<<
>>

Потенциал покоя и потенциал действия в нормальных предсердных и желудочковых клетках и в волокнах Пуркинье

Нормальное регулярное сокращение сердца сопровождается циклическими изменениями мембранного потенциала миокардиальных клеток. Применение внутриклеточных микроэлектродов позволяет прямо определить изменения мембранного потенциала; как было показано, при распространении возбуждения по сердцу они варьируют по амплитуде и развитию во времени [3].
Микроэлектродная техника включает введение тонкого стеклянного капилляра в клетку, что позволяет в течение длительного времени непосредственно регистрировать мембранный потенциал, т. е. разность потенциалов между внутриклеточной средой и внеклеточной жидкостью. С помощью микроманипулятора микроэлектрод продвигается до тех пор, пока его кончик (обычно менее 1 мкм в диаметре) не пройдет через клеточную мембрану. В тот момент, когда кончик микроэлектрода проходит с внешней поверхности клетки внутрь, внезапно регистрируется отрицательная разность потенциалов с учетом отношения к нейтральному электроду, помещенному во внеклеточную жидкость (рис. 3.1). Микроэлектродные исследования обычно проводятся на изолированных пучках миокардиальных волокон, помещенных в камеру и перфузируемых теплым оксигенированным раствором. Потенциалы действия в таких препаратах могут быть вызваны посредством пропускания коротких импульсов тока через электроды, находящиеся на поверхности волокна (см. рис. 3.1). Однако в отсутствие вызванных потенциалов действия внутренняя часть большинства миокардиальных клеток (за исключением клеток синусового и атриовентрикулярного узлов, которые будут отдельно обсуждаться ниже) остается отрицательно заряженной (80— 90 мВ) по отношению к внеклеточному пространству [3]. Этот трансмембранный потенциал, наблюдаемый при отсутствии электрического возбуждения, называется потенциалом покоя.

Потенциал покоя и потенциал действия в сердечных клетках

Рис.

3.1. Потенциал покоя и потенциал действия в сердечных клетках. Вверху — схематическое изображение клетки (кружок) и двух микроэлектродов. Фрагмент А — оба микроэлектрода находятся во внеклеточном пространстве и разности потенциалов между ними нет; Б — кончик одного микроэлектрода введен в клетку, что позволяет регистрировать разность потенциалов между внутренним пространством клетки и внеклеточной средой; в данном случае это потенциал покоя, равный —90 мВ; В — фаза быстрой деполяризации потенциала действия, возникающая при возбуждении клетки', на пике потенциала действия клетка становится на + 30 мВ более положительной по отношению к внешней среде; Г — конечная фаза реполяризации, во время которой мембранный потенциал возвращается к уровню покоя (фрагмент Д) [20].

Как и во многих других возбудимых клетках [4], потенциал покоя сердечных клеток определяется главным образом градиентом концентрации ионов калия относительно клеточной мембраны, тогда как быстрое изменение потенциала во время начала возбуждения зависит от градиента концентрации ионов натрия [5, 6]. Градиенты концентрации имеют противоположную направленность. Внутриклеточная концентрация ионов калия, [К+] в примерно в 30 раз выше внеклеточной, [К+]о. Например, в волокнах Пуркинье [К+]i и [К+]о обычно составляют 140—150 мМ и 4—5 мМ соответственно [7]. Внутриклеточная концентрация ионов натрия, [Na+]i, напротив, значительно ниже внеклеточной, [Na+]о; в волокнах Пуркинье [Na+]i и [Na+]о равны 10 мМ и 150 мМ соответственно [8]. Во время существования каждого потенциала действия небольшое количество ионов натрия входит в клетку, а некоторое количество ионов калия выходит из нее. Как мы увидим далее, нормальная электрическая активность клеток зависит от существования столь высоких градиентов для Na+ и К+, а длительное поддержание таких градиентов — от механизма активного ионного транспорта, называемого натриевым насосом. Этот механизм хорошо изучен; известно, что насос является Мg2+-АТФазой (аденозинтрифосфатазой), находящейся в клеточной мембране, и что он использует энергию АТФ (аденозинтрифосфата) для перемещения ионов натрия за пределы клетки, а ионов калия — внутрь клетки.

Такое движение ионов, безусловно, сопряжено с дополнительным расходом энергии, поскольку оно естественно затруднено как для калия, так и для натрия (т. е. против соответствующих градиентов их электрохимического потенциала). Однако потоки ионов, перемещающиеся (под действием насоса) в двух направлениях, по-видимому, не равновелики: на каждый перемещенный внутрь клетки ион калия приходится более одного иона натрия, выведенного за ее пределы [9]. Таким образом, натриевый насос обеспечивает четкое движение положительного заряда наружу или, иначе говоря, определенную направленность генерируемого тока через клеточную мембрану. Возникающий ток обычно очень мал, но при определенных условиях он может внести существенный вклад в изменение мембранного потенциала, что описано ниже.

Потенциал покоя

Распределение ионов, способствующее потенциалу покоя

Рис. 3.2. Распределение ионов, способствующее потенциалу покоя.

Показаны типичные концентрации ионов внутри и вне клетки. В покое клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К+, но слабо проницаема для ионов Na+ и непроницаема для крупных анионов (А–). Проницаемость для Сl– также относительно низкая, и распределение ионов Сl– скорее всего определяется средней величиной мембранного потенциала.

