Глава 2 Потенциал действия в кардиомиоцитах

Потенциал действия кардиомиоцитов состоит из 5 фаз (рис. 10): фазы 0 (быстрая деполяризация), фазы 1 (ранняя быстрая реполяризация), фазы 2 (плато), фазы 3 (завершающая быстрая реполяризация), фазы 4 (потенциал покоя и диастолическая деполяризация).

Рис. 10. Токи и каналы, вовлеченные в механизмы формирования потенциала покоя и потенциала действия кардиомиоцита (по H. T. Shih [86])

Амплитуда и продолжительность ПД различается в зависимости от локализации в сердце; это различие обусловлено качественными и количественными различиями в ионных каналах [86]. На рис. 10 показаны токи, вовлеченные в формирование ПП и ПД кардиомиоцита.

Потенциал покоя кардиомиоцитов варьирует в пределах от -50 до -95 мВ и обусловлен распределением ионов Na⁺, Ca²⁺, K⁺ и Cl^- по обе стороны мембраны. Наибольший вклад в значение потенциала вносит K⁺. В состоянии покоя мембрана обладает довольно высокой проницаемостью для ионов K⁺, а значение мембранного потенциала близко к Е_к (электрохимическому мембранному поьенциалу равновесному для K⁺). Проницаемость мембраны для K⁺ зависит от состояния калиевых каналов I_к1, активность которых возрастает в период реполяризации и гиперполяризации. Большая проницаемость мембраны для входящих токов которая характерна для значений МП ниже Е_к препятствует интенсивной гиперполяризации. Через каналы I_к1 при небольшой деполяризации течет исходящий ток; оба этих процесса и являются причиной того, что ПП близок к Е_к. каналы I_к1 обнаружены в предсердии, АВ-узле, пучке Гиса и волокнах Пуркинье, клетках миокарда желудочков, клетках SA. Другими механизмами, поддерживающими градиент концентраций Na⁺ и K⁺ является Na^+/K⁺ насос и Na⁺, Ca²⁺ обменный механизм. Обнаружено несколько модификаторов потенциала покоя, в т.ч. АТФ – зависимые K⁺ каналы I_к(АТР) и ацетилхолинзависимые K⁺ каналы (I_к(Ach)). I_к(АТР) каналы закрыты при физиологических концентрациях внутриклеточного АТР. При снижении концентрации АТР до значений ниже 1мМ или при возникновении гипоксии эти каналы активируются, возникает исходящий ток и, как следствие – гиперполяризация. Эти каналы в СА не обнаружены. I_к(Ach) – это калиевый канал активируемый мускариновым рецептором посредством G-белка. Связывание Ах с рецептором приводит к гиперполяризации [86].

2.1. Фазы потенциала действия

Фаза «0» - быстрая деполяризация. Деполяризация в клетках предсердия и желудочков, а также клетках волокон Пуркинье и пучка Гиса обусловлена активацией потенциал-зависимых Na⁺ каналов. В клетках СА и АВ также были описаны эти каналы, однако они не играют главную роль в процессах деполяризации: здесь наибольшее значение имеют входящие Ca²⁺ токи. Активация натриевых каналов и вход Na⁺ обуславливают смещение мембранного потенциала к уровню ионного равновесного потенциала для Na⁺ (Е_Na) [86]. Транзиторное повышение входящего тока Na⁺ продолжается в течение 1-2 мсек. По мере возрастания концентрации Na⁺ внутри клетки и положительного заряда. Фаза 0 потенциала действия в СА и АВ медленнее, чем в клетках желудочков. Это обусловлено тем, что основной вклад в деполяризацию здесь вносят входящие токи Ca⁺. В сердце имеется два вида каналов: Т-типа (I_CaT) и L-типа (I_CaL). В клетках сердца наибольшее функциональное значение имеют каналы I_CaL. Именно эти каналы, а также проходящие через них токи, обуславливают деполяризацию в клетках СА и АВ.

Фаза «1» - Ранняя быстрая реполяризация. После фазы 0 мембранный потенциал быстро и транзиторно (обратимо) возвращается к нулевому уровню. Этот процесс обусловлен инактивацией натриевых и кальциевых каналов, количество различных видов калиевых каналов очень велико: калиевые каналы потенциал-зависимые (I_to,t, I_to,s – транзиторные быстрые (t) и медленные (s), I_Kr и I_Ks - быстрые и медленные токи, I_Kur – очень быстрый ток и т.д.) и функционирующие вне зависимости от мембранного потенциала (I_K1 – фоновый калиевый ток) (рис. 1 – Rudy; таблица 1 – Norbonne). Основную роль в фазе 1 играет быстрый транзиторный ток калия (I_tof ), а также I_tos .

