3.Ионные механизмы генеза биопотенциалов кардиомиоцитов

Возбудимость, проводимость и автоматия миокарда обеспечи­ваются электрохимическими процессами, происходящими на плазматической мембране кардиомиоцитов (сарколемме). Важ­нейшим параметром, характеризующим эти процессы, является электрический заряд внутренней поверхности мембраны - мем­бранный потенциал. Мембранный потенциал кардиомиоцитов периодически изменяется (рис.2 ). В период времени между двумя электрическими импульсами возбуждения мембранный потенциал (так называемый максимальный диастолический по­тенциал) достигает в разных клетках миокарда от -50 до -95 мВ. В сократительных кардиомиоцитах весь этот период мембранный потенциал стабилен и называется поэтому потенциалом покоя.

Мембранные потенциалы клеток водителей ритма во время диастолы не стабильны. Поэтому для этих клеток термин «потен­циал покоя» не применяется. В момент возбуждения (генерации электрического импульса) регистрируется резкое колебание мем­бранного потенциала в сторону положительных величин (деполя­ризация), с последующим возвращением к уровню максимально­го диастолического потенциала. Этот электрический импульс на­зывается потенциалом действия.

Рис.2 . Ионные градиенты и транспорт ионов через плазматическую мембрану кардиомиоцита

в скобках - концентрации ионов, ммоль/л; сплошные стрелки - активный транспорт; пунктирные стрелки - пассивный транспорт; прямоугольники - ионные каналы; заштрихованные кружки - ионные насосы; светлый кружок – Na⁺/Ca²⁺- переносчик.

Величина мембранного потенциала в любой момент времени определяется трансмембранными токами ионов (в основном -

калия, натрия и кальция). Скорость движения ионов через сар­колемму зависит от функционирования мембранных белков-пе­реносчиков: ионных каналов и насосов (рис.2 ).

Через ионные каналы осуществляется облегченная диффузия ионов - пассивный транспорт, не требующий затрат энергии. Направление и скорость диффузии определяются величиной электрохимического градиента для данного иона (т. е. разностью его внутри- и внеклеточной концентраций и зарядом мембраны). Большинство каналов ионоселективны, т. е. преимущественно проницаемы для какого-либо одного вида ионов,

Движение ионов против электрохимического градиента (ак­тивный транспорт) осуществляется ионными насосами, которые сопряжены с мембранными ферментами (АТФ-азами). Послед­ние ускоряют гидролиз АТФ, а выделяющаяся при этом энергия расходуется на перенос ионов. Среди таких переносчиков наи­большую роль в кардиомиоцитах играют: K⁺/Na⁺ -насос (переносит ионы Na⁺ наружу клетки, а ионы К⁺ - внутрь) и Са²⁺-насос (вы­водит ионы Са²⁺ из кардиомиоцита). Основным результатом де­ятельности ионных насосов является создание и поддержание градиентов концентрации ионов по сторонам плазматической мембраны: снаружи значительно повышена концентрация ионов Na⁺ и Са^{2 +}, а внутри - ионов К⁺.

В межимпульсный период проницаемость мембраны кардиомиоцитов для ионов К⁺ значительно больше, чем для других ионов. Поэтому возникновение отрицательного диастолического потенциала определяется, в основном, пассивно выходящим из клетки током ионов калия. Другим током, участвующим в формировании диастолического потенциала кардиомиоцитов, явля­ется активный ток, непосредственно создаваемый K ⁺/Na⁺ -насосом. При работе этого насоса происходит неэквивалентный (электро­генный) обмен ионов: на каждые 2 иона К⁺, введенных в клетку, выводится 3 иона Na⁺. В результате возникает выходящий из клетки ток положительных зарядов - насосный ток, который увеличивает отрицательный внутриклеточный заряд. Доля на­сосного тока в формировании мембранного потенциала тем больше, чем больше электрическое сопротивление сарколеммы, и может составлять 25% и более (особенно в клетках Пуркинье). Активность K⁺ /Na⁺- АТФ-азы и величина насосного тока регули­руются концентрациями переносимых ионов, усиливаясь при увеличении внеклеточной концентрации ионов К⁺ и внутрикле­точной концентрации ионов Na⁺.

