Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Потенциалы действия сердечной клетки

Потенциалы действия клеток ^различных участках сердца не одинаковы, а имеют различные характеристики, что является важным фактором в общем процессе воз­ буждения тканей сердца.

Некоторые клетки, входящие в специализированную проводящую систему, обла­дают способностью функционировать как водители ритма и спонтанно инициировать возникновение потенциала действия, в то время как обычные клетки мускулатуры сердца этой способностью не обладают (за исключением ряда необычных ситуаций). Основные электрические характеристики мембранного потенциала обычной клетки сердечной мускулатуры и клетки водителя ритма сердца представлены на рис. 3-2. Потенциалы действия этих типов клеток называются быстро нарастающими или мед­ ленно нарастающими потенциалами действия, соответственно.

Как показано в части А данного рисунка для быстро нарастающих потенциалов действия характерна быстрая деполяризация (фаза 0) со значительным всплеском ( overshoot — положительный заряд на внутренней мембране), быстрое снижение вы­ сокого потенциала (фаза 1), длинное плато (фаза 2) и реполяризация (фаза 3) до ста­ бильного, высокого (например, значительного отрицательного) мембранного потен­ циала покоя (фаза 4).

По сравнению со сказанным, медленно нарастающие потенциалы действия, как показано в части В рисунка, характеризуются медленной первоначальной фазой депо­ляризации, низкоамплитудным всплесксдо, более короткой и менее стабильной фазой плато и последующей реполяризацией до нестабильного медленно деполяризующего­ся потенциала покоя. Нестабильный потенциал покоя, отмечающийся в клетках во­ дителя ритма с медленно нарастающими потенциалами действия, обозначаются по- разному: как фаза 4 деполяризации, диастолическая деполяризация или потенциал водителя ритма.

Как указано в нижней части рис. 3-2, А, на протяжении большего времени раз­ вертывания потенциала действия, клетки находятся в абсолютно рефрактерном состо­янии, т. е. на этом этапе их невозможно стимулировать для образования нового потен­ циала действия. Ближе к концу потенциала действия мембрана становится относительно рефрактерной и может быть заново возбуждена стимулом более силь­ ным, чем в норме. Непосредственно вслед за потенциалом действия мембрана посте­пенно становится гипервозбудимой и, как говорят, переходит в уязвимый, супер­ нормальный период. Сходные изменения в возбудимости мембраны, возможно, имеют

 

 

 

место во время медленно нарастающих потенциалов действия, но они в настоящее вре­мя недостаточно полно описаны

Напомним, что мембранный потенциал любой клетки в конкретный момент зави­сит от относительной проницаемости мембраны клетки для конкретных ионов в дан­ный момент времени. Как и во всех возбудимых клетках, потенциалы действия карди-альиых клеток являются результатом изменений проницаемости клеточной мембраны для ионов, которые вызываются первоначальной деполяризацией. Схемы ChDhb рис. 3-2 показывают изменения в проницаемости мембраны для К⁺, Na ⁺ H Са²⁺, что ведет к возникновению различных фаз быстро и медленно нарастающих потенциалов действия.

Обратите внимание, что на протяжении фазы покоя мембраны обоих типов кле­ток более проницаемы для К*, чем для Na * и Са²*. Поэтому мембранные потенциалы близки к величине потенциала равновесия калия (-90 мВ) на протяжении этого пери­ода. В клетках водителей ритма считается, что, по крайней мере, три механизма вносят свой вклад в медленную деполяризацию мембраны, которая происходит в период диас­толы. Во-первых, отмечается постоянное снижение проницаемости мембраны для К⁺ во время фазы покоя и, во-вторых, слегка возрастает проницаемость для Na ⁺ Постепенное увеличение отношения величин проницаемости NaVK * приводит к медленному сдвигу мембранного потенциала от значения потенциала равновесия калия (~90мВ) в направ­лении величины потенциала равновесия натрия. В третьих, имеет место увеличение проницаемости мембраны для ионов кальция, что ведет к перемещению внутрь клетки положительно заряженных ионов и также вносит вклад в диастолическую деполяри­зацию¹.

Когда деполяризация мембранного потенциала достигает определенного порого­вого потенциала в клетке любого типа, запускаются значительные быстрые изменения проницаемости мембраны для конкретных ионов. Уже начавшись, указанные измене­ния проницаемости не могут остановиться, и они продолжаются до завершения про­цесса.

