Глава 1. Обзор литературы

В настоящее время моделированием сердечной активности занимается большое количество исследователей: биологов, биофизиков, физиков-теоретиков и математиков. Плодотворное сотрудничество учёных, работающих в различных областях знаний, позволило продвинуться в направлении понимания основных механизмов работы сердечных клеток и миокарда в целом. Физико-математическое моделирование в этой области исследований позволяет более четко объяснить многочисленные экспериментальные данные по изучению функции сердца.

1.1 Механизмы сокращения клеток сердечной мышцы

Сердечная мышца относится к возбудимым тканям, клетки которых в ответ на тот или иной раздражитель (электрический, химический, механический) могут генерировать электрические потенциалы действия – характерные изменения мембранного потенциала клетки, приводящие к ее возбуждению [1, 7]. Более того, некоторые виды клеток могут возбуждаться самопроизвольно. В основе механизма генерации потенциала действия клетками лежит изменение проницаемости мембран клеток для некоторых ионов (натрия, кальция, калия), активирующие ионные токи через специальные структуры клеточной мембраны — ионные каналы. Процессы, обеспечивающие сокращение клетки в ответ на электрическую стимуляцию объединяются понятием электромеханического сопряжения в сердечных клетках. Для мышечного сокращения необходимо повышение внутриклеточной концентрации Са²⁺ от уровня покоя (около 0.1 мкМ) до 1 мкМ [8].

Сердечные мышечные клетки (кардиомиоциты) включают в себя два основных типа по структуре и функциям: кардиомиоциты рабочего миокарда и клетки водителей сердечного ритма. Первый тип отвечает за механическое сокращение сердца, второй – за формирование устойчивого ритма сердечных сокращений [9].

Структура сердечной клетки является достаточно сложной [9, 10]: каждая клетка состоит из нескольких десятков повторяющихся сократительных единиц – саркомеров, длина которых около 2 мкм; поперечных трубочек (Т-трубочки, Т-тубулы), представляющих собой глубокие впячивания мембраны, опоясывают весь кардиомиоцит и локализуются у концов каждого саркомера. Сокращение саркомера обеспечивается мышечными волоконами (миофибриллами), расположенными вдоль саркомера и опоясанными сложной сетью внутриклеточных хранилищ ионов кальция, включающих продольный саркоплазматический ретикулум (СР), терминальные цистерны (ТЦ) (или люмен), примыкающие к мембране T-тубул (см. рис. 1.1б, рис. 1.3).

На мембране СР в местах контакта СР с Т-тубулами располагается группа специализированных Са²⁺-высвобождающих каналов, сопряженных с рианодиновыми рецептороами (RyR-каналы), через которые происходит высвобождение Са²⁺ из СР. Высвобождение носит триггерный характер, так как открытие RyR-каналов происходит в ответ на приток относительно небольшого количества Са²⁺ через ионные каналы, расположенных на мембране клетки –каналы L-типа или дигидропиридиновые рецепторы (см. рис.1.2, 1.3)[8, 10].

На мембране СР RyR-каналы образуют группы (кластеры), состоящие из нескольких сотен каналов. Существуют структуры, состоящие из кластера RyR-каналов вместе с несколькими L-каналами клеточной мембраны, люменом СР и диадным пространством между мембранами СР и примыкающими Т-тубулами. Данные структуры называются Са²⁺ высвобождающими единицами (Release Unit) (ВЕ, рис.1.2). В кардиомиоците насчитывается несколько десятков тысяч ВЕ; они формируют кальций-высвобождающую систему клетки (рис. 1.3).

В связи с тем, что высвобождение Са²⁺ из СР осуществляется через группы RyR-каналов, исследование их динамических свойств является важной задачей в изучении процессов электромеханического сопряжения.