В клетках водителей ритма сердца диастолический потенциал нестабилен и самопроизвольно отклоняется от максимального от­рицательного уровня в сторону деполяризации. Этот феномен, называемый спонтанной (медленной) диастолической деполя­ризацией, свойственен всем проводящим кардиомиоцитам и яв­ляется основой их автоматии. Когда в результате спонтанной деполяризации мембранный потенциал достигает критического уровня (порогового потенциала), пейсмекер генерирует потен­циал действия. При развитии потенциала действия в одном кардиомиоците деполяризация распространяется на соседние невоз­бужденные клетки. В результате мембранный потенциал этих клеток достигает порогового уровня, и в них также возникает потенциал действия. Таким образом, распространение возбужде­ния по миокарду происходит согласно «принципу домино»: предыдущая клетка возбуждает последующую.

В норме с наибольшей скоростью спонтанная диастолическая деполяризация протекает в пейсмекерах синоатриального узла. Поэтому в этих клетках пороговый потенциал достигается наи­более быстро, что и обусловливает самую большую частоту ге­нерации потенциалов действия (60-80 в 1 мин). В изолированных кардиомиоцитах атриовентрикулярного соединения и проводя­щей системы желудочков (латентные пейсмекеры) спонтанная диастолическая деполяризация протекает с меньшей скоростью, а в сократительных кардиомиоцитах отсутствует. Таким образом, в норме перечисленные клетки возбуждаются не спонтанно, а лишь под влиянием импульсов, поступающих от синоатриального узла. Пусковыми стимулами для возбуждения кардиомиоцитов могут явиться и внешние электрические импульсы, получаемые от искусственных водителей ритма (кардиостимуляторов), а также механическое раздражение, например, сильный удар в область грудины при остановке сердца.

Основная роль в формировании потенциала действия кардиомиоцита принадлежит входящему в клетку току ионов Na ⁺ и (или) Са²⁺ . Сила этого тока регулируется потенциалзависимыми ионными каналами, которые при диастолическом уровне мембранного потенциала закрыты, а при деполяризации открываются (активируются). Когда деполяризация достигает величины порогового потенциала, количество активированных каналов становится достаточным для замыкания положительной обратной связи: «деполяризация - активация ионных каналов - усиление входящего тока - деполяризация». В результате возникает самоподдерживаемый, лавинообразный вход катионов в клетку, составляющий суть формирования потенциала действия. Описанный процесс приводит к сильной деполяризации мембраны, при которой каналы входящего тока инактивируются, т. е. закрываются и временно теряют способность к активации. Сила входящего тока при этом падает, а мембранный потенциал вследствие выхода из клетки ионов К⁺ возвращается к диастолическому уровню. В межимпульсный период каналы входящего тока вновь обретают способность к активации, а исходное распределение ионов по обе стороны сарколеммы восстанавливается за счет работы ионных насосов.

В 1975 г. американский электрофизиолог П. Крейнфилд предложил классифицировать кардиомиоциты по скорости развития фазы деполяризации потенциала действия на клетки с « медленным ответом» и клетки с «быстрым ответом». В сарколемме клеток первого типа представлены, в основном, «медленные» каналы входящего тока, которые характеризуются низкими скоростями активации и инактивации. Эти каналы проницаемы для ионов Са²⁺ и Na⁺ (в соотношении примерно 1000 : 1) и обозначаются как Ca ²⁺,Na ⁺- или просто Са ²⁺-каналы. В поверхностной мембране кардиомиоцитов с «быстрым ответом», кроме указанного вида каналов, находятся также «быстрые» натриевые каналы ,проницаемые исключительно для ионов Na⁺ и обладающие высокими скоростями активации и инактивации. Именно свойства ионных каналов входящего тока и определяют особенности формирования потенциала действия и электрофизиологические параметры «медленных» и «быстрых» кардиомиоцитов, сравнительная характеристика которых представлена в табл.1 .

Таблица 1

Основные типы кардиомиоцитов и их свойства

Морфофункциональная характеристика	Проводящие			Сократительные
	Р-клетки		Клетки Пуркинье
Основная локализация	СА-узел	АВ-соединение	Система Гиса-Пуркинье	Остальной миокард
Электрофизиологическая характеристика	С медленным ответом		С быстрым ответом
Максимальный диастолический потенциал	-60-…-50	-70…--60	-95…-90	-90…-80
Параметры потенциала действия:
Амплитуда (мВ)	60-70	70-80	100-120	100-120
Овершут (мВ)	0-10	5-15	20-30	20-30
Длительность (мс)	100-300	100-300	300-500	200-300*
Скорость нарастания фазы 0 (В/с)	1-10	5-20	500-1000	100-300
Скорость проведения (м/с)	До 0,05	0,1	1-4	0,1-0,5**
Собственная частота импульсации (имп/мин)	60-80	40-60	20-40	…***

* Длительность потенциала действия в предсердиях – 100-300 мс

** Скорость проведения в AN-зоне атриовентрикулярного соединения около 0,05 м/с, в пучке Гиса - меньше, чем в волокнах Пуркинье, в сократительных миоцитах предсердий - меньше, чем в желудочках.

