtats pumpfunktion.

Refraktärfasen är något kortare än varaktigheten av ventrikulär myokardial AP, som varar cirka 0,3 s.

Varaktigheten av atriell AP är 0,1 s, detsamma är varaktigheten av atriell systole.

Perioden av absolut refraktäritet ersätts av en period av relativ refraktäritet, under vilken hjärtmuskeln kan svara med en sammandragning endast på mycket starka irritationer. Det varar 0,03 s.

Efter en period av relativ eldfasthet inträder en kort period av övernaturlig excitabilitet, då hjärtmuskeln kan svara genom sammandragning på stimuli under tröskelvärdet.

Den bestäms huvudsakligen av tranför K+-joner och i de flesta kardiomyocyter (förutom sinusknutan och AV-noden) sträcker den sig från minus 80 till minus 90 mV. När de är exciterade kommer katjoner in i kardiomyocyterna, och deras tillfälliga depolarisering inträffar - aktionspotentialen.

De joniska mekanismerna för aktionspotentialen i arbetande kardiomyocyter och i cellerna i sinusknutan och AV-noden är olika, därför skiljer sig formen på aktionspotentialen också (Fig. 230.1).

Aktionspotentialen för kardiomyocyterna i His-Purkinje-systemet och det arbetande myokardiet i ventriklarna har fem faser (Fig. 230.2). Fasen av snabb depolarisering (fas 0) beror på inträdet av Na+-joner genom de så kallade snabba natriumkanalerna. Sedan, efter en kort fas av tidig snabb repolarisering (fas 1), inträffar en fas av långsam depolarisering, eller en platå (fas 2). Det beror på den samtidiga ingången av Ca2+-joner genom långsamma kalciumkanaler och frisättningen av K+-joner. Fasen för sen snabb repolarisering (fas 3) beror på den dominerande frisättningen av K+-joner. Slutligen är fas 4 vilopotentialen.

Bradyarytmier kan orsakas antingen av en minskning av frekvensen av aktionspotentialer eller av en kränkning av deras ledning.

Förmågan hos vissa hjärtceller att spontant generera aktionspotentialer kallas automatism. Denna förmåga innehas av cellerna i sinusknutan, förmaksledningssystemet, AV-noden och His-Purkinje-systemet. Automatism beror på det faktum att efter slutet av aktionspotentialen (det vill säga i fas 4), istället för vilopotentialen, observeras den så kallade spontana (långsamma) diastoliska depolariseringen. Dess orsak är inträdet av Na+- och Ca2+-joner. När, som ett resultat av spontan diastolisk depolarisering, membranpotentialen når tröskeln uppstår en aktionspotential.

Konduktivitet, det vill säga hastigheten och tillförlitligheten av att leda excitation, beror särskilt på egenskaperna hos själva aktionspotentialen: ju lägre dess branthet och amplitud (i fas 0), desto lägre hastighet och tillförlitlighet för ledning.

Vid många sjukdomar och under påverkan av ett antal läkemedel minskar depolariseringshastigheten i fas 0. Dessutom beror konduktiviteten också på de passiva egenskaperna hos kardiomyocytmembran (intracellulärt och intercellulärt motstånd). Således är hastigheten för excitationsledning i den längsgående riktningen (det vill säga längs myokardfibrerna) högre än i den tvärgående riktningen (anisotropisk ledning).

Under aktionspotentialen reduceras excitabiliteten hos kardiomyocyter kraftigt - upp till fullständig icke-excitabilitet. Denna egenskap kallas eldfasthet. Under perioden med absolut refraktäritet kan ingen stimulans excitera cellen. Under perioden med relativ refraktäritet inträffar excitation, men endast som svar på suprathreshold-stimuli; excitationshastigheten reduceras. Perioden av relativ eldfasthet fortsätter tills den fullständiga återställandet av excitabiliteten. Det finns också en effektiv refraktär period, under vilken excitation kan inträffa, men som inte utförs utanför cellen.