Как уже упоминалось, величина потенциала покоя определяется главным образом градиентом концентрации ионов калия. Это связано с тем, что в покое клеточная мембрана относительно проницаема для ионов калия, но сравнительно непроницаема для других ионов, таких как натрий, кальций или хлор. Ввиду существования градиента концентрации ионы калия стремятся диффундировать из клетки через мембрану. Электронейтральность не может поддерживаться за счёт движения клеточных анионов наружу, так как эти анионы в основном являются большими поливалентными ионами (часто связанными с клеточными белками), для которых клеточная мембрана непроницаема [10].

Поэтому направленное кнаружи движение положительно заряженных ионов калия приводит к возникновению отрицательного заряда внутри клетки (рис. 3.2). Если бы клеточная мембрана была проницаемой только для ионов калия, то последние продолжали бы диффундировать из клетки до тех пор, пока внутри нее не накопился бы достаточный отрицательный заряд и электростатическое притяжение не стало бы препятствовать дальнейшему четкому движению калия кнаружи. В этом случае направленная внутрь сила электрического поля будет точно равной противоположно направленной (кнаружи) силе, связанной с градиентом концентрации, и ионы калия перестанут четко перемещаться кнаружи: алгебраическая сумма этих двух сил, называемая градиентом электрохимического потенциала, будет равной нулю. Внутриклеточный потенциал, при котором суммарный пассивный поток ионов калия равен нулю, называется потенциалом равновесия ионов калия (ЕK); его величина определяется из уравнения Нернста [3—5]:

где R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, F — константа Фарадея, [К+]о и [ К+]i — внеклеточная и внутриклеточная концентрации соответственно (точнее .говоря, вместо отношения концентраций используется отношение ионной активности, но эти два отношения практически одинаковы, если коэффициенты внутренней и внешней активности ионов калия близки по значению). Например, величина ЕK для волокна Пуркинье при 36 °С, когда [K+]о равна 4 мМ, а [К+]i — 150 мМ, составляет

ЕK= RT/F • ln(4/150) = —96,6 мВ.

Из уравнения Нернста видно, что ЕK изменится на 61,4 мВ при 10-кратном изменении либо [К+]о, либо [К+]i,. Если бы клеточная мембрана была проницаемой исключительно для К+, клетка вела бы себя точно так же, как калиевый электрод, и ее внутриклеточный потенциал менялся бы с изменением [К+]i и [К+]о в точном соответствии с уравнением Нернста. Действительно, мембранный потенциал волокон Пуркинье в покое, а также миокардиальных волокон предсердий и желудочков логически хорошо аппроксимируется уравнением Нернста, когда [К+]о выше 10 мМ.

Однако при более низких величинах [К+]о потенциал покоя этих клеток менее отрицательный, чем калиевый потенциал равновесия, и данное расхождение увеличивается по мере уменьшения [К+]о [5, 11]. Например, потенциал покоя волокон Пуркинье в растворе, содержащем 4 мМ К+, на несколько милливольт менее отрицательный, чем Ек, оцененный выше. Это объясняется тем, что клеточная мембрана не является проницаемой исключительно для K+, как предполагалось выше; через нее проникают также (хотя и значительно хуже) ионы Na+. Поскольку и электрический градиент, и градиент концентрации благоприятствуют движению Na4' внутрь, через клеточную мембрану протекает небольшой входящий деполяризующий поток ионов. Деполяризация, вызываемая этим потоком Na+, пренебрежимо мала при высокой [К+]о и, следовательно, высокой проводимости мембраны для калия, но она становится значительной при низкой [К+]о, так как в этих условиях протекающие через мембрану потоки К+ также существенно уменьшаются.

Деполяризующее влияние Na+ удобнее всего обозначать терминами уравнения «постоянного поля» Гольдмана [12] или Ходжкина и Катца [13] для потенциала покоя (Vr) клетки, проницаемой как для К+, так и для Na+

где PNA/PK — отношение коэффициентов проницаемости клеточной мембраны для натрия и для калия. Данное уравнение, как было показано, позволяет достаточно точно рассчитать потенциалы покоя в волокнах скелетных мышц и в волокнах Пуркинье (миокард) в более широком диапазоне величин [К+]о, чем при расчетах по формуле Нернста, если PNA/PK постоянно и составляет приблизительно 1/100. Так как [К+]i в норме значительно больше, чем [Na+]i, в данном отношении коэффициентов проницаемости второй член в знаменателе достаточно мал и им можно пренебречь, что позвояет переписать уравнение следующим образом:

или, если принять [Na+]о равным 150 мМ, то

Из этого уравнения сразу видно, что потенциал покоя (Vr) близок к калиевому потенциалу равновесия (ЕK) только при [К+]о значительно большем, чем 1,5 мМ; при низких значениях [К+]о второй член в числителе начинает играть важную роль.

