Введение

Биологический процесс в сердце

В отличие от потенциала действия в клетках скелетной мускулатуры, потенциал действия в сердце не инициируется нервной активностью. Вместо этого он возникает из группы специализированных клеток, известных как клетки водителя ритма, которые обладают способностью к автоматической генерации потенциала действия. В здоровом сердце эти клетки формируют водитель ритма сердца и находятся в синоатриальном узле в правом предсердии. Они производят примерно 60–100 потенциалов действия в минуту. Потенциал действия распространяется вдоль клеточной мембраны, вызывая сокращение клетки, поэтому активность синоатриального узла приводит к частоте сердечных сокращений в состоянии покоя примерно 60–100 ударов в минуту. Все клетки сердечной мышцы электрически связаны друг с другом посредством интеркалированных дисков, которые обеспечивают передачу потенциала действия от одной клетки к другой. Это означает, что все клетки предсердий могут сокращаться согласованно, а затем и все клетки желудочков. Зависимость потенциала действия от частоты является фундаментальным свойством клеток сердца, и изменения могут приводить к серьезным сердечным заболеваниям, включая сердечную аритмию и, в некоторых случаях, внезапную смерть. Активность потенциала действия в сердце можно зарегистрировать для получения электрокардиограммы (ЭКГ). ЭКГ представляет собой серию зубцов, направленных вверх и вниз (обозначенных P, Q, R, S и T), которые отражают деполяризацию (увеличение напряжения) и реполяризацию (уменьшение напряжения) потенциала действия в предсердиях и желудочках.

Обзор

+ Рисунок 1: Внутри- и внеклеточные концентрации ионов (ммоль/л) Элемент Ион Внеклеточное Внутриклеточное Соотношение Натрий Na+ 135 145 10 14:1 Калий K+ 3.5 5.0 155 1:30 Хлорид Cl− 95 110 10 20 4:1 Кальций Ca2+ 2 x 10−4 2 x 104:1 Хотя внутриклеточное содержание Ca2+ составляет около 2 мМ, большая его часть связана или секвестрирована во внутриклеточных органеллах (митохондриях и саркоплазматическом ретикулуме). Подобно скелетным мышцам, потенциал мембраны покоя (напряжение, когда клетка не находится в состоянии электрического возбуждения) вентрикулярных клеток составляет около −90 милливольт (мВ; 1 мВ = 0,001 В), то есть внутренняя сторона мембраны более отрицательна, чем наружная. Основными ионами, находящимися вне клетки в состоянии покоя, являются натрий (Na+) и хлорид (Cl−), а внутри клетки – преимущественно калий (K+). Потенциал действия начинается с того, что напряжение становится более положительным; этот процесс называется деполяризацией и в основном обусловлен открытием натриевых каналов, позволяющих Na+ поступать в клетку. После задержки (известной как абсолютный рефрактерный период) потенциал действия прекращается при открытии калиевых каналов, что позволяет K+ покинуть клетку и приводит к возвращению потенциала мембраны к отрицательному значению, этот процесс называется реполяризацией. Другим важным ионом является кальций (Ca2+), который можно обнаружить внутри клетки в саркоплазматическом ретикулуме (СР), где он хранится, а также вне клетки. Высвобождение Ca2+ из СР посредством процесса, называемого кальций-индуцированным высвобождением кальция, имеет решающее значение для фазы плато потенциала действия (см. фазу 2 ниже) и является фундаментальным этапом в возбуждении-сокращении сердца. Существуют важные физиологические различия между клетками водителя синоатриального узла, которые спонтанно генерируют потенциал действия сердца, и неводительскими клетками, которые просто проводят его, такими как желудочковые миоциты. Специфические различия в типах экспрессируемых ионных каналов и механизмах их активации приводят к различиям в конфигурации формы волны потенциала действия, как показано на рисунке 2.

Сердечная автоматичность

Сердечная автоматичность, также известная как авторитмичность, – это способность специализированных проводящих клеток сердечной мышцы генерировать спонтанные потенциалы действия. Автоматичность может быть нормальной или ненормальной, вызванной временными изменениями свойств ионных каналов, например, при приеме определенных лекарственных препаратов, или, в случае ненормальной автоматичности, изменениями в электротонической среде, вызванными, например, инфарктом миокарда.

