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 Саа+ 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.