Например, при [К+]0, равном 1,5 мМ, Vr будет менее отрицательным, чем ЕK, на 61,4•log (3/1,5) = 61,4•log 2, или приблизительно на 18 мВ. Заметьте, что до сих пор обсуждение велось только в терминах относительной проницаемости мембраны для ионов натрия и калия без рассмотрения абсолютных величин коэффициентов проницаемости. Как следует из уравнения Гольдмана, а также Ходжкина и Катца, потенциал покоя чувствителен к отношение проницаемости ионов, а не к самим величинам проницаемости. Например, даже если проницаемость для ионов Na+ была бы очень значительной, потенциал покоя определялся бы главным образом градиентом концентрации ионов К+ до тех пор, пока проницаемость мембраны для К+ оставалась бы гораздо выше, чем для Na+. Каналы мембраны, через которые движутся ионы К+, создавая калиевые потоки, определяющие мембранный потенциал покоя, известны как направленные кнутри К-каналы. Объем калиевых потоков, проходящих по этим каналам, находится в четкой зависимости от величины и направления электрохимической движущей силы для K+, равной (Vm—ЕK), т. е. разности мембранного потенциала (Vm) и калиевого потенциала равновесия (ЕK). Эти каналы называют «каналами, направленными внутрь», так как они позволяют прохождение направленных внутрь больших потоков К+ при высоких и отрицательных значениях Vm — ЕK, но обеспечивают лишь очень небольшие потоки K+, направленные кнаружи, когда движущая сила велика и положительна [10, 11, 36].

Изменения уровня потенциала покоя являются основной причиной аритмии и нарушений проведения, и мы уже могли видеть, как подобные изменения возникают при тех или иных патологических состояниях. Например, заболевание сердца может привести к изменениям внутриклеточной и (или) внеклеточной концентрации ионов К+, что в свою очередь вызовет изменение мембранного потенциала покоя. В других случаях характеристики клеточной мембраны могут изменяться таким образом, что относительная проницаемость мембраны для Na+ или других ионов (таких как Са2+, возрастет, в результате чего потенциал покоя также изменится. Ниже мы подробнее обсудим эти возможные варианты.

Фазы деполяризации потенциала действия

Электрический импульс, распространяющийся по сердцу и запускающий каждый цикл сокращений, называется потенциалом действия; он представляет собой волну кратковременной деполяризации, во время которой внутриклеточный потенциал поочередно в каждой клетке становится на короткое время положительным, а затем возвращается к своему исходному отрицательному уровню. Изменения нормального сердечного потенциала действия имеют характерное развитие во времени, которое для удобства подразделено на следующие фазы [3]: фаза 0 — начальная быстрая деполяризация мембраны; фаза 1 — быстрая, но неполная реполяризация; фаза 2 — «плато», или продолжительная деполяризация, характерная для потенциала действия сердечных клеток; фаза 3 — конечная быстрая реполяризация; фаза 4 — период диастолы.

При потенциале действия внутриклеточный потенциал становится положительным, так как возбужденная мембрана временно приобретает большую проницаемость для Na+ (по сравнению с К+), поэтому мембранный потенциал на какое-то время приближается по величине к потенциалу равновесия ионов натрия (ENa)- ЕNа можно определить, используя отношение Нернста; при внеклеточной и внутриклеточной концентрации Na+ 150 и 10 мМ соответственно он составит:

Однако повышенная проницаемость для Na+ сохраняется лишь непродолжительное время, так что мембранный потенциал не достигает ENa и после окончания потенциала действия возвращается к уровню покоя.

Указанные выше изменения проницаемости, вызывающие развитие фазы деполяризации потенциала действия, возникают вследствие открытия и закрытия особых мембранных каналов, или пор, через которые легко проходят ионы натрия. Как полагают, работа «ворот» регулирует открытие и закрытие отдельных каналов, которые могут существовать по меньшей мере в трех конформациях — «открытой», «закрытой» и «инактивированной». Одни ворота, соответствующие активационной переменной «m» в описании Ходжкина — Хаксли [13] ионных потоков натрия в мембране гигантского аксона кальмара, быстро перемещаются, открывая канал, когда мембрана внезапно деполяризуется под действием стимула. Другие ворота, соответствующие инактивационной переменной «h» в описании Ходжкина — Хаксли, при деполяризации движутся медленнее, и их функция заключается в закрытии канала (рис. 3.3). Как установившееся распределение ворот в пределах системы каналов, так и скорость их перехода из одного положения в другое зависят от уровня мембранного потенциала. Поэтому для описания мембранной проводимости Na+ используются термины «зависимый от времени» и «потенциалозависимый».

Если мембрану в покое внезапно деполяризовать до уровня положительного потенциала (например, в эксперименте по фиксации потенциала), то активационные ворота быстро изменят свое положение, чтобы открыть натриевые каналы, а затем инактивационные ворота медленно их закроют (рис. 3.3). Слово «медленно» означает здесь, что на инактивацию уходит несколько миллисекунд, тогда как активация происходит в доли миллисекунды. Ворота остаются в указанных положениях до тех пор, пока мембранный потенциал снова не изменится, и для того чтобы все ворота вернулись к исходному состоянию покоя, мембрана должна быть полностью реполяризована до уровня высокого отрицательного потенциала. Если мембрана реполяризуется лишь до невысокого уровня отрицательного потенциала, то некоторые инактивационные ворота останутся закрытыми и максимальное число доступных натриевых каналов, способных открыться при последующей деполяризации, сократится [14]. (Электрическая активность сердечных клеток, в которых натриевые каналы полностью инактивированы, будет обсуждаться ниже.) Полная реполяризация мембраны в конце нормального потенциала действия обеспечивает возврат всех ворот к исходному состоянию и, следовательно, их готовность к следующему потенциалу действия.

Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации

Рис. 3.3. Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации.

