Механизмы регуляции сердечной деятельности

Сердце относится к органам, работающим на протяжении жизни постоянно в ритмическом режиме. Причем оно очень чутко реагирует на изменяющиеся при определенных физиологических состояниях потребности различных периферических тканей в уровне кровоснабжения. В норме (при отсутствии патологических изменений в сердечно-сосудистой и дыхательной системах) интенсивность работы сердца в каждый момент жизнедеятельности является строго адекватной потребностям всех органов организма (в том числе самого сердца) в уровне кровоснабжения, который определяет доставку к тканям кислорода и питательных веществ. Такое строгое соответствие между эффективностью работы сердца и потребностью организма в кровоснабжении, являющееся залогом нормальной жизнедеятельности, достигается благодаря разнообразным механизмам регуляции сердечной деятельности. Все существующие механизмы регуляции работы сердца в первом приближении можно классифицировать следующим образом:

• внутрисердечные, замыкающиеся на уровне самого сердца и происходящие без непосредственного участия центральной нервной системы; обусловлены особыми свойствами самого миокарда, благодаря чему действуют в условиях изолированного сердца

• внесердечные, осуществляющиеся благодаря экстракардиальным нервным и гуморальным влияниям на миокард.

Внутрисердечные механизмы регуляции сердечной деятельности включают:

• внутриклеточные механизмы регуляции

• регуляцию деятельности сердца посредством межклеточных взаимодействий в нем

• внутрисердечные периферические рефлексы, замыкающиеся на уровне внутрисердечных (интрамуральных) парасимпатических ганглиев, формирующих в совокупности метасимпатическую систему.

Сущность внутриклеточных механизмов регуляции сердечной деятельности состоит в том, что уровень обменных процессов в кардиомиоцитах, синтез ключевых ферментов и структурных белков (в том числе белков миофибрилл) в них напрямую зависит от интенсивности функционирования. В частности, физиологические состояния, сопровождающиеся продолжительной интенсификацией сердечной деятельности, приводят, как правило, к рабочей гипертрофии кардиомиоцитов и в целом определенных камер сердца в результате усиления синтеза структурных белков в них. Как следствие, гипертрофированные кардиомиоциты могут выполнять больший объем работы, чем нормальные, и повышенная функциональная активность сердечной мышцы получает свое морфологическое обеспечение (т.н. рабочая гипертрофия миокарда в ответ на развиваемую им гиперфункцию).

Гипертрофия миокарда служит решающим фактором компенсации не только при систематическом действии на организм физических нагрузок, но и при основных заболеваниях системы кровообращения, а, следовательно, является необходимым звеном адаптационных реакций целого организма. Функциональное значение ее состоит в том, что, несмотря на длительную повышенную нагрузку или повреждение миокарда, она в течение долгого времени обеспечивает поддержание минутного объема сердца. При этом способность сердца увеличивать свою функцию зачастую становится фактором, лимитирующим эффективность адаптации всего организма.

Теория, описывающая молекулярные механизмы гипертрофии сердца, была сформулирована Ф.З. Меерсоном и в первом приближении выглядит следующим образом. Повышенная физиологическая функция сердца первоначально сопровождается развитием некоторого дефицита АТФ в кардиомиоцитах по причине усиленного его расходования, что обуславливает увеличение потенциала фосфорилирования. Дефицит АТФ и возросший окислительный потенциал в первую очередь стимулирует синтез РНК, кодирующих митохондриальные белки, и рибосомальных РНК, что сопровождается увеличением мощности митохондриального аппарата кардиомиоцитов и повышением количества свободных рибосом. Увеличение количества митохондрий в кардиомиоцитах приводит к повышению мощности окислительного фосфорилирования и, как следствие, преодолению первоначально возникшего энергетического дефицита, а увеличение количества рибосом создает условия для усиления синтеза белков, в том числе мембранных и сократительных белков, а также белков-ферментов, принимающих участие в энергетическом метаболизме миокарда. Усиление же синтеза этих белков запускается компенсаторно в ответ на гиперфункцию сердца, требующую для своего осуществления большего напряжения сократительного аппарата кардиомиоцитов, систем, откачивающих кальций при расслаблении, а также ферментативных систем, обеспечивающих возросший метаболизм сердца. Увеличение синтеза РНК и белков в кардиомиоцитах приводят к их гипертрофии. Наряду с ускорением синтеза белков при гиперфункции сердца, возможно включаются и механизмы, замедляющие протеолиз, что также будет способствовать развитию гипертрофии кардиомиоцитов. В результате развившейся гипертрофии миокардиальных клеток они могут выполнять больший, по сравнению с таковым до гипертрофии, объем функции, и функциональная нагрузка, приходящаяся на единицу массы кардиомиоцита, нормализуется, что обуславливает и нормализацию первоначально сниженного функционального резерва сердца. Дело в том, что гипертрофированные кардиомиоциты уже функционируют не на пределе своих возможностей и в случае необходимости могут увеличить уровень своей функциональной активности.

