Нормальна і аномальна електрична активність серцевих клітин - аритмії серця (1)
ГЛАВА 3. Нормальна і аномальна електрична активність серцевих клітин
Д. К. Гедсбі і Е. Л. Віт (D. С. Gadsby and A. L. Wit)
Поняття аритмії включає в себе будь-які аномалії частоти, регулярності або місця виникнення збудження, а також порушення проведення імпульсів, такі як зміна нормальної послідовності активації передсердь і шлуночків [1]. Таким чином, аритмія є результатом аномального виникнення збудження і (або) проведення [2]. Такі аномалії можуть бути наслідком незначних змін у функціонуванні механізмів, що обумовлюють генерування нормального трансмембранного потенціалу дії. З іншого боку, вони можуть бути викликані і більш істотними змінами, що приводять до появи електричної активності з характеристиками, абсолютно відмінними від норми.
Як обговорюється далі, порушення серцевого ритму і зміни проведення можуть бути обумовлені безліччю різних патологій. Однак в остаточному підсумку будь-яка аритмія і аномалії проведення є наслідком критичних змін електричної активності міокардіальних клітин. У цьому розділі ми розглянемо механізми, що лежать в основі нормальної активності серцевих клітин, а потім покажемо, яким чином захворювання може змінити цю активність аж до виникнення аритмії. Лікування специфічних типів порушення ритму, наприклад надшлуночкової тахікардії, фібриляції шлуночків і ішемічної аритмії, детально обговорюється в інших розділах книги.
Потенціал спокою і потенціал дії в нормальних передсердних і шлуночкових клітинах і в волокнах Пуркіньє
Нормальне регулярне скорочення серця супроводжується циклічними змінами мембранного потенціалу міокардіальних клітин. Застосування внутрішньоклітинних мікроелектродів дозволяє прямо визначити зміни мембранного потенціала- як було показано, при поширенні збудження по серцю вони варіюють по амплітуді і розвитку в часі [3]. Мікроелектродна техніка включає введення тонкого скляного капіляра в клітку, що дозволяє протягом тривалого часу безпосередньо реєструвати мембранний потенціал, т. Е. Різницю потенціалів між внутрішньоклітинної середовищем і позаклітинної рідиною. За допомогою мікроманіпулятора мікроелектрод просувається до тих пір, поки його кінчик (зазвичай менше 1 мкм в діаметрі) не пройде через клітинну мембрану. У той момент, коли кінчик мікроелектрода проходить з зовнішньої поверхні клітини всередину, раптово реєструється негативна різниця потенціалів з урахуванням ставлення до нейтрального електроду, вміщеної в позаклітинне рідина (рис. 3.1). Мікроелектродние дослідження зазвичай проводяться на ізольованих пучках міокардіальних волокон, поміщених в камеру і перфузіруемих теплим оксигенированную розчином. Потенціали дії в таких препаратах можуть бути викликані за допомогою пропускання коротких імпульсів струму через електроди, що знаходяться на поверхні волокна (див. Рис. 3.1). Однак за відсутності викликаних потенціалів дії внутрішня частина більшості міокардіальних клітин (за винятком клітин синусового та атріовентрикулярного вузлів, які будуть окремо обговорюватися нижче) залишається негативно зарядженої (80- 90 мВ) по відношенню до позаклітинного простору [3]. Цей трансмембранний потенціал, спостережуваний при відсутності електричного збудження, називається потенціалом спокою.
Мал. 3.1. Потенціал спокою і потенціал дії в серцевих клітинах. Вгорі - схематичне зображення клітини (гурток) і двох мікроелектродів. Фрагмент А - обидва мікроелектрода знаходяться в позаклітинному просторі і різниці потенціалів між ними немає-Б - кінчик одного мікроелектрода введений в клітку, що дозволяє реєструвати різницю потенціалів між внутрішнім простором клітини і позаклітинної средой- в даному випадку це потенціал спокою, рівний -90 МВ- В - фаза швидкої деполяризації потенціалу дії, що виникає при порушенні клітини `, на піку потенціалу дії клітина стає на + 30 мВ більш позитивною по відношенню до зовнішньої середовищі- Г - кінцева фаза реполяризації, під час якої мембранний потенціал повертається до рівня спокою (фрагмент Д ) [20].
