Фази деполяризації потенціалу дії - аритмії серця (1)

Відео: Потенціал дії кардіоміоцитів

Фази деполяризації потенціалу дії

Електричний імпульс, що поширюється по серцю і запускає кожен цикл скорочень, називається потенціалом дії-він являє собою хвилю короткочасної деполяризації, під час якої внутрішньоклітинний потенціал по черзі в кожній клітині стає на короткий час позитивним, а потім повертається до свого вихідного негативного рівня. Зміни нормального серцевого потенціалу дії мають характерний розвиток в часі, яке для зручності поділені на наступні фази [3]: фаза 0 - початкова швидка деполяризація мембрани- фаза 1 - швидка, але неповна реполярізація- фаза 2 - «плато», або тривала деполяризація, характерна для потенціалу дії серцевих клітин фаза 3 - кінцева швидка реполярізація- фаза 4 - період діастоли.
При потенціалі дії внутрішньоклітинний потенціал стає позитивним, так як збуджена мембрана тимчасово набуває велику проникність для Na + (в порівнянні з К +), тому мембранний потенціал на якийсь час наближається за величиною до потенціалу рівноваги іонів натрію (ENa) - ЕNа можна визначити, використовуючи відношення Нернста- при позаклітинній і внутрішньоклітинній концентрації Na + 150 і 10 мМ відповідно він складе:

Відео: 1. Фаза систоли передсердя Pн - Pк і закриття передсердно - шлуночкового клапана Рк - Q

Однак підвищена проникність для Na + зберігається лише нетривалий час, так що мембранний потенціал не досягає ENa і після закінчення потенціалу дії повертається до рівня спокою.
Зазначені вище зміни проникності, що викликають розвиток фази деполяризації потенціалу дії, виникають внаслідок відкриття і закриття особливих мембранних каналів, або пір, через які легко проходять іони натрію. Як вважають, робота «воріт» регулює відкриття та закриття окремих каналів, які можуть існувати щонайменше в трьох конформаціях - «відкритою», «закритої» та «інактивованої». Одні ворота, відповідні активационной змінної «m»В описі Ходжкіна - Хакслі [13] іонних потоків натрію в мембрані гігантського аксона кальмара, швидко переміщаються, відкриваючи канал, коли мембрана раптово деполяризуется під дією стимулу. Інші ворота, відповідні інактіваціонной змінної «h»В описі Ходжкіна - Хакслі, при деполяризації рухаються повільніше, і їх функція полягає в закритті каналу (рис. 3.3). Як усталене розподіл воріт в межах системи каналів, так і швидкість їх переходу з одного положення в інше залежать від рівня мембранного потенціалу. Тому для опису мембранної провідності Na + використовуються терміни «залежний від часу» і «потенціалозавісімий».
Якщо мембрану в спокої раптово деполярізовать до рівня позитивного потенціалу (наприклад, в експерименті по фіксації потенціалу), то активаційні ворота швидко змінять своє положення, щоб відкрити натрієві канали, а потім інактіваціонние ворота повільно їх закриють (рис. 3.3). Слово «повільно» означає тут, що на інактивацію йде кілька мілісекунд, тоді як активація відбувається в частки мілісекунди. Ворота залишаються в зазначених положеннях до тих пір, поки мембранний потенціал знову не зміниться, і для того щоб все ворота повернулися до вихідного стану спокою, мембрана повинна бути повністю реполярізована до рівня високого негативного потенціалу. Якщо мембрана реполяризуется лише до невисокого рівня негативного потенціалу, то деякі інактіваціонние ворота залишаться закритими і максимальне число доступних натрієвих каналів, здатних відкритися при подальшій деполяризації, скоротиться [14]. (Електрична активність серцевих клітин, в яких натрієві канали повністю інактивовані, буде обговорюватися нижче.) Повна реполяризация мембрани в кінці нормального потенціалу дії забезпечує повернення всіх воріт до вихідного стану і, отже, їх готовність до наступного потенціалу дії.

Мал. 3.3. Схематичне зображення мембранних каналів для вхідних потоків іонів при потенціалі спокою, а також при активації і інактивації.
Зліва показана послідовність станів каналу при нормальному потенціалі спокою -90 мВ. У спокої інактіваціонние ворота як Na + -каналу (h), так і повільного Ca2 + / Na + -каналу (f) відкриті. Під час активації при порушенні клітини т-ворота Na + -каналу відкриваються і вхідний потік іонів Na + деполяризує клітку, що призводить до наростання потенціалу дії (графік внизу). Потім h-ворота закриваються, інактівіруя таким чином провідність Na +. При наростанні потенціалу дії мембранний потенціал перевищує більш позитивний поріг потенціалу повільних каналів-їх активаційні ворота (d) при цьому відкриваються і іони Ca2 + і Na + надходять в клітину, викликаючи розвиток фази плато потенціалу дії. Ворота f, инактивирующие Ca2 + / Na + -канали, закриваються набагато повільніше, ніж ворота h, які інактивують Na-канали. На центральному фрагменті показано поведінку каналу при зниженні потенціалу спокою до менш ніж -60 мВ. Більшість інактіваціонних воріт Na-каналу залишається закритим до тих пір, поки мембрана деполярізована- виникає при стимуляції клітини вхідний потік Na + занадто малий, щоб викликати розвиток потенціалу дії. Однак інактіваціонние ворота (f) повільних каналів при цьому не закриваються і, як показано на фрагменті праворуч, при достатньому порушенні клітини, що дозволяє відкрити повільні канали та пропустити повільно входять потоки іонів, можливо відповідь повільний розвиток потенціалу дії.

Відео: Чому серце не розривається?