*** Сократительные кардиомиоциты не обладают автоматией.

Клетки с «быстрым ответом». К этому типу относятся все сократительные кардиомиоциты, а также проводящие кардиомиоциты предсердий и некоторые элементы проводящей системы желудочков (волокна Пуркинье). Кроме высокой скорости деполяризации, указанные клетки характеризуются большой амплитудой потенциала действия, а также высокой скоростью и надежностью проведения возбуждения. Максимальный диастолический потенциал в этих кардиомиоцитах составляет около -90 мВ, а процесс формирования потенциала действия складыва­ется из следующих пяти фаз (рис.3,б ):

Фаза 0 - быстрая деполяризация - протекает со скоростью, достигающей 1000 В/с (в клетках Пуркинье), и обеспечивается, в основном, входящим током ионов Na⁺. Необходимое количество «быстрых» Na⁺ -каналов активируется при деполяризации мембра­ны до пороговой величины, составляющей около -60 мВ. Когда мембранный потенциал достигает примерно -40 мВ, начинают ак­тивироваться «медленные» Са²⁺-каналы, и к натриевому току до­бавляется входящий кальциевый ток, вклад которого становится значимым только в формировании положительных значений мембранного потенциала - «овершута». На протяжении всей фазы 0

регистрируется также выходящий ток ионов К⁺, однако сила этого тока мала, по сравнению с натриевым током, так как проницаемость мембраны для ионов К⁺ в эту фазу значительно меньше, чем для Na⁺, а клетка большую часть времени заряжена внутри отрицательно.

Фаза 1 - начальная быстрая реполяризация. Когда величина мембранного потенциала достигает примерно + 20 мВ, натриевые каналы быстро инактивируются, и вход ионов Na⁺ в клетку пре­кращается. Входящий ток Са2+ при этом сохраняется, так как «медленные» Са ²⁺-каналы инактивируются позже. В то же время реверсия мембранного потенциала вызывает заметное усиление выходящего тока К⁺ (в частности, из-за активации потенциалзависимых калиевых каналов). Интенсивный выход ионов К⁺ на фоне относительно небольшого входящего тока Са²⁺ приводит к уменьшению положительного заряда внутри клетки. В клетках волокон Пуркинье в эту фазу происходит также кратковременная активация потенциалзависимых хлорных каналов, через которые анионы Сl^- поступают в клетку, что ускоряет реполяризацию.

Фаза 2 - медленная реполяризация (фаза «плато»). Характе­ризуется примерным равновесием между выходящим током ионов К⁺ и входящим током ионов Са²⁺ , что обеспечивает отно­сительную стабилизацию мембранного потенциала. Фаза «плато» является наиболее значимой для сократительных кардиомиоцитов, так как входящие в это время в цитоплазму ионы Са²⁺ ини­циируют процесс сокращения. Кроме того, от длительности фазы «плато» зависит продолжительность периода рефрактерности.

Фаза 3 - конечная быстрая реполяризация. Примерно через 200 мс после начала потенциала действия Са ²⁺-каналы практически полностью инактивируются, а вход ионов Са²⁺ в кардиомиоцит прекращается. Продолжающийся выход ионов К⁺ обеспечивает возвращение мембранного потенциала к максимальному диастолическому уровню.

Фаза 4 - покой (в сократительных кардиомиоцитах) или спон­танная диастолическая деполяризация (в клетках Пуркинье).