Слева показана последовательность состояний канала при нормальном потенциале покоя —90 мВ. В покое инактивационные ворота как Na+-канала (h), так и медленного Ca2+/Na+-канала (f) открыты. Во время активации при возбуждении клетки т-ворота Na+-канала открываются и входящий поток ионов Na+ деполяризует клетку, что приводит к нарастанию потенциала действия (график внизу). Затем h-ворота закрываются, инактивируя таким образом проводимость Na+. При нарастании потенциала действия мембранный потенциал превышает более положительный порог потенциала медленных каналов; их активационные ворота (d) при этом открываются и ионы Ca2+ и Na+ поступают в клетку, вызывая развитие фазы плато потенциала действия. Ворота f, инактивирующие Ca2+/Na+-каналы, закрываются гораздо медленнее, чем ворота h, которые инактивируют Na-каналы. На центральном фрагменте показано поведение канала при снижении потенциала покоя до менее чем —60 мВ. Большинство инактивационных ворот Na-канала остается закрытым до тех пор, пока мембрана деполяризована; возникающий при стимуляции клетки входящий поток Na+ слишком мал, чтобы вызвать развитие потенциала действия. Однако инактивационные ворота (f) медленных каналов при этом не закрываются и, как показано на фрагменте справа, при достаточном возбуждении клетки, позволяющем открыть медленные каналы и пропустить медленно входящие потоки ионов, возможно ответное медленное развитие потенциала действия.

. Пороговый потенциал при возбуждении сердечной клетки

Рис. 3.4. Пороговый потенциал при возбуждении сердечной клетки.

Слева — потенциал действия, возникающий на уровне потенциала покоя, составляющем —90 мВ; это происходит при возбуждении клетки поступающим импульсом или каким-либо подпороговым стимулом, быстро понижающим мембранный потенциал до значений, лежащих ниже порогового уровня в — 65 мВ. Справа — эффекты двух подпороговых и порогового стимулов. Подпороговые стимулы (а и б) не дают снижения мембранного потенциала до порогового уровня; следовательно, потенциал действия не возникает. Пороговый стимул (в) снижает мембранный потенциал точно до порогового уровня, на котором затем возникает потенциал действия [3].

Быстрая деполяризация в начале потенциала действия вызывается мощным входящим потоком ионов натрия, поступающих внутрь клетки (соответственно градиенту их электрохимического потенциала) через открытые натриевые каналы [6, 15]. Однако прежде всего натриевые каналы должны быть эффективно открыты, для чего требуется быстрая деполяризация достаточно большой площади мембраны до необходимого уровня, называемого пороговым потенциалом (рис. 3.4). В эксперименте этого можно достичь, пропуская через мембрану ток из внешнего источника и используя внеклеточный или внутриклеточный стимулирующий электрод. В естественных условиях той же цели служат локальные токи, протекающие через мембрану непосредственно перед распространяющимся потенциалом действия. При пороговом потенциале достаточное количество натриевых каналов оказывается открытым, что обеспечивает необходимую амплитуду входящего натриевого тока и, следовательно, дальнейшую деполяризацию мембраны; в свою очередь деполяризация вызывает открытие большего числа каналов, приводя к увеличению входящего потока ионов, так что процесс деполяризации становится регенеративным. Скорость регенеративной деполяризации (или нарастания потенциала действия) зависит от силы входящего натриевого тока, которая в свою очередь определяется такими факторами, как величина градиента электрохимического потенциала Na+ и количество доступных (или неинактивированных) натриевых каналов. В волокнах Пуркинье максимальная скорость деполяризации при развитии потенциала действия, обозначаемая как dV/dtmax или Vmax, достигает примерно 500 В/с, и если бы такая скорость поддерживалась в течение всей фазы деполяризации от —90 мВ до +30 мВ, то изменение потенциала на 120 мВ заняло бы около 0,25 мс. Максимальная скорость деполяризации волокон рабочего миокарда желудочков составляет примерно 200 В/с, а мышечных волокон предсердий—от 100 до 200 В/с [3]. (Фаза деполяризации потенциала действия в клетках синусового и атриовентрикулярного узлов существенно отличается от только что описанной и будет обсуждаться отдельно; см. ниже.)

Потенциалы действия с такой высокой скоростью нарастания (их часто называют «быстрыми ответами») быстро распространяются по сердцу. Скорость распространения потенциала действия (как и Vmax) в клетках с одинаковой пропускной способностью мембраны и характеристиками осевого сопротивления определяется главным образом амплитудой направленного внутрь тока, протекающего во время фазы нарастания потенциала действия. Это связано с тем, что локальные токи, проходящие через клетки непосредственно перед потенциалом действия, имеют большую величину при более быстром нарастании потенциала, поэтому мембранный потенциал в этих клетках раньше достигает порогового уровня, чем в случае токов меньшей величины (см. рис. 3.4). Конечно, эти локальные токи протекают через клеточную мембрану и сразу после прохождения распространяющегося потенциала действия, но они уже неспособны возбудить мембрану ввиду ее рефрактерности.

Нормальный потенциал действия и реакции, вызванные стимулами на разных стадиях реполяризации

Рис. 3.5. Нормальный потенциал действия и реакции, вызванные стимулами на разных стадиях реполяризации.