Характерная быстрая фаза подъема быстро нарастающего потенциала действия является следствием внезапного увеличения проницаемости мембраны для Na ⁺ . Это ведет к явлению, которое называется быстрым потоком внутрьклетканона натрия и заставляет быстро сдвинуться величину мембранного потенциала к цифре, характер­ной для потенциала равновесия натрия.

Как указано на участке С рис. 3-2, этот период очень высокой проницаемости для натрия кратковременен. Вслед за ним следует более медленно развивающееся увели­чение проницаемости мембраны для Са²⁺ и снижение проницаемости для К⁺ Также существует второе медленно развивающееся увеличение проницаемости для Na ⁺ , ко­торое, как считается, вызвано механизмом, отличным от того, который участвует в первоначальном быстром изменении проницаемости для Na ⁺ .

Эти более устойчивые изменения проницаемости (которые ведут к процессу, на­зываемому медленным потоком в клетку) пролонгируют этап деполяризации мемб­раны с образованием плато (фаза 2) сердечного потенциала действия Первоначаль­ный быстрый поток ионов в клетку не велик (или даже отсутствует) в тех клетках, которые обладают медленно нарастающим потенциалом действия. Поэтому медленная фаза подъема данных потенциалов действия, прежде всего, является результатом пе­ремещения в клетку ионов кальция

В обоих типах клеток мембрана реполяризуется (фаза 3) до уровня первоначаль­ного потенциала покоя, по мере того как проницаемость для К⁺увеличивается, а про­ницаемость для Са²⁺ и Na ⁺ возвращается к их низким значениям покоя Эти поздние изменения проницаемости приводят к процессу, называемому отсроченным пото­ком из клетки

В целом плавно нарастающие изменения проницаемости, которые ведут к образо­ванию потенциала действия, являются суммарным результатом изменений, происхо­дящих в каждом из многих отдельных ионных каналов плазматической мембраны одной

клетки. Экспериментальная методика, имевшая успех, под названием селективной бло­кады дала возможность изучить работу отдельных ионных каналов.

В соответствии с полученными результатами по этой методике теперь четко изве­ стно, что отдельный ионный канал в конкретный момент времени или закрыт, или открыт; не существует переходной ступени частичного открытия. Градации возмож­ ны лишь процента времени, в течение которого канал остается открытым, т.е. вероят­ ности того, что он будет открыт. В то время как канал может быть закрыт, в течение длительного промежутка времени, он редко бывает открыт дольше, чем на несколько миллисекунд однократно.

Таким образом, вероятность того, что канал будет открыт, зависит, как от часто­ ты, с которой он открывается, и от того, как долго он остается открытым после каж­ дого такого акта. Увеличение вероятности того, что ионный канал будет открыт (ак­ тивация канала), ведет к возрастанию общего времени открытия и увеличению общей проницаемости мембраны для данного иона.

Определенные виды каналов носят название элгктроуправляемых каналов (или управляемые напряжением каналы), поскольку вероятность того, будут ли они от­ крыты, определяется величиной мембранного потенциала. Другие разновидности ка­налов, называемые хемоуправляемыми (или каналы, управляемые рецепторами), акти­ вируются определенными нейротрансмиттерами или другими специфическими молекулами, способными передавать информацию. В табл. 3-1 перечислены некото­ рые из главных ионных потоков и типов каналов, участвующих в электрической актив­ ности сердечной клетки.

Некоторые из электроуправляемьгх каналов реагируют на внезапное появле­ ние, устойчивое изменение мембранного потенциала только коротким периодом ак­ тивации. В то же время изменения мембранного потенциала, протекающие медлен­ но, хотя и той же величины, могут оказаться вовсе неспособными активировать данные каналы. Для объяснения этого явления выдвинуто предположение, что дан­ ные каналы обладают двумя независимо работающими воротами — воротами ак­ тивации и воротами инактивации — оба варианта ворот должны быть открыты, чтобы канал в целом был открыт. Оба этих типа ворот реагируют на изменение мем­ бранного потенциала, но временные характеристики и их чувствительность к вели­ чине электрического напряжения у них различны.