Таблица 2

Сравнительная характеристика кардиомиоцитов с «быстрым» и «медленным ответом»

Параметр	Клетки с быстрым ответом	Клетки с медленным ответом
Расположение в сердце	Сократительные кардиомиоциты и проводящие волокна предсердий и же­лудочков	СА-узел, АВ-соединение; коронарный синус и кла­паны
Параметр	Клетки с быстрым ответом	Клетки с медленным ответом
СДД и автоматия (фаза 4)	Есть только у клеток Пуркинье	Есть
«Быстрые» Na+-каналы	Есть	Нет
«Медленные» Са2+-каналы	Есть	Есть
Пороговый потенциал (мВ)	-70.. .-60	-50.. .-40
Основной ионный ток фа­зы 0, его блокатор, скорость активации и инак­тивации	Na+ Лидокаин Высокая	Са2+ Верапамил Низкая
Сравнительные значения МДП и параметров ПД (ско­рость нарастания Фазы 0, амплитуда, скорость и на­дежность проведения)	Высокие	Низкие
Продолжительность реф­рактерного периода	Примерно равна длитель­ности ПД	Превышает длительность ПД на 100 мс и более

Клетки с «медленным ответом» представлены, в ос­новном, проводящими кардиомиоцитами синоатриального узла и атриовентрикулярного соединения. Для этого типа кардиомиоцитов, по сравнению с «быстрыми» клетками (табл.2 ), характер­ны меньшая величина максимального диастолического потен­циала (МДП) (около -60 мВ), а также меньшая амплитуда потенциала дей­ствия (ПД) и скорость его распространения. Фазы де- и реполяризации потенциала действия «медленных» клеток протекают более плав­но, чем в «быстрых» (рис.3,а ).

Фаза 0 - быстрая деполяризация - характеризуется неболь­шой по сравнению с «быстрыми» клетками скоростью (до 20 В/с) и обеспечивается входящим током ионов Са²⁺ . Пороговый по­тенциал, при котором активируется достаточное для обеспече­ния этого тока количество «медленных» Са ²⁺-каналов, примерно равен -40 мВ.

Фазы 2 и 3 - реполяризация. По сравнению с «быстрыми» клетками фаза I (начальная быстрая реполяризация) отсутствует, вершина потенциала действия и фаза реполяризации сглажены, «плато» не выражено и четкой границы между фазами 2 и 3 нет. Величина мембранного потенциала в фазу реполяризации опре­деляется соотношением между выходящим током ионов К⁺ и вхо­дящим током ионов Са²⁺ на фоне медленной инактивации Са²⁺-каналов. Завершается реполяризация достижением уровня мак­симального диастолического потенциала.

Фаза 4 - спонтанная диастолическая деполяризация. В ис­тинных пейсмекерах в результате этого процесса мембранный потенциал достигает порогового уровня, фаза 4 плавно переходит в фазу 0 очередного потенциала действия, и цикл повторяется. В латентных пейсмекерах спонтанная диастолическая деполяри­зация прерывается импульсом, приходящим от синоатриального узла, что обусловливает скачкообразный переход фазы 4 в фазу 0 следующего цикла. Спонтанная диастолическая деполяризация и, следовательно, автоматия характерны для всех клеток с «мед­ленным ответом», в то время как среди «быстрых» клеток этим свойством в норме обладают лишь клетки Пуркинье. Вместе с тем, в условиях повреждения сократительные кардиомиоциты также могут самовозбуждаться и генерировать электрические импульсы, что является одной из причин возникновения экстрасистолии и других нарушений ритма сердца.

Рис.3 . Потенциалы действия кардиомиоцитов

По оси ординат - мембранный потенциал (мВ); по оси абсцисс - время (мс), П -пороговый потенциал (критический уровень деполяризации).

А-клетки-пейсмекеры синоатриального узла («медленные» клетки): 0 - быстрая деполяризация; 2-3 - реполяризация; 4 - медленная (спонтанная) диа-столическая деполяризация. МДП - максимальный диастолический потенциал.

б - сократительные кардиомиоциты желудочков («быстрые» клетки); 0- быстрая деполяризация; 1 - начальная быстрая реполяризация; 2 - медленная реполяризация; 3 - конечная быстрая реполяризация; 4 - покой. ПП - потен­циал покоя; ПД - амплитуда потенциала действия; Р - реверсия мембранного потенциала. ∆t- время проведения возбуждения от синоатриального узла к же­лудочкам.

Ионные механизмы спонтанной диастолической деполяризации окончательно не установлены. В разных клетках-пейсмекерах она может быть вы­звана повышением проницаемости для ионов Na⁺ (или Са²⁺ ) и усилением входящего в клетку тока этих ионов или (и) сниже­нием проницаемости для ионов К⁺ и уменьшением соответству­ющего выходящего тока.