Амплитуда и возрастание скорости ответов, вызванных во время реполяризации, зависят от уровня мембранного потенциала, на котором они возникают. Самые ранние ответы (а и б) возникают на столь низком уровне, что оказываются слишком слабыми и неспособными к распространению (градуальные или местные ответы). Ответ «в» представляет собой наиболее ранний из распространяющихся потенциалов действия, но его распространение происходит медленно ввиду незначительного возрастания скорости, а также низкой амплитуды. Ответ «г» появляется точно перед полной реполяризацией, скорость его усиления и амплитуда выше, чем при ответе «в», так как он возникает при более высоком мембранном потенциале; однако скорость его распространения становится ниже нормальной. Ответ «д» отмечается после полной реполяризации, поэтому его амплитуда и скорость деполяризации имеют нормальные значения; следовательно, он быстро распространяется. ПП — потенциал покоя.

Продолжительный рефрактерный период после возбуждения сердечных клеток обусловлен большой длительностью потенциала действия и вольтажной зависимостью механизма ворот натриевых каналов. За фазой нарастания потенциала действия следует период продолжительностью от сотни до нескольких сотен миллисекунд, в течение которого регенеративный ответ на повторный стимул отсутствует (рис. 3.5). Это так называемый абсолютный, или эффективный, рефрактерный период; обычно он охватывает плато (фаза 2) потенциала действия. Как описано выше, натриевые каналы инактивируются и остаются закрытыми во время такой поддерживающейся деполяризации. В ходе реполяризации потенциала действия (фаза 3) инактивация постепенно устраняется, так что доля каналов, способных снова активироваться, постоянно возрастает. Следовательно, с помощью стимула в начале реполяризации можно вызвать лишь небольшой входящий поток ионов натрия, однако по мере продолжения реполяризации потенциала действия такие потоки будут увеличиваться. Если некоторые из натриевых каналов остаются невозбудимыми, то вызванный входящий поток Na+ может привести к регенеративной деполяризации и, следовательно, к возникновению потенциала действия. Однако скорость деполяризации, а значит, и скорость распространения потенциалов действия значительно снижены (см. рис. 3.5) и нормализуются только после полной реполяризации [17, 18]. Время, в течение которого повторный стимул способен вызвать такие «градуальные» потенциалы действия, называется относительным рефрактерным периодом. Вольтажная зависимость устранения инактивации изучалась Weidmann, установившим, что скорость повышения потенциала действия и возможный уровень, при котором этот потенциал вызывается, находятся в S-образной зависимости, известной также как кривая реактивности мембраны.

Низкая скорость нарастания потенциалов действия, вызванных в течение относительного рефрактерного периода, обусловливает их медленное распространение; такие потенциалы действия могут послужить причиной некоторых нарушений проведения, например задержки, затухания и блокирования, и даже способны вызвать циркуляцию возбуждения. Данные явления обсуждаются ниже в этой главе.

В нормальных сердечных клетках за входящим натриевым током, ответственным за быстрое нарастание потенциала действия, следует второй входящий ток, меньшей величины и более медленный, чем натриевый ток, который, по-видимому, переносится в основном ионами кальция [19, 20]. Этот ток обычно относят к «медленному входящему току» (хотя он является таковым только в сравнении с быстрым натриевым током; другие важные изменения, например наблюдаемые во время реполяризации, вероятно, замедляются); он протекает через каналы, которые в соответствии с характеристиками их проводимости, зависящей от времени и вольтажа, были названы «медленными каналами» (см. рис. 3.3) [21]. Порог активации этой проводимости (т. е. когда начинают открываться активационные ворота — d) лежит между —30 и —40 мВ (сравните: от —60 до —70 мВ для натриевой проводимости) [20]. Регенеративная деполяризация, обусловленная быстрым натриевым током, обычно активирует проводимость медленного входящего тока, поэтому в более поздний период нарастания потенциала действия ток течет по каналам обоих типов. Однако ток Са2+ гораздо меньше максимального быстрого тока Na+, поэтому его вклад в потенциал действия весьма невелик до тех пор, пока быстрый ток Na+ не станет достаточно инактивированным (т. е. после начального быстрого нарастания потенциала). Поскольку медленный входящий ток может инактивироваться лишь очень медленно, он вносит свой вклад в основном в фазу плато потенциала действия. Так, уровень плато смещается в сторону деполяризации, когда градиент электрохимического потенциала для Са2+ увеличивается при повышении концентрации [Са2+]0; снижение [Са2+]0 вызывает смещение уровня плато в противоположную сторону [22, 23]. Однако в некоторых случаях может отмечаться вклад кальциевого тока в фазу нарастания потенциала действия. Например, на кривой нарастания потенциала действия в миокардиальных волокнах желудочка лягушки иногда наблюдается изгиб около 0 мВ, в точке, где первоначальная быстрая деполяризация уступает место более медленной деполяризации, которая продолжается до пика овершута потенциала действия. Как было показано, скорость более медленной деполяризации и величина овершута возрастают с повышением [Са2+]0 [23, 24].