Причем, при гипертрофии сердца, постоянно работающего с повышенной активностью, сначала равномерно увеличиваются длина и толщина миокардиальных волокон, но число их остается постоянным. При этом объем полостей сердца неизбежно увеличивается, в результате чего для развития прежнего давления по закону Лапласа требуется большее напряжение стенок сердца. Однако, поскольку мышечная масса при гипертрофии миокарда возрастает, сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения стенки сердца, остается практически неизменной. Из этого следует, что, хотя, гипертрофированное сердце вмещает больший объем крови, ему не приходится развивать дополнительное напряжение на единицу площади поперечного сечения стенки желудочков для создания необходимого давления в момент систолы. Этим физиологическая гипертрофия отличается от патологической дилатации полостей сердца, возникающей при перегрузке желудочков сердца повышенным объемом выбрасываемой крови, что имеет место при пороках клапанного аппарата (например, митрального или аортального клапанов в левой половине сердца). Приспособительные структурные изменения миокарда, направленные на компенсацию этих пороков ограничены. Более того, по мере увеличения радиуса кардиомиоцитов вследствие их гипертрофии растет и диффузионное расстояние между цитоплазмой кардиомиоцита и капиллярами, что служит одной из причин нарушения оксигенации кардиомиоцитов.

В случае длительной повышенной нагрузки на сердце после первоначальной гипертрофии может развиться «комплекс изнашивания», по ряду признаков сходный с физиологическим старением сердца. Типичными особенностями этого состояния является снижение концентрации РНК в кардиомиоцитах, скорости ее синтеза, а, следовательно, и скорости синтеза белков, но при этом увеличение скорости протеолиза. Все это приводит к нарушению обновления миокардиальных белков, истощению кардиомиоцитов и снижению их функциональных возможностей.

Внутриклеточные механизмы регуляции сердечной деятельности могут проявляться в изменении инотропии миокарда в зависимости от состояния сократительного аппарата кардиомиоцитов (т.н. миогенные механизмы регуляции сердечной деятельности, детально рассмотрены в пункте «Характеристика сократимости миокарда»). Как уже отмечалось ранее, один из таких миогенных механизмов регуляции сократительной способности миокарда основан на зависимости силы сокращения кардиомиоцитов от степени их растяжения в момент диастолы (закон Франка-Старлинга). Сущность этого закона состоит в том, что, чем больше крови притекает к сердцу в момент диастолы (т.е. чем сильнее растягивается сердечная мышца и соответственно ее кардиомиоциты), тем больше резервных мостиков образуется в миофибриллярном аппарате (подобно таковому в умеренно растянутой скелетной мышце) и тем больше будет сила сокращения миокарда в момент последующей систолы. Количество актомиозиновых связей при умеренном растяжении кардиомиоцитов и соответственно саркомеров оказывается увеличенным относительно такового при нормальной длине саркомеров миофибрилл благодаря увеличению "зоны экспозиции" актиновых центров с головками миозина, т.е. за счет использования большей, чем ранее, части актиновых центров для присоединения к ним головок миозина. Такой механизм реализуется только при пониженном или, в крайнем случае, близком к нормальному давлению крови в артериальном русле, тогда как при повышенном артериальном давлении его реализации препятствуют внесердечные рефлексы, направленные на нормализацию артериального давления и замедляющие и ослабляющие работу сердца.

Физиологическая роль закона Франка-Старлинга при нормальных условиях работы сердца состоит в обеспечении постоянного подстраивания систолического выброса одного желудочка под систолический выброс другого и в конечном итоге достижения почти одинакового выброса обоими желудочками. Так, например, увеличение выброса крови левым желудочком приводит к увеличению притока крови к правому желудочку и по закону Франка-Старлинга сопровождается увеличением силы его сокращений, а, следовательно, и систолического выброса (иными словами, систолический выброс правого желудочка становится приблизительно равным таковому, осуществляемому левым желудочком).