Фаза «2» - Плато. Фаза 2 может продолжаться несколько сот миллисекунд. Деполяризация мембраны в фазу 0 активирует потенциал-зависимые кальциевые каналы; возникающий вследствие этого ток кальция через L-каналы I_CaL и обуславливает плато. В течение фазы 2 снижается проводимость мембраны для большинства ионов, кроме Ca²⁺: натриевые каналы инактивированы, проводимость для К⁺ снижена; имеет место небольшой реполяризующий ток Cl^- и токи, обусловленные функционированием Na^+/К⁺ насоса.

Фаза «3» - Окончательная быстрая реполяризация. Эта фаза обусловлена инактивацией входящих токов катионов и активацией I_Kr и I_Ks [86]_.

Для кардиомиоцита в фазу плато и фазу деполяризации характерна рефрактерность. Рефрактерность принимает две формы: абсолютную и относительную. Согласно современным представлениям, рефрактерность обусловлена инактивацией натриевых каналов. Рефрактерность обеспечивает угасание волны возбуждения после того, как она охватит полностью весь миокард; таким образом, обратный вход этой волны невозможен, т.к. сердце находится в состоянии рефрактерности [2].

Электрофизиологические процессы, происходящие в пучках волокон Пуркинье, характеризуются рядом выраженных особенностей. Клетки в пучках волокон Пуркинье также обладают пейсмекерной активностью, однако она развивается значительно медленнее, чем в СА-узле. Выше отмечалось, что основной функцией волокон Пуркинье является проведение возбуждения от СА и АВ-узлов к клеткам миокарда желудочков. Для описания сложных процессов, которые при этом протекают, используется кабельная теория, описание которой, в целом, выходит за рамки настоящей работы. Здесь мы частично рассмотрим лишь шестнадцатый постулат и его практические реализации. Проводящая система желудочков состоит из сильно ветвящейся сети клеток, расположенных субэндокардиально. Отдельные клетки этой сети связаны друг с другом посредством вставочных дисков, глубинно внедряющихся в продольно ориентированные разрастания сарколеммы. Вставочные диски имеют четыре структурные области («промежуточные контакты»; десмосомы; межклеточные контакты или нексусы; неспециализированная сарколемма). Считается, что входящие в состав межклеточных дисков контакты обеспечивают электрическое взаимодействие между клетками. Согласно современным представлениям клетки волокон Пуркинье относятся к тканям с быстрым ответом (для таких тканей характерен входящий ток ионов Na⁺ в период ПД). Согласно 16-му постулату кабельной теории «влияние локальных токов на возбудимость зависит от интенсивности источника и характеристик тока; если выполнены требования, связанные с предельной длиной, возникает регенеративный распространяющийся ПД, если требования не выполнены, то наблюдается местный электрический ответ». С физиологической точки зрения это означает следующее. При пороговом значении мембранного потенциала в клетку начинают поступать ионы Na⁺ , которые заряжают внутренность клетки положительно по отношению к её окружению. Происходит деполяризация и в миоплазме образуется движущая сила, вызывающая возникновение тока, проходящего в продольном направлении. Основными источниками этого тока внутри клеток и между клетками являются ионы K⁺ . Ток, текущий в продольном направлении, вытесняет отрицательные заряды с внутренней поверхности окружающих участков мембраны, вызывая деполяризацию этих участков до уровня порогового потенциала. Цепь замыкается емкостным током, проходящим через мембрану и током внеклеточного пространства [2].

На рисунке 11 представлены типичные варианты потенциала действия в различных отделах сердца.

Рис. 11. Варианты потенциала действия в различных отделах сердца (по G. Schram [79])

Примечание: SAN – синатриальный узел, AV node – атриовентрикулярный узел, His-Purkinje – пучок Гиса и волокна Пуркинье, Ventricles – кардиомиоциты желудочка.

В норме потенциал действия генерируется в синатриальном узле (САУ) и проводится через предсердие к атриовентрикулярному узлу (АВУ). От АВУ ПД движется через пучок Гиса и волокна Пуркинье, достигая кардиомиоцитов желудочка и вызывая сокращение.

На рис. показаны ионные токи, вовлеченные в формирование ПД [79].

В таблице 7 представлены ионные токи, участвующие в формировании ПД кардиомиоцита.