43. Характеристика процесса возбуждения в кардиомиоцитах. Ионный механизм пейсмекерного потенциала.

Возбудимость сердечной мышцы. Под действием электрических, химических, термических и других раздражителей сердце способно приходить в состояние возбуждения. В основе процесса возбуждения лежит появление отрицательного электрического потенциала в первоначально возбужденном участке.

Как и у любой возбудимой ткани, мембрана рабочих клеток сердца поляризована. Снаружи она заряжена положительно, изнутри — отрицательно. Это состояние возникает в результате разной концентрации Na+ и К+ по обе стороны мембраны, а также разной проницаемости мембраны для этих ионов. В покое мембрана кардиомиоцитов почти непроницаема для Na+ и частично для К+. В результате процесса диффузии ионы К+, выходя из клетки, увеличивают положительный заряд на ее поверхности. Внутренняя сторона мембраны при этом становится отрицательной. В миокарде теплокровных животных разность потенциалов в покое (потенциал покоя) составляет 60—80 мВ. При действии раздражителя любой природы, прихода возбуждения от соседней клетки или пейсмекера происходит поступление Na+ в клетку. В этот момент на поверхности мембраны возникает отрицательный электрический заряд и развивается реверсия потенциала. Амплитуда ПД составляет 100 мВ и более. Возникший потенциал деполяризует мембраны соседних клеток, у них возникают собственные ПД.

Рис. 9.10 Экстрасистола

А — схематическое изображение; Б — кривая сокращения. I — сокращение, II — возбудимость;

стрелками показаны раздражения, наносимые в разные фазы сердечного цикла, треугольниками — импульсы, исходящие из синусного узла.

Таким образом происходит распространение возбуждения в целом органе. Этот процесс одинаков в рабочем миокарде и в водителях ритма.

Возможность вызвать возбуждение сердца электрическим током нашла практическое применение в медицине. Под действием электрических импульсов, источником которых являются электронные стимуляторы, сердце начинает возбуждаться и работать в заданном ритме.

При нанесении электрических раздражении на работающее сердце в разные фазы его цикла оказывается, что независимо от величины и силы раздражения сердце не ответит, если это раздражение будет нанесено в период систолы, т. е. во время периода абсолютной рефрактерности (от фр. refractaire — невосприимчивый). Период рефрактерности длится столько же времени, сколько продолжается систола.

С началом расслабления возбудимости сердца начинает восстанавливаться и наступает период относительной рефрактерности. Нанесение в этот момент интенсивного стимула способно вызвать внеочередное сокращение — экстрасистолу. При этом пауза, следующая за экстрасистолой, длится больше времени, чем обычно, это так называемая компенсаторная пауза (рис. 9.10). После фазы относительной рефрактерности наступает период повышенной возбудимости. По времени он совпадает с диастолическим расслаблением и характеризуется тем, что импульсы небольшой силы могут вызвать сокращение сердца. Период этот непродолжителен, и вскоре наступает восстановление уровня возбудимости.

Потенциал действия клетки рабочего миокарда длится 0,3 с, что примерно в 150 раз продолжительнее, чем в клетке скелетной мышцы. Во время развития ПД клетка невозбудима к последующим стимулам. Ее рефракторный период почти в 100 раз больше такого же периода скелетной мышцы. Эта особенность исключительно важна для функции сердца как органа, так как в ответ на частые повторные раздражения миокард может отвечать только одним потенциалом действия и одним сокращением. Все это создает условия к ритмическому сокращению органа.

Длительный абсолютный рефракторный период, т. е. полная невозбудимость сердечной мышцы, предохраняет ее от быстрого повторного возбуждения до тех пор, пока не закончилась предыдущая волна деполяризации. Тем самым предотвращается нарушение нагнетательной функции сердца. Наличие фазы рефрактерности также препятствует возникновению кругового движения возбуждения по миокарду. В противном случае нарушилось бы ритмическое чередование систолы и диастолы. Абсолютная рефрактерность исключает и возможность тетанического сокращения сердца, заставляя его работать в ритме одиночного сокращения.

Автоматия сердца. Способность к ритмическому сокращению без всяких видимых раздражении под влиянием импульсов, возникающих в самом органе, является характерной особенностью сердца. Это свойство называется автоматизмом. В том случае, когда импульсы появляются в мышечных волокнах, сердечная деятельность считается миогенной, если же импульсы возникают в клетках нервных ганглиев сердца — нейрогенной.

Природа автоматии до сих пор до конца не выяснена. У высших позвоночных и птиц возникновение импульсов связано с функцией атипических мышечных клеток — пейсмекеров, заложенных в узлах сердца. Нервные структуры способны оказывать влияние на силу и частоту их разрядов, однако сам процесс генерации импульсов является специфической особенностью этих клеток.