Кроме различной зависимости от мембранного потенциала и времени, эти два типа проводимости различаются и по своим фармакологическим характеристикам. Так, ток через быстрые каналы для Na+ снижается под действием тетродотоксина (ТТХ) [25], тогда как медленный ток Са2+ не поддается влиянию ТТХ [20], но усиливается под действием катехоламинов [26] и угнетается ионами марганца [27], а также некоторыми препаратами, такими как верапамил и D-600 [28]. Представляется весьма вероятным (по крайней мере в сердце лягушки), что большая часть кальция, необходимого для активации белков, способствующих каждому сокращению сердца, попадает в клетку во время потенциала действия через медленный канал для входящего тока. У млекопитающих доступным дополнительным источником Са2+ для сердечных клеток служат его запасы в саркоплазматическом ретикулуме.

Фазы реполяризации потенциала действия

Потенциалы действия, зарегистрированные в волокнах Пуркинье и в некоторых волокнах миокарда желудочков, имеют короткую, быструю фазу реполяризации (фаза 1), следующая непосредственно за фазой нарастания (см. рис. 3.1). Во время этой фазы мембранный потенциал временно возвращается почти к нулевому уровню, от которого начинается фаза плато потенциала действия, поэтому между этими двумя фазами на кривой иногда наблюдается четкий изгиб. Как было показано (в волокнах Пуркинье), быстрая реполяризация обусловлена транзиторным всплеском выходящего тока [30]. Во время нарастания потенциала действия этот выходящий ток активируется при деполяризации до уровня положительного потенциала, после чего он инактивируется как вследствие зависимого от времени процесса, так и в результате реполяризации. Хотя раньше считалось, что этот выходящий ток переносится преимущественно ионами хлора, в настоящее время более вероятным представляется его перенос главным образом ионами калия и лишь отчасти — ионами хлора [29].

Во время фазы плато потенциала действия, которая может длиться сотни миллисекунд, скорость реполяризации мембраны значительно ниже, так как суммарная величина выходящего мембранного тока невелика; входящие токи, сохраняющиеся в результате неполной инактивации натриевых и кальциевых каналов, приблизительно сбалансированы направленными наружу мембранными токами [30, 31]. По крайней мере один из них, вероятнее всего, является калиевым током, проходящим через ворота каналов, проводимость которых зависит от времени и потенциала. Активация их проводимости (только медленная) отмечается на уровне плато мембранного потенциала. Небольшой вклад в выходящий (реполяризующий) мембранный ток при этом уровне потенциала вносит и направленное внутрь движение ионов хлора, а также активность Na—К-насоса, генерирующего суммарный выходящий ток Na+ [39]. По мере того как суммарный трансмембранный ток на уровне потенциала плато (т. е. алгебраическая сумма всех компонентов входящего и выходящего токов) становится более выходящим, мембранный потенциал все быстрее смещается в отрицательном направлении и начинается конечная быстрая фаза реполяризации потенциала действия. Эта конечная реполяризация, как и начальная фаза быстрой деполяризации, является регенеративной, но в отличие от фазы нарастания она, вероятно, включает изменения проводимости, зависящие главным образом от потенциала, а не от времени, и, следовательно, отражает время, затрачиваемое выходящим ионным током на обеспечение необходимой проводимости мембраны [34].

Спонтанная диастолическая деполяризация и автоматизм

Мембранный потенциал нормальных клеток рабочего миокарда предсердий и желудочков остается постоянным на уровне потенциала покоя в течение всей диастолы (см. рис. 3.1): если эти клетки не возбуждаются распространяющимся импульсом, то потенциал покоя в них поддерживается сколь угодно долго. В сердечных волокнах другого типа, например в специализированных волокнах предсердий или в волокнах Пуркинье проводящей системы желудочков, мембранный потенциал во время диастолы непостоянен и постепенно изменяется в сторону деполяризации. Если такое волокно не будет возбуждено распространяющимся импульсом раньше, чем мембранный потенциал достигнет порогового уровня, то в нем может возникнуть спонтанный потенциал действия (рис. 3.6). Изменение мембранного потенциала во время диастолы называется спонтанной диастолической деполяризацией, или фазой 4 деполяризации. Обусловливая возникновение потенциалов действия, этот механизм служит основой автоматизма. Автоматизм является нормальным свойством клеток синусового узла, мышечных волокон митрального и трикуспидального клапанов, некоторых участков предсердий, дистальной части АВ-узла, а также тканей системы Гиса — Пуркинье. В здоровом сердце частота возникновения импульсов вследствие автоматизма клеток синусового узла достаточно высока, что позволяет распространяющимся импульсам возбуждать другие потенциально автоматические клетки, прежде чем они спонтанно деполяризуются до порогового уровня. При этом потенциальная автоматическая активность других клеток обычно подавляется, хотя при целом ряде физиологических и патологических состояний она может проявляться (обсуждается ниже).

Спонтанная диастолическая деполяризация и автоматизм волокон Пуркинье у собаки

Рис. 3.6. Спонтанная диастолическая деполяризация и автоматизм волокон Пуркинье у собаки.

А — спонтанное возбуждение волокна Пуркинье при максимальном диастолическом потенциале —85 мВ. Диастолическая деполяризация является следствием уменьшения во времени тока ins, или пейсмекерного тока (см. в тексте). Б — автоматическая активность, возникающая при снижении мембранного потенциала; регистрация в волокне Пуркинье, перфузируемом безнатриевым раствором, но аналогичная активность наблюдается и в нормальном, содержащем ионы ^Vв+ растворе Тироде. Фрагмент Б1: при деполяризации волокна (стрелка) от уровня потенциала покоя —60 до —45 мВ путем пропускания длительного импульса тока через микроэлектрод возникают три спонтанных потенциала действия. Фрагмент Б2: при большей амплитуде импульса мембранный потенциал снижается до —40 мВ, обусловливая поддерживающуюся ритмическую активность. Фрагмент Б3: усилившийся импульс тока снижает мембранный потенциал до —30 мВ, вследствие чего поддерживающаяся ритмическая активность возникает с большей частотой. Такая ритмическая активность, возникающая при менее негативных, чем —60 мВ, потенциалах, зависит, вероятно, от другого пейсмекерного тока, нежели активность, показания на фрагменте А.