Detaljer

Fördela två typer av aktionspotential(PD): snabb(förmaks- och ventrikulära myocyter (0,3-1 m/s), Purkinjefibrer (1-4)) och långsam(SA-pacemaker av 1:a ordningen (0,02), AV-pacemaker av 2:a ordningen (0,1)).

Huvudtyper av jonkanaler i hjärtat:

1) Snabba natriumkanaler(vi blockerar med tetrodotoxin) - celler i förmaksmyokardiet, arbetande ventrikulärt myokardium, Purkinjefibrer, atrioventrikulär nod (låg densitet).

2) L-typ kalciumkanaler(antagonister verapamil och diltiazem minskar platån, minskar kraften av hjärtkontraktion) - celler i förmaksmyokardiet, det arbetande myokardiet i ventriklarna, Purkinjefibrer, celler i sinatriella och atrioventrikulära noder av automatisering.

3) Kaliumkanaler
men) onormal uträtning(snabb repolarisering): förmaksmyokardceller, fungerande ventrikulärt myokardium, Purkinjefibrer
b) Försenad uträtning(platå) celler i förmaksmyokardiet, arbetande kammarmyokardium, Purkinjefibrer, celler i sinatriella och atrioventrikulära noder av automatisering
i) genererar I-ström, transient utgående ström av Purkinje-fibrer.

4) "Pacemaker"-kanaler som bildar I f - den inkommande strömmen som aktiveras av hyperpolarisering finns i cellerna i sinus och atrioventrikulär nod, såväl som i cellerna i Purkinje-fibrerna.

5) Ligandberoende kanaler
a) acetylkolinkänsliga kaliumkanaler finns i cellerna i sinatriella och atrioventrikulära noder av automatisering, celler i förmaksmyokardiet
b) ATP-känsliga kaliumkanaler är karakteristiska för cellerna i det arbetande myokardiet i förmaken och ventriklarna
c) kalciumaktiverade ospecifika kanaler finns i cellerna i det arbetande myokardiet i ventriklarna och Purkinje-fibrerna.

Åtgärdspotentialfaser.

En egenskap hos aktionspotentialen i hjärtmuskeln är en uttalad platåfas, på grund av vilken aktionspotentialen har så lång varaktighet.

1): "platå"-fasen av aktionspotentialen. (funktion i excitationsprocessen):

Myokardial AP i hjärtats ventriklar varar 300-350 ms (i skelettmuskel 3-5 ms) och har en ytterligare "platå"-fas.

PD startar med snabb depolarisering av cellmembranet(från -90 mV till +30 mV), eftersom snabba Na-kanaler öppnas och natrium kommer in i cellen. På grund av inversionen av membranpotentialen (+30 mV) inaktiveras snabba Na-kanaler och natriumflödet stannar.

Vid denna tidpunkt aktiveras långsamma Ca-kanaler och kalcium kommer in i cellen. På grund av kalciumströmmen fortsätter depolariseringen i 300 ms och (till skillnad från skelettmuskel) bildas en "platå"-fas. Då inaktiveras de långsamma Ca-kanalerna. Snabb repolarisering sker på grund av frigörandet av kaliumjoner (K+) från cellen genom många kaliumkanaler.

2) Lång refraktär period (en funktion i excitationsprocessen):

Så länge platåfasen fortsätter förblir natriumkanaler inaktiverade. Inaktivering av snabba Na-kanaler gör cellen icke-exciterbar ( absolut eldfasthetsfas, som varar cirka 300 ms).

3) Stelkramp i hjärtmuskeln är omöjligt (drag av sammandragningsprocessen):

Varaktigheten av den absoluta refraktärperioden i myokardiet (300 ms) sammanfaller med minskningens varaktighet(ventrikulär systole 300 ms), därför, under systole, är myokardiet unexcitable, svarar inte på några ytterligare stimuli; summering av muskelsammandragningar i hjärtat i form av stelkramp är omöjligt! Hjärtmuskeln är den enda muskeln i kroppen som alltid drar ihop sig endast i enstaka kontraktionsläge (sammandragning följs alltid av avslappning!).