Данные концепции представлены на рис. 3-3. В состоянии покоя при поляризации мембраны до примерно -80 мВ активация быстрого Na ⁺ канала отсутствует (или т-ворота закрыты), а инактивация имеет место (или b -ворота открыты) (рис. 3-3, А). При быстрой деполяризации мембраны до порогового уровня натриевые каналы значительно активиру­ются, обеспечивая быстрый вход внутрь клетки положительно заряженных ионов натрия, что приводит к дальнейшей деполяризации мембраны, и тем самым, запускает быстро нарастающий* потенциал действия, как показано на рис. 3-3, В. Это происходит, по­ скольку m -ворота реагируют на деполяризацию мембраны более быстрым открытием, чем h -ворота реагируют своим закрытием. Поэтому за быстрой деполяризацией до порогового уровня следует короткий, но резкий период активации натриевого канала, когда гп-ворота открыты, а h -ворота уже закрыты. Фактически фаза 0 быстро нарастающего сердечного потенциала действия свидетельствует о том, насколько быстро m -ворота могут открывать­ ся, в то время как фаза 1 может частично свидетельствоватьо периоде закрытия Ь-ворот.

Первоначальная деполяризация мембраны также вызывает активацию d -ворот с медленным открытием кальциевого канала. Это обеспечивает медленное поступление Са ⁺ внутрь клетки, что позволяет поддерживать деполяризацию в течение фазы плато потенциала действия (рис. 3-3, С). В конечном итоге происходит реполяризация вслед

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ствие отсроченной инактивации кальциевого канала (путем закрытия f -ворот) и от­ крытия калиевых каналов, которые не показаны на рис. 3-3. Факторы, регулирующие работу калиевых каналов (которые могут быть селективно заблокированы ионами тетраэтиламмония), остаются не до конца исследованными. Высокая внутриклеточ­ ная концентрация Са^а+ может обусловливать активацию калиевых каналов во время реполяризации. h -Ворота остаются закрытыми в течение всего остального периода потенциала действия, с успехом инактивируя натриевый канал и обеспечивая длитель­ ный рефрактерный период сердечных клеток, который продолжается до конца фазы 3. При реполяризации оба вида ворот натриевого канала возвращаются к своему ис­ ходному состоянию и с этого момента канал готов к реактивации с последующей депо­ ляризацией.

Медленно нарастающий потенциал действия, показанный в правой половине рис. 3-3, отличается от быстро нарастающего потенциала действия, прежде всего. отсутствием в начале его выраженной активации быстрого натриевого канала. Это является прямым следствием медленной деполяризации до порогового потенциала. Медленная деполяризация предоставляет инактивационным h -воротам время для зак­ рытия, даже если активационные m -ворота открываются (рис. 3-3, D ). Таким обра­ зом, при медленно нарастающем потенциале действия не сущ ествует первоначального периода когда преимущественно все натриевые каналы клетки одновременно откры­ ты Деполяризация за пределы порогового уровня происходт медленно и вызвана, преж­ де всего, вхождением Са-⁺ через медленные каналы (рис. 3-3, Е)

В то время как в клетках определенных зон сердца в качестве типичного варианта отмечаются быстрый тип потенциала действия, а в клетках других областей в норме мы видим медленный тип потенциала действия, важно знать, что все сердечные клетки теоретически способны обладать любым типом потенциала действия, который зависит от того, с какой быстротой они деполяризируются до порогового потенциала. Как мы увидим, быстрая деполяризация до порогового потенциала обычно происходит в клет­ке при возникновении потенциала действия на соседней клетке. Медленная деполяри­ зация до порогового уровня происходит, когда сама клетка спонтанно и постепенно утрачивает свою поляризацию покоя, что в норме возникает только в синоатриалыном ( SA ) узле. Хроническая умеренно выраженная деполяризация покоящейся мембраны (вызванная, например, высокой внеклеточной концентрацией К*) может инактивиро- вать быстрые каналы (путем закрытия h -ворот) без инактивации медленных кальцие­ вых каналов. При этих условиях все сердечные клетки будут обладать потенциалом действия медленного типа. Выраженная и длительная деполяризация в то же время может вызвать инактивацию как быстрых, так и медленных каналов и тем самым сде­ лать клетки сердечной мышцы неспособными к возбуждению.