Як і в багатьох інших збудливих клітинах [4], потенціал спокою серцевих клітин визначається головним чином градієнтом концентрації іонів калію щодо клітинної мембрани, тоді як швидка зміна потенціалу під час початку збудження залежить від градієнта концентрації іонів натрію [5, 6]. Градієнти концентрації мають протилежну спрямованість. Внутрішньоклітинна концентрація іонів калію, [К +] в приблизно в 30 разів вище позаклітинної, [К +] о. Наприклад, в волокнах Пуркіньє [К +] i і [К +] про зазвичай складають 140-150 мМ і 4-5 мМ відповідно [7]. Внутрішньоклітинна концентрація іонів натрію, [Na +] i, навпаки, значно нижче позаклітинної, [Na +] о- в волокнах Пуркіньє [Na +] i і [Na +] про рівні 10 мМ і 150 мМ відповідно [8]. Під час існування кожного потенціалу дії невелика кількість іонів натрію входить в клітку, а деяка кількість іонів калію виходить з неї. Як ми побачимо далі, нормальна електрична активність клітин залежить від існування таких високих градієнтів для Na + і К +, а тривале підтримання таких градієнтів - від механізму активного іонного транспорту, званого натрієвих насосом. Цей механізм добре ізучен- відомо, що насос є Мg2 + -АТФази (аденозінтріфосфатаза), що знаходиться в клітинній мембрані, і що він використовує енергію АТФ (аденозинтрифосфату) для переміщення іонів натрію за межі клітини, а іонів калію - всередину клітини. Такий рух іонів, безумовно, пов`язане з додатковою витратою енергії, оскільки воно природно утруднено як для калію, так і для натрію (т. Е. Проти відповідних градієнтів їх електрохімічного потенціалу). Однак потоки іонів, що переміщаються (під дією насоса) в двох напрямках, по мабуть, не рівновеликі: на кожен переміщений всередину клітини іон калію припадає більше одного іона натрію, виведеного за її межі [9]. Таким чином, натрієвий насос забезпечує чітке рух позитивного заряду назовні або, інакше кажучи, певну спрямованість генерується струму через клітинну мембрану. Виникає струм зазвичай дуже малий, але за певних умов він може внести істотний внесок у зміну мембранного потенціалу, що описано нижче.
потенціал спокою
Мал. 3.2. Розподіл іонів, що сприяє потенціалу спокою.
Показані типові концентрації іонів всередині і поза клітиною. У спокої клітинна мембрана добре проникна для іонів К +, але слабо проникна для іонів Na + і непроникна для великих аніонів (А-). Проникність для Сl- також відносно низька, і розподіл іонів Сl- швидше за все визначається середньою величиною мембранного потенціалу.
Як уже згадувалося, величина потенціалу спокою визначається головним чином градієнтом концентрації іонів калію. Це пов`язано з тим, що в спокої клітинна мембрана щодо проникна для іонів калію, але порівняно непроникна для інших іонів, таких як натрій, кальцій або хлор. З огляду на існування градієнта концентрації іони калію прагнуть дифундувати з клітини через мембрану. Електронейтральність не може підтримуватися за рахунок руху клітинних аніонів назовні, так як ці аніони в основному є великими полівалентними іонами (часто пов`язаними з клітинними білками), для яких клітинна мембрана непроникна [10]. Тому спрямоване назовні рух позитивно заряджених іонів калію призводить до виникнення негативного заряду усередині клітини (рис. 3.2). Якби клітинна мембрана була проникною тільки для іонів калію, то останні продовжували б дифундувати з клітини до тих пір, поки в ній чи не накопичився б достатній негативний заряд і електростатичне тяжіння стало б перешкоджати подальшому чіткому руху калію назовні. В цьому випадку спрямована всередину сила електричного поля буде точно рівною протилежноспрямованої (назовні) силі, пов`язаної з градієнтом концентрації, і іони калію перестануть чітко переміщатися назовні: алгебраїчна сума цих двох сил, звана градієнтом електрохімічного потенціалу, буде рівною нулю. Внутрішньоклітинний потенціал, при якому сумарний пасивний потік іонів калію дорівнює нулю, називається потенціалом рівноваги іонів калію (еk) - його величина визначається з рівняння Нернста [3-5]:
де R - газова постійна, Т - абсолютна температура, F - константа Фарадея, [К +] про та [К +] i - позаклітинна і внутрішньоклітинна концентрації відповідно (точніше Говорячи, замість відносини концентрацій використовується відношення іонної активності, але ці два відносини практично однакові, якщо коефіцієнти внутрішньої і зовнішньої активності іонів калію близькі за значенням). Наприклад, величина еk для волокна Пуркіньє при 36 ° С, коли [K +] про дорівнює 4 мМ, а [К +] i - 150 мМ, становить
Еk = RT / F • ln (4/150) = -96,6 мВ.
