Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита

Потенциал действия мышечной клетки сердца отличается от потенциала действия нервного волокна и клетки скелетной мышцы прежде всего длительностью возбуждения - деполяризации (рис).

 

 

Рис.. Потенциал действия кардиомиоцита

Если длительность ПД аксона составляет 1 мс, клетки скелетной мышцы 2 - 3 мс, то длительность потенциала действия клетки сократительного миокрада желудочка и сердца составляет 250 - 300 мс. Это позволяет осуществить синхронное возбуждение и сокращение структур сердца для обеспечения выброса крови.

Такие особенности ПД кардиомиоцита обеспечиваются распределением ионов внутри и снаружи клетки (рис.).

 

Рис.. Распределение концентрации ионов внутри и снаружи

кардиомиоцита позвоночных (ммоль/л).

Показаны К⁺- Na⁺- и Са²⁺- насосы, поддерживающие концентрации

ионов на указанных уровнях; горизонтальными стрелками указаны

направления пассивных потоков ионов при открытом состоянии

соответствующих каналов, вертикальными - направление

активного переноса ионов

Распределение ионов К⁺ и Na⁺ в кардиомиоцитах близко к распределению этих ионов в скелетной мышце. Однако в кардиомиоците при формировании ПД и в процессе сокращения существенную роль играют и ионы Са²⁺. Их концентрация снаружи клетки составляет около 2 ммоль/л, но внутри клетки концентрация свободных ионов Са²⁺ очень мала: 10^-4 ммоль/л. При сокращении концентрация свободных ионов Са²⁺ внутри клетки может возрастать до 10^-8 ммоль/л, но в фазе реполяризации избыток этих ионов удаляется из клетки.

Ионные насосы миокардиальных клеток. Сохранение ионного балланса в кардиомиоцитах обеспечивают К⁺- Na⁺- и Са²⁺-насосы, активно перекачивающие ионы Na⁺ и Са²⁺ наружу, а ионы К⁺ - внутрь клетки. Работу этих насосов обеспечивают ферменты К⁺- Na⁺- АТФаза и Са²⁺-АТФаза, находящиеся в сарколемме миокардиальных клеток.

Плотность молекул К⁺- Na⁺-нacoca в мембране, оцениваемая по специфическому связыванию [³Н] - оуабаина, составляет около 1000 на 1 мкм², то есть 10¹¹ насосов на см². Число циклов насоса оценивается ≈ 20 в секунду. Тогда на 1 см² за одну секунду происходят 2 • 10¹² циклов насосов. Так как за каждый цикл насос переносит 3 иона Na⁺, то всего переносится 6 • 10¹² ионов за 1 с на 1 см². Разделив этот результат на число Авогадро (6,02 • 10²³ моль^-1), получаем 10 • 10 ¹² моль/см² • с, то есть по расчету через 1 см² за 1 с насос перекачивает 10 пмоль ионов Na.

В покое проницаемость мембраны для ионов Na⁺ и Са²⁺ весьма мала: P_Na/ Р_к = 0,05; отношение Р_Са/ Р_к также мало, мала и концентрация ионов Са²⁺ вне клетки. Поэтому потенциал покоя, как и в нервных волокнах, определяется в основном разностью концентраций ионов К⁺ по обе стороны клеточной мембраны.

Потенциал действия клетки миокарда имеет три характерные фазы: деполяризация (I), плато (II) и реполяризация (III).

I фаза — деполяризация, как и в аксоне, определяется резким ростом проницаемости мембраны для ионов натрия: Р_к :P_Na = 1: 20 в момент превышения φ_м порогового значения при возбуждении. Порог активации натриевых каналов примерно -60 мВ, а время жизни 1 - 2 мс и может доходить до 6 мс.

II фаза - плато - характерна медленным спадом φ_м от пикового значения (= + 30 мВ) до нуля. В этой фазе одновременно работают два типа каналов - медленные кальциевые каналы и калиевые каналы.

Кальциевые каналы имеют порог активации около -30 мВ, а время их жизни примерно 200 мс. В результате открывания кальциевых каналов возникает деполяризующий медленный входящий в клетку кальциевый ток:

I_Ca=g_Ca(φ_M – φ_Ca),

где g_Ca - проводимость мембраны для ионов Са²⁺.

Этот ток обеспечивается пассивным переносом в соответствии с градиентом электрохимического потенциала для ионов Са²⁺ (рис.).

Равновесный кальциевый потенциал по уравнению Нернста:

Одновременно с ростом кальциевого тока растет проводимость для ионов калия g_K, что приводит к возникновению вытекающего калиевого тока, ре поляризующего мембрану.

Во II фазе g_ca уменьшается, a g_K увеличивается (см. рис. 4.9), происходит постепенное выравнивание текущих навстречу друг другу токов, а потенциал мембраны φ_м понижается почти до нуля. Для II фазы характерно, что суммарный ток мембраны I стремится к 0.

 

Рис.. Изменение проводимостей для ионов Na⁺, Ca²⁺, К⁺ при возбуждении каридомиоцита

III фаза — реполяризация - характеризуется закрытием кальциевых каналов, ростом величины g_K и усилением выходящего тока К⁺.

Для кальциевого канала, так же как и для натриевого, предполагается существование активирующих и инактивирующих частиц, состояние которых описывается не­которыми параметрами d и f соответственно. Тогда проводимость канала g_Ca в уравнении:

g_Ca= g_Ca∙d∙f,

где g_Ca — максимальная проводимость открытого кальциевого канала.

Процессы возбуждения кардиомиоцита изучаются с помощью ряда специальных методов.Один из них - это метод блокаторов (антагонистов) ионов кальция. Были найдены специфические блокаторы кальциевого тока в миоците: препараты Д-600, верапамил, катионы металлов La³⁺, Mn²⁺ и некоторые другие. Эти вещества прекращают доступ кальция внутрь клетки и тем самым изменяют величину, и форму потенциала действия. Интересно отметить, что кальциевые каналы не блокируются тетродотоксином (блокатором ионов Na⁺), что дает основание допускать существование в кардиомиоцитах отдельных кальциевых каналов.

Второй метод - люминесцентный анализ. Он позволяет регистрировать в эксперименте перенос ионов кальция с помощью, белка экворина, получаемого из светящихся медуз. Особенность этого белка заключается в том, что, обладая высоким сродством к ионам Са²⁺, он люминесцирует в их присутствии. Экворин S вводится в препарат сердечной мышцы, и с помощью специальной оптической аппаратуры регистрируется изменение интенсивности свечения во времени. Полученные результаты пoзволяют описать процессы переноса ионов кальция при генерации потенциала действия в мышце сердца.

Распределение ионов кальция по сердечной мышце в норме и патологии изучается с помощью метода радионуклидной диагностики. Для этого используют радиоактивный изотоп кальция – Ca²⁺, β - излучение которого регистрируется сканерами.

БИОФИЗИКА КЛЕТОК И ОРГАНОВ