Фазы

Стандартная модель, используемая для понимания потенциала действия сердца, основана на модели желудочкового миоцита. Ниже описаны пять фаз потенциала действия желудочкового миоцита, с параллельным рассмотрением потенциала действия синоатриального узла (SAN).

Фаза 4

В желудочковом миоците фаза 4 наступает, когда клетка находится в состоянии покоя, в период, известный как диастола. В стандартной непейсмейкерной клетке напряжение в течение этой фазы более или менее постоянно, примерно -90 мВ. В течение этой фазы мембрана наиболее проницаема для K+, который может перемещаться внутрь или наружу клетки через утечные каналы, включая внутренне-выпрямляющий калиевый канал. Следовательно, потенциал мембраны покоя в основном равен равновесному потенциалу K+ и может быть рассчитан с использованием уравнения напряжения Гольдмана-Ходжкина-Каца. Однако пейсмейкерные клетки никогда не находятся в состоянии покоя. В этих клетках фаза 4 также известна как потенциал пейсмейкера. Во время этой фазы потенциал мембраны медленно становится более положительным, пока не достигнет определенного значения (около -40 мВ; известного как пороговый потенциал) или пока не будет деполяризован другим потенциалом действия, приходящим из соседней клетки. Считается, что потенциал пейсмейкера обусловлен группой каналов, называемых HCN-каналами (гиперполяризационно-активированные циклические нуклеотидные каналы). Эти каналы открываются при очень отрицательных напряжениях (т.е. сразу после фазы 3 предыдущего потенциала действия; см. ниже) и позволяют пропускать как K+, так и Na+ внутрь клетки. Благодаря их необычному свойству активироваться очень отрицательными мембранными потенциалами, движение ионов через HCN-каналы называется «смешным током» (см. ниже).

Фаза 0

Эта фаза состоит из быстрого, положительного изменения напряжения на клеточной мембране (деполяризации), длящегося менее 2 мс в желудочковых клетках и 10–20 мс в SAN-клетках. Это происходит из-за чистого притока положительного заряда в клетку. В некардиостимуляторных клетках (т. е. в желудочковых клетках) это обусловлено преимущественно активацией Na+ каналов, что увеличивает мембранную проводимость (поток) Na+ (gNa). Эти каналы активируются, когда потенциал действия приходит от соседней клетки через щелевые контакты. Когда это происходит, напряжение внутри клетки незначительно возрастает. Если это возросшее напряжение достигает порогового потенциала (примерно −70 мВ), это вызывает открытие Na+ каналов. Это приводит к большему притоку натрия в клетку, быстро увеличивая напряжение до примерно +50 мВ. Наклон фазы 0 на форме потенциала действия (см. рисунок 2) представляет собой максимальную скорость изменения напряжения кардиостимуляторного потенциала действия и известен как dV/dtmax. Однако в кардиостимуляторных клетках (например, в клетках синоатриального узла) увеличение напряжения мембраны в основном обусловлено активацией кальциевых каналов L-типа. Эти каналы также активируются увеличением напряжения, но в данном случае это происходит либо из-за потенциала кардиостимулятора (фаза 4), либо из-за надвигающегося потенциала действия. Кальциевые каналы L-типа активируются медленнее, чем натриевые каналы, поэтому наклон деполяризации на форме потенциала действия кардиостимулятора менее крутой, чем на форме потенциала действия некардиостимуляторных клеток.

Фаза 1

Эта фаза начинается с быстрой инактивации натриевых каналов (Na+) внутренним механизмом (воротами инактивации), что уменьшает поступление натрия в клетку. Одновременно быстро открываются и закрываются калийные каналы (обозначаемые как Ito1), обеспечивая кратковременный выход ионов калия из клетки и делая мембранный потенциал немного более отрицательным. Это проявляется в виде "выемки" на графике потенциала действия. Ионные насосы, такие как натрий-кальциевый обменник и натрий-калиевый насос, о которых говорилось выше, восстанавливают ионные концентрации до исходного, сбалансированного состояния перед потенциалом действия. Это означает, что происходит выкачивание внутриклеточного кальция, который отвечал за сокращение кардиомиоцитов. После его потери сокращение прекращается, и сердечная мышца расслабляется. В синоатриальном узле эта фаза обусловлена закрытием кальциевых каналов L-типа, предотвращающим приток ионов Ca2+ внутрь, и открытием быстродействующих калийных каналов с задержкой реполяризации (IKr).