Наряду с описанной положительной зависимостью силы сердечных сокращений от исходной длины кардиомиоцитов в момент диастолы, существует и позитивная связь между силой сокращения кардиомиоцитов и давлением в начальной части артериального русла (т.н. сопротивлением выбросу). Механизм регуляции сердечной деятельности, лежащий в основе этой зависимости, носит название эффекта Анрепа.

При реализации этого механизма выделяют две фазы. Первая фаза вытекает из закона Франка-Старлинга. Так, повышение давления в начальном отделе сосудистого русла (повышение сопротивления выбросу) приводит к тому, что первоначально при каждой систоле объем выбрасываемой крови несколько снижается (поскольку желудочкам приходится работать против большего сопротивления выбросу), а, следовательно, остаточный объем крови возрастает. Отмеченное приводит к тому, что в условиях повышенного сопротивления выбросу после каждой систолы в полостях сердца накапливается все большее и большее количество крови. Это обуславливает некоторое перерастяжение кардиомиоцитов и соответственно большую силу их последующих сокращений. Кроме того, определенную роль в увеличении силы сокращения кардиомиоцитов имеет и коронарный компонент. В частности, повышение давления в аорте сопровождается и повышением давления в коронарных артериях, что обуславливает увеличение кровенаполнения и растяжение капилляров венечного круга кровообращения, оплетающих кардиомиоциты. Расширенные увеличенным объемом крови капилляры растягивают кардиомиоциты. Умеренное же растяжение кардиомиоцитов согласно закону Франка-Старлинга сопровождается увеличением силы их сокращения. Природа второй фазы при реализации эффекта Анрепа обусловлена тем, что при увеличении внешней нагрузки, оказываемой на кардиомиоциты, актомиозиновые мостики совершают свои гребковые движения в замедленном темпе, в результате чего актиновые протофибриллы скользят в более медленном темпе вдоль миозиновых по сравнению с таковым при меньшей внешней нагрузке. Как следствие этого, возрастает "время экспозиции" актиновых центров с головками миозина, что обуславливает увеличение доли открытых актиновых центров, к которым успевают присоединиться имеющиеся в избытке миозиновые головки. В результате этого увеличивается количество возникающих между актиновыми и миозиновыми протофибриллами мостиков, а, значит, и сила сокращения.

Ефект Анрепа, подібно до закону Франка-Старлінга, реалізується тільки в умовах зниженого або нормального системного артеріального тиску.

Еще один внутриклеточный механизм регуляции сердечной деятельности, относящийся к категории миогенных, заключается в увеличении силы сердечных сокращений по мере повышения концентрации внутриклеточного кальция, вызванного повышенной хронотропией миокарда. Так, увеличение частоты сердечных сокращений приводит к увеличению поступления кальция в кардиомиоциты из межклеточных пространств во время фазы плато потенциала действия. Увеличение же внутриклеточной концентрации кальция в кардиомиоцитах во время сокращения за счет увеличенного входа кальция в клетки приводит к постепенному увеличению концентрации кальция в цистернах СР, куда он преимущественно откачивается при расслаблении. Увеличение же содержания кальция в цистернах СР обуславливает увеличение его выброса в саркоплазму при последующих потенциалах действия кардиомиоцитов. Постепенное увеличение выброса кальция в саркоплазму при дальнейших возбуждениях миокардиальных клеток сопровождается увеличением количества открытых активных центров в актиновых протофибриллах, а, следовательно, и возрастанием количества образующихся актомиозиновых мостиков, что обуславливает повышение силы сокращения кардиомиоцитов. При этом положительный инотропный эффект хронотропии миокарда реализуется постепенно: по мере того как увеличенное поступление кальция из межклеточных пространств в саркоплазму и из саркоплазмы в цистерны СР приводит к увеличению содержания кальция в СР, откуда возникает Са²⁺-залп, вызывающий сокращение. Внешним выражением данного процесса является лестничный феномен Боудича (механизм хроно-инотропии миокарда) – постепенное усиление сокращений сердца после скачкообразного увеличения их частоты. При этом одновременно с увеличением силы сокращений сердца возрастает и скорость их развития.

Инотропный эффект увеличенной частоты сердечных сокращений играет важную роль в срочной адаптации сердца к большой нагрузке. В частности, при физической работе 2-3-кратное увеличение частоты сокращений, играющее на первых порах определяющую роль в увеличении минутного объема кровотока, обуславливает дальнейшее постепенное увеличение силы сердечных сокращений, что предотвращает дальнейшее увеличение частоты сердечного ритма и обуславливает поддержание минутного объема кровотока на уровне, оптимальном для обеспечения возросших потребностей работающих скелетных мышц и самого сердца в кровоснабжении.