Атипическая ткань в сердце птиц и млекопитающих локализуется в областях, гомологичных венозному синусу и атриовентрикулярной области холоднокровных. Первый узел проводящей системы расположен в месте впадения полых вен в правое предсердие — синусно—предсердный (синусный, синоатриальный, синусно—аурикулярный, Киса—Флека) узел. Он является главным центром автоматии сердца — пейсмекером первого порядка. От узла возбуждение распространяется к рабочим клеткам миокарда предсердий — и диффузно, и по специальным внутрисердечным проводящим пучкам. Оба потока достигают второго узла — не менее важного места, обладающего способностью генерировать импульсы, — предсердно—желудочкового (атриовентрикулярного, Ашоффа—Тавара) узла. Он расположен в толще сердечной перегородки на границе предсердий и желудочков. Узел состоит из трех обладающих собственной частотой возбуждения частей: верхней предсердной, средней и нижней желудочковой. Этот узел является пейсмекером второго порядка. Возбуждение через предсердно—желудочковый узел в нормальных условиях может проходить только в одном направлении. Ретроградное проведение импульсов невозможно.

Так достигается направленность движения возбудительного процесса и, как следствие, координированность работы предсердий и желудочков.

При прохождении возбуждения через предсердно—желудочковый узел импульсы задерживаются на 0,02—0,04 с. Это явление получило название атрио—вентрикулярной задержки. Ее значение состоит в том, что за время задержки успевает завершиться систола желудочков и их волокна будут находиться в фазе рефрактерности.

Третий уровень, обеспечивающий ритмическую активность сердца, расположен в пучке Гиса и волокнах Пуркинье (сердечных проводящих миоцитах). Пучок Гиса берет начало от предсердно—желудочкового узла и образует две ножки, одна из которых идет к левому, другая — к правому желудочку. Эти ножки ветвятся на более тонкие проводящие пути, заканчивающиеся волокнами Пуркинье, которые непосредственно контактируют с рабочими клетками миокарда.

Центры автоматии, расположенные в проводящей системе желудочков, носят название пейсмекеров третьего порядка. Таким образом, возбуждение по ножкам пучка Гиса направляется к верхушке сердца и оттуда по разветвлениям ножек и волокнам Пуркинье возвращается к основанию сердца. В результате этого сокращение сердца в целом осуществляется в определенной последовательности: сначала сокращаются предсердия, затем верхушки желудочков и, наконец, их основания. Пучок Гиса и волокна Пуркинье отсутствуют у пойкилотермных животных. Возбуждение у них распространяется по волокнам миокарда.

Перечисленные водители ритма сердца находятся в соподчиненном положении. В сердце существует так называемый убывающий градиент автоматии. Он выражается в убывающей способности к автоматии различных структур проводящей системы по мере их удаления от синусно—предсердного узла. В синусно—предсердном узле число разрядов составляет в среднем 60—80 имп/мин, в предсердно—желудочковом — 40—50, в клетках пучка Гиса — 30—40, в волокнах Пуркинье — около 20 имп/мин.

Таким образом, в сердце существует определенная иерархия центров автоматии, что позволило У. Гаскеллу сформулировать правило, согласно которому степень автоматии отдела тем выше, чем ближе он расположен к синусно—предсердному узлу. Это правило получило название закона градиента сердца.

В обычных условиях частоту активности миокарда всего сердца в целом определяет синусно—предсердный узел. Он подчиняет себе все нижележащие образования проводящей системы, навязывая им свой ритм. Поэтому все отдельные части проводящей системы, хотя и имеют собственный ритм, начинают работать в едином ритме. Явление, при котором структуры с замедленным ритмом генерации потенциалов усваивают более частый ритм других участков проводящей системы, называют усвоением ритма.

Следует заметить, что в областях узлов синусно—предсердном, предсердно—желудочковом — находятся нервные клетки. Их скопления и многочисленные волокна образуют густую нервную сеть, пронизывающую структуру узла. Эти нервные клетки относятся к кардиальной части метасимпатической нервной системы (см. разд. 5.4.3).

В мышечных волокнах предсердий и желудочков скорость проведения возбуждения колеблется в узких пределах, составляя 0,9—1,0 м/с, в волокнах предсердно—желудочкого узла — 0,05, в пучке Гиса — 1,0—1,5, в волокнах Пуркинье — 3,0 мс. Быстрое проведение в волокнах Пуркинье определяет почти одновременное возбуждение всех участков желудочков. Время полного охвата составляет около 10—15 мс. В связи с этим возрастают мощность сокращения и эффективность работы, связанная с проталкиванием желудочком крови.