Огнеупорный период

У сердечных клеток есть два рефрактерных периода, первый – от начала фазы 0 до середины фазы 3; это известен как абсолютный рефрактерный период, в течение которого клетка не может генерировать другой потенциал действия. За ним сразу следует, до конца фазы 3, относительный рефрактерный период, в течение которого для генерации другого потенциала действия требуется более сильный, чем обычно, стимул. Эти два рефрактерных периода обусловлены изменениями в состоянии натриевых и калиевых каналов. Быстрая деполяризация клетки во время фазы 0 приводит к тому, что потенциал мембраны приближается к потенциалу равновесия натрия (то есть к потенциалу мембраны, при котором натрий перестает перемещаться внутрь или наружу клетки). По мере того как потенциал мембраны становится более положительным, натриевые каналы закрываются и блокируются, переходя в так называемое "инактивированное" состояние. В этом состоянии каналы не могут быть открыты независимо от силы возбуждающего стимула, что и обуславливает абсолютный рефрактерный период. Относительный рефрактерный период связан с утечкой ионов калия, которая делает потенциал мембраны более отрицательным (то есть гиперполяризует ее), что приводит к восстановлению натриевых каналов; открытие инактивационного механизма, но канал при этом остается закрытым. Поскольку часть напряженно-зависимых натриевых каналов восстановилась, а напряженно-зависимые калиевые каналы остаются открытыми, можно инициировать другой потенциал действия, если стимул сильнее того, который необходим для генерации потенциала действия в состоянии покоя мембраны.

Разрывные стыки

Разрывные соединения обеспечивают передачу потенциала действия от одной клетки к другой (их называют электрически связывающими соседние кардиомиоциты). Они состоят из белков семейства коннексинов, формирующих поры, через которые могут проходить ионы (включая Na+, Ca2+ и K+). Поскольку концентрация калия выше внутри клетки, преимущественно через них проходит калий. Это увеличение концентрации калия в соседней клетке вызывает небольшое повышение мембранного потенциала, активируя натриевые каналы и инициируя потенциал действия в этой клетке. (Быстрый, обусловленный химическим градиентом, выход Na+ через коннексон в момент пиковой деполяризации обеспечивает проведение деполяризации от клетки к клетке, а не калий.) Эти соединения обеспечивают быстрое распространение потенциала действия по всему сердцу и позволяют всем клеткам предсердий и желудочков сокращаться согласованно. Некоординированное сокращение сердечной мышцы лежит в основе аритмий и сердечной недостаточности.

Канал

+ Рисунок 3: Основные токи во время потенциала действия сердечной мышцы Ток (I) α-субъединица белка Ген α-субъединицы Фаза / роль Na+ INa NaV1.5 SCN5A 0 Ca2+ ICa(L) CaV1.2 CACNA1C 0,2 K+ Ito1 KV4.2/4.3 KCND2/KCND3 1, выемка K+ IKs KV7.1 KCNQ1 2,3 K+ IKr KV11.1 (hERG) KCNH2 3 K+ IK1 Kir2.1/2.2/2.3 KCNJ2/KCNJ12/KCNJ4 3,4 Na+, Ca2+ INaCa 3Na+ / 1Ca2+ транспортер NCX1 (SLC8A1) ионный гомеостаз Na+, K+ INaK 3Na+ / 2K+ АТФаза ATP1A ионный гомеостаз Ca2+ IpCa Ca2+ АТФаза ATP1B ионный гомеостаз

Ионные каналы – это белки, которые изменяют свою форму в ответ на различные стимулы, чтобы либо пропускать, либо блокировать перемещение определенных ионов через мембрану. Считается, что они селективно проницаемы. Стимулы, которые могут исходить как извне, так и изнутри клетки, могут включать связывание специфической молекулы с рецептором на канале (также известные как лиганд-зависимые ионные каналы) или изменение мембранного потенциала вокруг канала, регистрируемое сенсором (также известные как потенциал-зависимые ионные каналы), что может приводить к открытию или закрытию канала. Поры, формируемые ионным каналом, являются водными (заполненными водой) и позволяют иону быстро перемещаться через мембрану. Ионные каналы могут быть селективными к определенным ионам, таким как Na+, K+, Ca2+ и Cl-. Они также могут быть специфичными к определенному заряду ионов (то есть положительному или отрицательному). Каждый канал кодируется набором инструкций ДНК, которые указывают клетке, как его синтезировать. Эти инструкции называются геном. На рисунке 3 представлены важные ионные каналы, участвующие в потенциале действия сердца, ток (ионы), протекающий через каналы, их основные белковые субъединицы (строительные блоки канала), некоторые из генов, контролирующих их структуру, и фазы, активные во время потенциала действия сердца. Некоторые из наиболее важных ионных каналов, участвующих в потенциале действия сердца, кратко описаны ниже.