Мал. 3.4. Граничний потенціал при порушенні серцевої клітини.
Зліва - потенціал дії, що виникає на рівні потенціалу спокою, що становить -90 МВ- це відбувається при порушенні клітини надходять імпульсом або яким-небудь підпороговим стимулом, швидко знижує мембранний потенціал до значень, що лежать нижче порогового рівня в - 65 мВ. Праворуч - ефекти двох підпорогових і порогового стимулів. Підпорогові стимули (а і б) не дають зниження мембранного потенціалу до порогового рівня-отже, потенціал дії не виникає. Граничний стимул (в) знижує мембранний потенціал точно до порогового рівня, на якому потім виникає потенціал дії [3].

Тривалий рефрактерний період після порушення серцевих клітин обумовлений великою тривалістю потенціалу дії і вольтажной залежністю механізму воріт натрієвих каналів. За фазою наростання потенціалу дії слід період тривалістю від сотні до декількох сотень мілісекунд, протягом якого регенеративний відповідь на повторний стимул відсутній (рис. 3.5). Це так званий абсолютний, або ефективний, рефрактерний період-зазвичай він охоплює плато (фаза 2) потенціалу дії. Як описано вище, натрієві канали інактивуються і залишаються закритими під час такої підтримуючої деполяризації. В ході реполяризації потенціалу дії (фаза 3) інактивація поступово усувається, так що частка каналів, здатних знову активуватися, постійно зростає. Отже, за допомогою стимулу на початку реполяризації можна викликати лише невеликий вхідний потік іонів натрію, проте у міру продовження реполяризації потенціалу дії такі потоки будуть збільшуватися. Якщо деякі з натрієвих каналів залишаються невозбудімості, то викликаний вхідний потік Na + може привести до регенеративної деполяризації і, отже, до виникнення потенціалу дії. Однак швидкість деполяризації, а значить, і швидкість поширення потенціалів дії значно знижені (див. Рис. 3.5) і нормалізуються тільки після повної реполяризації [17, 18]. Час, протягом якого повторний стимул здатний викликати такі «градуально» потенціали дії, називається відносним рефрактерним періодом. Вольтажная залежність усунення інактивації вивчалася Weidmann, що встановив, що швидкість підвищення потенціалу дії і можливий рівень, при якому цей потенціал викликається, знаходяться в S-образної залежності, відомої також як крива реактивності мембрани.
Низька швидкість наростання потенціалів дії, викликаних протягом відносного рефрактерного періоду, обумовлює їх повільне распространеніе- такі потенціали дії можуть послужити причиною деяких порушень проведення, наприклад затримки, загасання і блокування, і навіть здатні викликати циркуляцію збудження. Дані явища обговорюються нижче в цьому розділі.
У нормальних серцевих клітинах за вхідним натрієвих струмом, відповідальним за швидке наростання потенціалу дії, слід другий вхідний струм, менші за розміром і більш повільний, ніж натрієвий струм, який, мабуть, переноситься в основному іонами кальцію [19, 20]. Цей струм зазвичай відносять до «повільного входить току» (хоча він є таким тільки в порівнянні з швидким натрієвих струмом-інші важливі зміни, наприклад спостерігаються під час реполяризації, ймовірно, сповільнюються) - він протікає через канали, які відповідно до характеристиками їх провідності , що залежить від часу і вольтажу, були названі «повільними каналами» (див. рис. 3.3) [21]. Поріг активації цієї провідності (т. Е. Коли починають відкриватися активаційні ворота - d) лежить між -30 і -40 мВ (порівняйте: від -60 до -70 мВ для натрієвої провідності) [20]. Регенеративна деполяризація, обумовлена швидким натрієвих струмом, зазвичай активує провідність повільного вхідного струму, тому в більш пізній період наростання потенціалу дії струм тече по каналах обох типів. Однак струм Са2 + набагато менше максимального швидкого струму Na +, тому його внесок у потенціал дії дуже невеликий доти, поки швидкий струм Na + не стане досить інактивованих (т. Е. Після початкового швидкого наростання потенціалу). Оскільки повільний вхідний струм може инактивироваться лише дуже повільно, він вносить свій внесок в основному в фазу плато потенціалу дії. Так, рівень плато зміщується в бік деполяризації, коли градієнт електрохімічного потенціалу для Са2 + збільшується при підвищенні концентрації [Са2 +] 0- зниження [Са2 +] 0 викликає зміщення рівня плато в протилежну сторону [22, 23]. Однак в деяких випадках може відзначатися внесок кальцієвого струму в фазу наростання потенціалу дії. Наприклад, на кривій наростання потенціалу дії в міокардіальних волокнах шлуночка жаби іноді спостерігається вигин близько 0 мВ, в точці, де первісна швидка деполяризація поступається місцем більш повільної деполяризації, яка триває до піку овершута потенціалу дії. Як було показано, швидкість повільнішою деполяризації і величина овершута зростають з підвищенням [Са2 +] 0 [23, 24].
Крім різної залежно від мембранного потенціалу і часу, ці два типи провідності розрізняються і за своїми фармакологічними характеристиками. Так, струм через швидкі канали для Na + знижується під дією тетродотоксина (ТТХ) [25], тоді як повільний ток Са2 + не піддається впливу ТТХ [20], але посилюється під дією катехоламінів [26] і пригнічується іонами марганцю [27], а також деякими препаратами, такими як верапаміл та D-600 [28]. Звісно ж дуже ймовірним (принаймні в серце жаби), що велика частина кальцію, необхідного для активації білків, що сприяють кожному скорочення серця, потрапляє в клітину під час потенціалу дії через повільний канал для вхідного струму. У ссавців доступним додатковим джерелом Са2 + для серцевих клітин служать його запаси в саркоплазматическом ретикулуме.