Спонтанная диастолическая деполяризация является следствием постепенного изменения баланса между входящими и выходящими мембранными токами в пользу суммарного входящего (деполяризующего) тока. При исследовании пейсмекерного тока методом фиксации потенциала в волокнах Пуркинье [34—37] и клетках узла [38] была показана зависимость характеристик воротной системы как от потенциала, так и от времени. На основании данных первоначальных исследований уровня потенциала, при котором пейсмекерный ток реверсивно меняет свое направление, предполагалось, что выходящий пейсмекерный ток, переносимый ионами K+, постепенно отклоняется, позволяя тем самым направленному внутрь фоновому току деполяризовать клеточную мембрану [34—36]. Однако, согласно интерпретации результатов более поздних экспериментов, нормальным пейсмекерным током является входящий ток, переносимый преимущественно ионами Na+, который с течением времени возрастает, вызывая таким образом постепенную диастолическую деполяризацию [37, 38]. Когда деполяризация достигает уровня порогового потенциала, возникает импульс, после чего пейсмекерная проводимость при деполяризации мембраны инактивируется и сможет реактивироваться лишь после реполяризации потенциала действия. Ясно, что частота спонтанных возбуждений определяется временем, за которое диастолическая деполяризация изменяет мембранный потенциал до порогового уровня; следовательно, изменения порогового потенциала или скорости диастолической деполяризации, возникающие, например, в волокнах Пуркинье под действием адреналина, могут повлиять на частоту автоматической активности.

Задержанная постдеполяризация и триггерная поддерживающаяся ритмическая активность

Наряду с автоматизмом существует и другой механизм, способный обеспечить ритмическую генерацию импульсов в нормальных сердечных клетках. Механизм инициации возбуждения зависит от задержанной постдеполяризации, поэтому ритмически возникающие с его помощью спонтанные импульсы называют триггерными потенциалами действия [20, 39]. Как отмечалось выше, автоматическая активность характеризуется спонтанной генерацией каждого импульса. Следовательно, если автоматическая клетка не возбуждается распространяющимся импульсом, она не остается в покое, а подвергается спонтанной диастолической деполяризации до тех пор, пока не возникнет потенциал действия. Это согласуется с использованием прилагательного «автоматический», смысл которого можно расшифровать как «обладающий способностью к самостоятельному движению». И наоборот, если обладающее триггерной активностью волокно не возбуждается распространяющимся импульсом, то оно остается молчащим. Поскольку триггерный импульс — это импульс, возникающий после (и в результате) другого импульса, триггерная активность не может иметь место до тех пор, пока волокно не будет возбуждено по крайней мере одним распространяющимся импульсом. Триггерная активность является одной из форм ритмической активности, при которой каждый импульс возникает в результате предшествующего импульса, за исключением, разумеется, первого (побуждающего) потенциала действия, который должен быть вызван стимулом.

Постдеполяризация и триггерная активность в предсердном волокне коронарного синуса у собаки

Рис. 3.7. Постдеполяризация и триггерная активность в предсердном волокне коронарного синуса у собаки.

Фрагмент А: однократная стимуляция волокна вызывает развитие одного потенциала действия, за которым следует постгиперполяризация (жирная стрелка), а затем—задержанная постдеполяризация (светлая стрелка). Фрагмент Б: запись с другой клетки; первый потенциал действия (слева) вызывается внешним стимулом, но следующая за ним задержанная постдеполяризация (черная стрелка) достигает порогового потенциала и вызывает первый спонтанный потенциал действия, за которым следуют другие спонтанные потенциалы действия; спонтанные импульсы являются триггерными импульсами, поэтому они представляют так называемую триггерную активность.

Триггерные импульсы обусловлены задержанной постдеполяризацией, амплитуда которой достаточно велика для доведения мембранного потенциала до порогового уровня. Задержанная постдеполяризация — это транзиторная деполяризация, наблюдающаяся после окончания потенциала действия, но возникающая благодаря именно этому потенциалу. В норме задержанная постдеполяризация была зарегистрирована в предсердных клетках митрального клапана [40], в клетках коронарного синуса [41] ив предсердных волокнах гребенчатых мышц [42]. Как показывает рис. 3.7, задержанной постдеполяризации часто предшествует постгиперполяризация: следующий за потенциалом действия мембранный потенциал на короткое время становится более отрицательным, чем непосредственно перед началом потенциала действия. При затухании этой постгиперполяризации мембранный потенциал временно становится более положительным, чем непосредственно перед началом потенциала действия. Кратковременность изменений такой постдеполяризации четко отличает ее от нормальной спонтанной диастолической (пейсмекерной) деполяризации, при которой мембранный потенциал монотонно изменяется до тех пор, пока не возникнет следующий потенциал действия.