Канал HCN

Гиперполяризованные циклические нуклеотидные каналы (каналы HCN) расположены главным образом в клетках водителя ритма, эти каналы активируются при очень отрицательных мембранных потенциалах и обеспечивают прохождение как Na+, так и K+ в клетку (это движение известно как "смешной" ток, If). Эти малоселективные катионные (положительно заряженные ионы) каналы проводят больший ток при увеличении отрицательности мембранного потенциала (гиперполяризации). Активность этих каналов в клетках синусового узла вызывает медленную деполяризацию мембранного потенциала, поэтому считается, что они ответственны за формирование потенциала водителя ритма. Симпатические нервы оказывают прямое воздействие на эти каналы, что приводит к увеличению частоты сердечных сокращений (см. ниже).

Быстрый натриевый канал

Эти натриевые каналы зависят от напряжения, быстро открываясь при деполяризации мембраны, которая обычно происходит от соседних клеток через щелевые соединения. Они обеспечивают быстрый приток натрия в клетку, полностью деполяризуя мембрану и инициируя потенциал действия. По мере повышения потенциала мембраны эти каналы закрываются и блокируются (переходят в неактивное состояние). Благодаря быстрому притоку ионов натрия (крутой фаза 0 на кривой потенциала действия) активация и инактивация этих каналов происходят практически одновременно. В состоянии инактивации Na+ не может проходить через канал (абсолютный рефрактерный период). Однако они начинают восстанавливаться от инактивации, когда потенциал мембраны становится более отрицательным (относительный рефрактерный период).

Калийные каналы

Два основных типа калийных каналов в клетках сердца – это внутренние выпрямители и калийные каналы, активируемые напряжением. Внутренне выпрямляющие калийные каналы (Kir) облегчают поток K+ внутрь клетки. Однако этот приток калия больше, когда мембранный потенциал более отрицательный, чем равновесный потенциал для K+ (~ 90 мВ). По мере того, как мембранный потенциал становится более положительным (например, при стимуляции клетки соседней клеткой), поток калия внутрь клетки через Kir уменьшается. Таким образом, Kir отвечает за поддержание потенциала мембраны в состоянии покоя и инициирование фазы деполяризации. Однако, по мере дальнейшего повышения мембранного потенциала, канал начинает пропускать K+ из клетки. Этот выходной поток ионов калия при более положительных мембранных потенциалах означает, что Kir также может способствовать заключительным стадиям реполяризации. Калийные каналы, активируемые напряжением (Kv), активируются деполяризацией. Токи, генерируемые этими каналами, включают в себя преходящий выходящий калийный ток Ito1. Этот ток имеет два компонента. Оба компонента активируются быстро, но Ito, быстрый, инактивируется быстрее, чем Ito, медленный. Эти токи вносят вклад в раннюю фазу реполяризации (фаза 1) потенциала действия. Другой формой калийных каналов, активируемых напряжением, являются калийные каналы с замедленной ректификацией. Эти каналы проводят калийные токи, которые ответственны за фазу плато потенциала действия, и названы в зависимости от скорости их активации: медленно активирующие IKs, быстро активирующие IKr и ультрабыстро активирующие IKur.

Кальциевые каналы

В сердечной мышце существует два типа кальциевых каналов, активируемых напряжением: кальциевые каналы L-типа («L» – долговременные) и кальциевые каналы T-типа («T» – преходящие, то есть кратковременные). L-каналы более распространены и наиболее плотно расположены в мембране T-трубочек желудочковых клеток, в то время как T-каналы в основном находятся в клетках предсердий и клеток водителя ритма, но в меньшем количестве, чем L-каналы. Эти каналы по-разному реагируют на изменения напряжения на мембране: L-каналы активируются более положительными мембранными потенциалами, открываются медленнее и остаются открытыми дольше, чем T-каналы. Это означает, что T-каналы в большей степени способствуют деполяризации (фаза 0), а L-каналы – плато (фаза 2).