З рівняння Нернста видно, що еk зміниться на 61,4 мВ при 10-кратному зміні або [К +] о, або [К +] i ,. Якби клітинна мембрана була проникною виключно для До +, клітина вела б себе точно так само, як калієвий електрод, і її внутрішньоклітинний потенціал змінювався б зі зміною [К +] i і [К +] про в точній відповідності з рівнянням Нернста. Дійсно, мембранний потенціал волокон Пуркіньє в спокої, а також міокардіальних волокон передсердь і шлуночків логічно добре апроксимується рівнянням Нернста, коли [К +] про вище 10 мМ. Однак при більш низьких величинах [К +] про потенціал спокою цих клітин менш негативний, ніж калієвий потенціал рівноваги, і дана розбіжність збільшується в міру зменшення [К +] про [5, 11]. Наприклад, потенціал спокою волокон Пуркіньє в розчині, що містить 4 мМ К +, на кілька мілівольт менш негативний, ніж Ек, оцінений вище. Це пояснюється тим, що клітинна мембрана не є проникною виключно для K +, як передбачалося вище-через неї проникають також (хоча і значно гірше) іони Na +. Оскільки і електричний градієнт, і градієнт концентрації сприяють руху Na4 `всередину, через клітинну мембрану протікає невеликий вхідний Деполяризуючий потік іонів. Деполяризация, що викликається цим потоком Na +, занадто мала при високій [К +] про та, отже, високою провідності мембрани для калію, але вона стає значною при низькій [К +] о, так як в цих умовах протікають через мембрану потоки К + також істотно зменшуються.
Деполярізуется вплив Na + найзручніше позначати термінами рівняння «постійного поля» Гольдмана [12] або Ходжкіна і Катца [13] для потенціалу спокою (Vr) клітини, проникною як для До +, так і для Na +
де pna / pk - відношення коефіцієнтів проникності клітинної мембрани для натрію і для калію. Дане рівняння, як було показано, дозволяє досить точно розрахувати потенціали спокою в волокнах скелетних м`язів і в волокнах Пуркіньє (міокард) в більш широкому діапазоні величин [К +] о, ніж при розрахунках за формулою Нернста, якщо pna / pk постійно і становить приблизно 1/100. Так як [К +] i в нормі значно більше, ніж [Na +] i, в даному відношенні коефіцієнтів проникності другий член в знаменнику досить малий і ним можна знехтувати, що позвояетпоставити переписати рівняння таким чином:
або, якщо взяти [Na +] про рівним 150 мМ, то
З цього рівняння відразу видно, що потенціал спокою (Vr) близький до калієвому потенціалу рівноваги (еk) тільки при [К +] про значно більшу, ніж 1,5 мм-при низьких значеннях [К +] про другий член в чисельнику починає грати важливу роль. Наприклад, при [К +] 0, що дорівнює 1,5 мМ, Vr буде менш негативним, ніж еk, на 61,4 • log (3 / 1,5) = 61,4 • log 2, або приблизно на 18 мВ. Зауважте, що до сих пір обговорення велося тільки в термінах відносної проникності мембрани для іонів натрію і калію без розгляду абсолютних величин коефіцієнтів проникності. Як випливає з рівняння Гольдмана, а також Ходжкіна і Катца, потенціал спокою чутливий до ставлення проникності іонів, а не до самих величинам проникності. Наприклад, навіть якщо проникність для іонів Na + була б дуже значною, потенціал спокою визначався б головним чином градієнтом концентрації іонів К + до тих пір, поки проникність мембрани для До + залишалася б набагато вище, ніж для Na +. Канали мембрани, через які рухаються іони К +, створюючи калієві потоки, що визначають мембранний потенціал спокою, відомі як спрямовані досередини К-канали. Обсяг калієвих потоків, що проходять по цих каналах, знаходиться в чіткій залежності від величини і напрямки електрохімічної рушійної сили для K +, що дорівнює (Vm-еk), т. Е. Різниці мембранного потенціалу (Vm) і калієвого потенціалу рівноваги (еk). Ці канали називають «каналами, спрямованими всередину», так як вони дозволяють проходження спрямованих всередину великих потоків К + при високих і негативних значеннях Vm - еk, але забезпечують лише дуже невеликі потоки K +, спрямовані назовні, коли рушійна сила велика і позитивна [10, 11, 36].
Зміни рівня потенціалу спокою є основною причиною аритмії і порушень проведення, і ми вже могли бачити, як подібні зміни виникають при тих чи інших патологічних станах. Наприклад, захворювання серця може привести до змін внутрішньоклітинної та (або) позаклітинної концентрації іонів К +, що в свою чергу викличе зміна мембранного потенціалу спокою. В інших випадках характеристики клітинної мембрани можуть змінюватися таким чином, що відносна проникність мембрани для Na + або інших іонів (таких як Са2 +, зросте, в результаті чого потенціал спокою також зміниться. Нижче ми докладніше обговоримо ці можливі варіанти.