Задержанная постдеполяризация обычно бывает подпороговой, но в определенных условиях она может превысить пороговый потенциал; если это происходит, вследствие постдеполяризации возникает спонтанный потенциал действия. В упомянутых выше предсердных волокнах катехоламины увеличивают амплитуду постдеполяризации, в результате чего достигается уровень порогового потенциала [40, 41]. Амплитуда подпороговой постдеполяризации весьма чувствительна и к частоте возникновения по тенциала действия [39, 42]. Повышение частоты стимуляции увеличивает амплитуду постдеполяризации (рис. 3.8), и, наоборот, уменьшение ее частоты приводит к снижению амплитуды. Кроме того, если преждевременный потенциал действия при стимуляции возникает с постоянной частотой, то следующая за ним постдеполяризация имеет большую амплитуду, чем та, которая отмечается после регулярного потенциала действия. Более того, чем раньше во время основного цикла возникает преждевременный потенциал действия, тем больше амплитуда преждевременной постдеполяризации. При достаточно высокой частоте постоянной стимуляции или после достаточно раннего преждевременного стимула постдеполяризация может достигнуть порога и вызвать нестимулированные потенциалы действия. Первый спонтанный импульс отмечается после более короткого интервала по сравнению с длительностью основного цикла, так как постдеполяризация, вследствие которой он возник, начинается вскоре после реполяризации предшествующего потенциала действия. Следовательно, спонтанный импульс вызывает еще одну постдеполяризацию, которая также достигает порогового уровня, обусловливая появление второго спонтанного импульса (см. рис. 3.8). Этот последний импульс вызывает следующую постдеполяризацию, которая инициирует третий спонтанный импульс, и так на протяжении всего времени триггерной активности. Триггерная активность может спонтанно прекратиться, и, если это происходит, за последним нестимулированным импульсом обычно следует одна или несколько подпороговых постдеполяризаций.

Индукция триггерной активности в предсердном волокне митрального клапана у обезьяны

Рис. 3.8. Индукция триггерной активности в предсердном волокне митрального клапана у обезьяны.

На каждом фрагменте показаны лишь нижняя часть потенциалов действия. Горизонтальные линии на фрагментах I и II проведены на уровне—30 мВ, а на фрагменте III — на уровне — 20 мВ. фрагмент IA и 1Б: триггерная активность, возникшая в результате сокращения длительности основного стимуляционного цикла. IA: продолжительность цикла стимуляции составляет 3400 мс; и за каждым потенциалом действия следует подпороговая задержанная постдеполяризация. В начале фрагмента IБ длительность цикла стимуляции сокращена до 1700 мс; заметно постепенное повышение амплитуды постдеполяризации, следующей за каждым из первых 4 вызванных стимуляцией потенциалов действия. За последним вызванным потенциалом действия следует спонтанный потенциал действия, а затем поддерживающаяся ритмическая активность, частота которой выше, чем при стимуляции. IIА и IIБ: возникновение ритмической активности вследствие единственного вызванного импульса. IIА: после периода покоя за единственным вызванным потенциалом действия (стрелка) следует подпороговая постдеполяризация. IIБ: в несколько иных условиях — после одиночного вызванного потенциала действия (стрелка) отмечается поддерживающаяся ритмическая активность. IIIA и IIIБ: возникновение триггерной активности вследствие преждевременной стимуляции. IIIA: преждевременный импульс (стрелка) вызывается во время фазы реполяризации постдеполяризации, и амплитуда последующей постдеполяризации возрастает. IIIБ: за преждевременным импульсом (большая стрелка) следует постдеполяризация, которая достигает порога (маленькая стрелка) и приводит к появлению ряда триггерных импульсов [40].

Ионная природа токов, ответственных за возникновение постдеполяризации, а также механизм, изменяющий амплитуду постдеполяризаций при изменении продолжительности цикла стимуляции, неизвестны. Амплитуду постдеполяризации можно снизить с помощью лекарственных препаратов, способных уменьшать входящий ток, текущий через медленные Na+,Са2+-каналы. Эти препараты способны также предотвращать развитие триггерной активности [39—41]. Считается, однако, что медленный входящий ток не принимает непосредственного участия в инициации постдеполяризаций; как полагают, ионы кальция, входящие в клетку через медленные каналы (а возможно, и другими путями), обусловливают появление в некоторых из них задержанного входящего тока, вызывающего постдеполяризацию [43].

<< | >>
Источник: Под редакцией В. Дж. Мандела. Аритмии сердца. 1996

Еще по теме Потенциал покоя и потенциал действия в нормальных предсердных и желудочковых клетках и в волокнах Пуркинье:

  1. БРАДИАРИТМИИ
  2. ТАХИАРИТМИИ
  3. Нарушения проводимости
  4. Электрофизиологические детерминанты аберрации
  5. Деполяризация в фазу 4
  6. Вторая фаза желудочковой аритмии
  7. Потенциал покоя и потенциал действия в нормальных предсердных и желудочковых клетках и в волокнах Пуркинье
  8. Влияние патологических состояний на потенциал покоя и потенциал действия сердечных клеток
  9. Аномальный автоматизм и триггерная активность
  10. Возникновение нарушений ритма сердца
  11. Гиперкалиемия
  12. Гипокалиемия
  13. Аномальное генерирование импульсов
  14. Подкласс IA
  15. Подкласс IВ
  16. Препараты класса III