Система проводки

В системе проводимости сердца электрическая активность, возникающая в синоатриальном узле (SAN), распространяется через сеть Гис-Пуркинье – самый быстрый путь проведения импульса в сердце. Электрический сигнал движется от синоатриального узла, который стимулирует сокращение предсердий, к предсердно-желудочковому узлу (AVN), замедляющему проведение потенциала действия от предсердий к желудочкам. Эта задержка позволяет желудочкам полностью наполниться кровью перед сокращением. Затем сигнал проходит по пучку волокон, называемому пучком Гис, расположенному между желудочками, и далее в волокна Пуркинье в основании (верхушке) сердца, вызывая сокращение желудочков. Помимо SAN, AVN и волокна Пуркинье также обладают кардиостимуляторной активностью и способны спонтанно генерировать потенциал действия. Однако эти клетки обычно не деполяризуются самопроизвольно, поскольку выработка потенциала действия в SAN происходит быстрее. Это означает, что прежде чем AVN или волокна Пуркинье достигнут порогового потенциала для генерации потенциала действия, они деполяризуются надвигающимся импульсом от SAN. Этот процесс называется "подавлением ритма набегающим импульсом". Кардиостимуляторная активность этих клеток жизненно важна, поскольку в случае отказа SAN сердце сможет продолжать биться, хотя и с меньшей частотой (AVN = 40-60 ударов в минуту, волокна Пуркинье = 20-40 ударов в минуту). Эти кардиостимуляторы поддерживают жизнь пациента до прибытия бригады скорой помощи. Примером преждевременного сокращения желудочков является классический синдром "сердца атлета". Интенсивные тренировки спортсменов вызывают сердечную адаптацию, при которой частота сердечных сокращений SAN в состоянии покоя снижается (иногда до 40 ударов в минуту). Это может привести к атриовентрикулярной блокаде, при которой сигнал от SAN нарушается на пути к желудочкам. Это вызывает несогласованные сокращения предсердий и желудочков, без необходимой задержки между ними, и в тяжелых случаях может привести к внезапной смерти.

Регулирование автономной нервной системой

Скорость генерации потенциала действия в клетках водителя ритма подвергается влиянию, но не контролируется автономной нервной системой. Симпатическая нервная система (нервы, доминирующие во время реакции организма «бей или беги») увеличивает частоту сердечных сокращений (позитивная хронотропия), сокращая время, необходимое для генерации потенциала действия в синоатриальном узле (САУ). Нервы спинного мозга высвобождают молекулу норадреналина, которая связывается и активирует рецепторы на мембране клеток водителя ритма, называемые β1-адренорецепторами. Это активирует белок, называемый Gs-белком (s – стимулятор). Активация этого G-белка приводит к увеличению уровня цАМФ в клетке (через цАМФ-путь). цАМФ связывается с HCN-каналами (см. выше), увеличивая «смешной» ток и, следовательно, увеличивая скорость деполяризации во время потенциала водителя ритма. Повышенный цАМФ также увеличивает время открытия кальциевых каналов L-типа, увеличивая ток Ca2+ через канал и ускоряя фазу 0. Парасимпатическая нервная система (нервы, доминирующие в состоянии покоя и пищеварения) снижает частоту сердечных сокращений (отрицательная хронотропия), увеличивая время, необходимое для генерации потенциала действия в САУ. Нерв, называемый блуждающим нервом, который начинается в головном мозге и достигает синоатриального узла, высвобождает молекулу ацетилхолина (АХ), которая связывается с рецептором, расположенным на внешней стороне клетки водителя ритма, называемым М2-мускариновым рецептором. Это активирует Gi-белок (I – ингибитор), который состоит из 3 субъединиц (α, β и γ), которые при активации отделяются от рецептора. Субъединицы β и γ активируют специальный набор калиевых каналов, увеличивая поток калия из клетки и уменьшая мембранный потенциал, что означает, что клеткам водителя ритма требуется больше времени для достижения порогового значения. Gi-белок также ингибирует цАМФ-путь, тем самым уменьшая симпатические эффекты, вызванные спинномозговыми нервами.

Клиническое значение

Антиаритмические препараты используются для регуляции учащенного сердечного ритма. Другие лекарственные средства, влияющие на потенциал действия сердца, включают блокаторы натриевых каналов, бета-адреноблокаторы, блокаторы калийных каналов и блокаторы кальциевых каналов.