Регуляция деятельности сердца посредством межклеточных взаимодействий в нем достигается благодаря тесным структурным и функциональным связям как в пределах популяции кардиомиоцитов, так и кардиомиоцитов с соединительнотканными клетками, обеспечивающими трофику сердечных мышечных клеток. Так, нормальное проведение возбуждения в миокарде и соответственно ритмичная его работа возможны только в случае нормального состояния нексусов, обеспечивающих передачу нервного импульса с одного кардиомиоцита на соседние. Соединительнотканные клетки, наряду с тем, что транспортируют питательные вещества в кардиомиоциты из крови, способны вырабатывать и определенные факторы (белковой природы), влияющие на экспрессию генетической информации в сердечных мышечных клетках, в том числе на синтез структурных белков в них.

Внутрисердечные механизмы регуляции сердечной деятельности включают и внутрисердечные периферические рефлексы, которые замыкаются на уровне внутрисердечных (интрамуральных) парасимпатических ганглиев, формирующих в совокупности метасимпатическую (внутрисердечную) нервную систему. Интрамуральные ганглии в сердце млекопитающих располагаются главным образом в предсердиях, межпредсердной перегородке и в верхней трети желудочков. Кроме того, они обнаруживаются в устьях полых и легочных вен, начальной части легочной артерии и аорты, а также в венечной борозде.

Внутрисердечная нервная система сердца, подобно таковой других внутренних органов, обладает полным набором функциональных элементов, необходимых для осуществления самостоятельной рефлекторной деятельности. Так, в составе интрамуральных парасимпатических ганглиев обнаруживается три типа нейронов: чувствительные, вставочные и эфферентные парасимпатические. Дендриты чувствительных нейронов узла образуют рецепторы как в самом сердце, так и в коронарных сосудах, устьях вен, впадающих в предсердия, и начальных отделах артерий, выходящих из желудочков. С функциональной точки зрения эти рецепторы могут выступать в роли механо- и хеморецепторов. Аксоны чувствительных нейронов инрамуральных ганглиев обеспечивают передачу чувствительной информации о состоянии камер сердца, венечных сосудов, начальных отделов магистральных артерий и венозных приемников как к нейронам самого интрамурального ганглия (вставочным и эфферентным), так и в центральную нервную систему. В частности, коллатерали аксонов чувствительных нейронов внутрисердечных ганглиев в составе чувствительных ветвей блуждающего и симпатических нервов проводят афферентную информацию к соответствующим отделам ЦНС (грудным сегментам спинного мозга и продолговатому мозгу). Таким образом, сенсорные нейроны интрамуральных ганглиев сердца обслуживают не только внутрисердечные механизмы регуляции, но и обеспечивают передачу афферентной информации о состоянии камер сердца, степени их растяжения, зависящей от наполнения кровью, химизме крови, уровне коронарного кровотока и степени растяжения венозных приемников в ЦНС.

На эфферентные нейроны интрамуральных ганглиев синаптически переключаются преганглионарные волокна блуждающего нерва. Кроме того, в литературе существует точка зрения, согласно которой парасимпатические эфферентные нейроны внутрисердечных ганглиев могут служить и конечным путем для информации, поступающей по постганглионарным симпатическим нервным волокнам (Соколова Н.А., 1982). Наконец, Косицким Г.И. (Косицкий Г.И., 1968, 1984) высказывается предположение относительно наличия в интрамуральных ганглиях сердца не только эфферентных холинергических, но и адренергических нейронов, что позволяет внутрисердечной нервной системе оказывать как тормозное, так и стимулирующее влияние на сердце в зависимости от текущего его состояния, кровенаполнения камер, давления в магистральных артериях и степени растяжения венозных приемников.

Таким образом, эфферентные нейроны интрамуральных парасимпатических ганглиев сердца выступают в роли конечного эфферентного пути как для информации, поступающей из центральной нервной системы, так и проводимой от рецепторов самого сердца, коронарных сосудов, начальных отделов аорты и легочного ствола и дистальных отделов вен, впадающих в сердце.

СЕРЦЕ

прегангліонарні парасимпатичні волокна

(надходять із ромбоподібного мозку у складі блукаючого нерву)

інтрамуральний парасимпатичний вузол

вставний нейрон вузла