Для обеспечения работы сердца необходимым условием является анатомическая целостность его проводящей системы. В том случае, если в пейсмекере первого порядка в силу каких—то причин не возникает возбуждения или блокируется его передача, роль водителя ритма берет на себя пейсмекер второго порядка. В случае же невозможности передачи возбуждения к желудочкам они начинают сокращаться в ритме пейсмекеров третьего порядка. При поперечной блокаде предсердия и желудочки сокращаются каждый в своем ритме. Повреждение водителей ритма ведет к полной остановке сердца.

На ранних стадиях эволюции встречается сугубо нейрогенный механизм регуляции сердечного ритма, так называемое нейрогенное сердце. Например, у большинства ракообразных на дорсальной поверхности сердца расположено несколько ганглиозных нервных клеток. Это генераторы ритма, т. е. пейсмекерные клетки сердца. Возникающее в них возбуждение широкой волной разливается на мышечные клетки, вызывая их сокращение. Частота генерации находится в прямой зависимости от наполнения сердца, т. е. состояния растянутости его стенок. Подобные ганглионарные нервные клетки—пейсмекеры есть и в сердце некоторых насекомых: у взрослых пчел, тараканов. Обнаружены они у ряда кольчатых червей. Удаление ганглиев приводит к немедленной остановке сердца. Нейрогенные сердца чрезвычайно чувствительны к эфиру. Даже малые его концентрации вызывают остановку сокращения сердца.

Клетки атипической мышечной ткани, составляющие проводящую систему сердца, функционально неоднородны. Из всей массы синусно—предсердного узла только несколько клеток, называемых истинными пейсмекерами, обладают способностью к спонтанной генерации потенциала действия. Остальные клетки относятся к потенциальным (латентным) водителям ритма. Они, как и рабочие кардиомиоциты, разряжаются в результате пришедшего к ним возбуждения. Потенциальные пейсмекеры отличаются от истинных особенностями медленной диастолической деполяризации и более низкой частотой разрядов. В свою очередь, от рабочих миокардиоцитов они отличаются тем, что последние вообще не способны к спонтанной деполяризации. В случае прекращения функции истинного пейсмекера потенциальный пейсмекер может взять на себя его ведущую роль, в то время как рабочие кардиомиоциты такой

способностью не обладают.

Особенностью механизма возникновения ритмов истинных и потенциальных пейсмекеров является то, что в отличие от волокон сократительного миокарда мембрана этих клеток во время диастолы приобретает большую ионную проницаемость что ведет к развитию медленной диастолической деполяризации — пейсмекерного потенциала. В этот момент возникает местное нераспространяющееся возбуждение. У потенциальных пейсмекеров эта фаза достигает порогового уровня позже, чем у истинных. С достижением диастолического порогового уровня происходит возникновение, распространяющегося ПД.

Ионный механизм пейсмекерного потенциала состоит в том, что во время фазы реполяризации клеточная мембрана становится более проницаемой для внутриклеточного К+ и мембранный потенциал приближается к равновесному калиевому потенциалу Еk. В результате проникновения внутрь клетки Na+ и Са2+ и уменьшения скорости выхода из клетки К+ возникает медленная диастолическая деполяризация. Когда уровень потенциала уменьшится по сравнению с исходным приблизительно на 2 мВ, наступает резкое увеличение проницаемости мембраны вначале для Na+, а позже для Са2+. Этот ионный ток приводит к возникновению пика ПД. Общая амплитуда ПД составляет около 100 мВ. С закрытием ионных каналов положительный заряд наружной поверхности мембраны восстанавливается. Появление ПД в пейсмекерной клетке сопровождается возникновением деполяризации в прилежащих к ней ведомых рабочих кардиомиоцитах, не обладающих автоматизмом, и распространением возбуждения. Рабочие клетки миокарда в отличие от водителей ритма в состоянии покоя характеризуются чрезвычайно низкой ионной проницаемостью для Na+ и Са2+, так что движение через их каналы К+ не вызывает сдвигов мембранного потенциала.

Ритм работы сердца зависит от массы животного и уровня метаболизма. Как правило, частота сердечных сокращений у животных с низкой общей подвижностью меньше, чем у подвижных. У улиток она колеблется от 0,2 до 20 в 1 мин, у кальмара и осьминога — от 40 до 80. У мелких животных частота сердечных сокращений, как правило, выше, чем у крупных. Например, частота сокращений у мелких птиц достигает несколько сотен в 1 мин, у домашних — 150—300, у мыши — 600—700, кролика — 120—140, кошки — 100—120, собаки — 60—120, лошади, слона — 25—60.

Зависимость между величиной животного и частотой сердечных сокращений объясняется более высоким уровнем метаболизма мелких животных. Высокий уровень может обеспечиваться только интенсивным кровоснабжением органов и тканей, а следовательно, более быстрым режимом работы сердца. Частота сердечных сокращений резко усиливается при мышечной работе. У ныряющих млекопитающих, птиц и черепах во время ныряния наблюдается урежение сердечной деятельности.