Мембранна теорія біоелектричних явищ - електрокардіографічна діагностика

Електрофізіологічних ОСНОВИ ЕЛЕКТРОКАРДІОГРАФІЇ
Клінічна електрокардіографія ставить своїм завданням вивчення зв`язку між електрофізіологіческіх- і клініко-анатомічним станом серцевого м`яза. Додатково до інших методів клінічного дослідження електрокардіографія дозволяє отримати інформацію, корисну для клінічної діагностики. Таке завдання вимагає, з одного боку, знання суті електрофізіології серця, а з іншого - знайомства в кожному окремому випадку з клінічною картиною хвороби. Вивчення взаємозв`язку між електрофізіологією і функціональним, а також клініко-анатомічним станом серця і складає предмет електрокардіографічної Діагностики.
За 60 років існування електрокардіографічного методу дослідження теоретичні проблеми, що стосуються питання походження зубців і інтервалів, вилилися в дві основні концепції: 1) мембранна теорія біоелектричних явищ- 2) концепція серцевого диполя.
Ще в кінці минулого століття (1896) Ю. В. Чаговця була сформульована фізико-хімічна теорія природи біоелектричних явищ. Спираючись на теорію електролітичноїдисоціації Аррениуса, автор розробив теорію, згідно з якою спостерігаються в живій тканині електричні струми є дифузійними, що виникають унаслідок іонних зрушень. Різна концентрація позитивно і негативно заряджених іонів в різних ділянках тканини, що створює в результаті поява різниці потенціалів, обумовлюється різною рухливістю іонів. які виникають під час зміни обміну речовин (аніонів і катіонів).
Мембранна теорія Bernstein (1912) з`явилася подальшим розвитком ідей Ю. В. Чаговця. Про пріоритет Ю. В. Чаговця в застосуванні физикохимической теорії походження біоелектричних явищ повідомляє в своєму керівництві англійський фізіолог Starling (1931).
МЕМБРАННА ТЕОРІЯ Біоелектричні дія
Теорія виникнення біоелектричних явищ, розроблена Bernstein (1912), полягає в наступному. Спочиваюча клітинна мембрана уздовж внутрішньої поверхні накопичує негативні іони, а позитивні іони - уздовж зовнішньої поверхні. Кожен позитивний заряд спарений і урівноважений своїм антагоністом - негативним зарядом. пара

зарядів, максимально близьких один до одного, але що володіють протилежним знаком, утворює дуплет або електричний диполь.
Спочиваюча клітинна мембрана з її подвійним шаром зарядів, або диполів, знаходиться в фазі поляризації (рис. 9, а). Чутливий гальванометр, приєднаний до електродів, що лежить на поверхні спочиває клітини, не реагує внаслідок наявності високого опору клітинної мембрани.

Мал. 9. Схема електричної активності ізольованого м`язового волокна (пояснення в тексті).
Якщо прикласти імпульс збудження до якої-небудь точці клітинної мембрани, то в цій точці опір клітинної мембрани зменшується і настає обмін зарядів: позитивні заряду диполя дифундують всередину клітини і нейтралізують свій негативний компонент - настає фаза деполяризації (рис. 9, б). Цей процес послідовно поширюється на поверхні живої клітини і таким чином виникає рух зарядів від позитивного до негативного, подібно до того як від позитивного полюса електричної батареї струм тече до негативного полюса. На поверхні ізольованого м`язового волокна відбувається кількісний перехід від потенціалу * з більш високим рівнем до потенціалу з більш низьким рівнем. Сила, під впливом якої відбувається обмін електролітів, іменується електрорушійної силою.
Зазвичай позначається початковими буквами ЕДС- остання являє собою різницю потенціалів між двома зарядами диполя. Як ми вказували, локальна деполяризація призводить до деполяризації сусідньої ділянки поляризованої мембрани, яка в свою чергу створює умови для деполяризації іншого ділянки-так відбувається до тих пір, поки імпульс збудження не охопить всю клітку і далі весь клітинний комплекс (рис. 9в). Під час деполяризації мембранний струм тече на поверхні клітини таким чином, що позитивні компоненти диполя залишають авангард фронту руху зарядів (див. Рис. 9, б). Позитивні компоненти диполя повертаються всередину клітини, але вже позаду фронту, де змінюють негативні заряди на позитивні. Таким чином, виходить ніби рухома дипольная система. При русі процесу деполяризації на поверхні мембрани позитивний полюс орієнтований в напрямку покоїться ділянки мембрани, а негативний - в напрямку вже деполяризованого ділянки. На кордоні між негативними і позитивними полюсами диполя проходить так звана нульова лінія, по якій відбувається взаємна нейтралізація зарядів (рис. 9, г). Тут різниця потенціалів відсутня, т. Е. Є нульовий потенціал.

* У біологічній літературі часто застосовують позначення «потенціал» замість «різниця потенціалів». Слід підкреслити, що всюди, де йдеться про потенціалах, мається на увазі різниця потенціалів між двома точками.

Максимальна взаємодія між компонентами диполя відбувається по лінії їх сполуки, по так званій дипольної осі (рис. 9, г). Точка перетину лінії нульового потенціалу і дипольної осі називається дипольним центром, який розділяє два однакових, але протилежних заряду (рис. 9, г). Момент повної деполяризації всієї м`язової клітини характеризується тим, що внутрішньоклітинного середовища повністю змінила негативний заряд на позитивний, а поверхня мембрани, навпаки, з раніше позитивної стала негативною (рис. 9, в). Цей період характеризується відсутністю різниці потенціалів і передує фазі реполяризації, яка починається на тій же ділянці, де вперше почався процес деполяризації, але з тією різницею, що під час реполяризації мембранний струм має рух абсолютно протилежне, а саме в своєму русі негативні заряди диполів йдуть попереду позитивних (рис. 9, д). Процес реполяризації просувається по поверхні деполяризованої клітини таким чином, що внутрішньоклітинна середовище стає негативною, а зовнішня п`ятниця - позитивної. Із закінченням фази реполяризації також виникає нульовий потенціал і знову повертається початковий стан поляризації клітини (рис. 9, е).
Таким чином, м`язове волокно (рис. 9, ж) може бути повністю поляризоване (1) або ж повністю (5) або частково (2) деполяризованого. У перших двох випадках різниця потенціалів зникає.
трансмембранний потенціал. З удосконаленням мікроелектродів стало можливим вимірювання різниці потенціалів між вістрям електрода, поміщеним усередину клітини, і електродом, що лежить на її поверхні поблизу першого. Вимірювання можна проводити як під час фази «спокою» м`язового волокна, так і під час її порушення. Отримані при цьому дві величини визначають відповідно «трансмембранний потенціал спокою» і «трансмембранний потенціал дії». Коли обидва мікроелектрода знаходяться на поверхні спочиває клітини, світловий промінь осцилографа записує нульову лінію (рис. 10А). Якщо ж одним з електродів проколоти клітинну мембрану, то в момент проколу виникає різке зміщення променя иа екрані осцилографа донизу від нульової лінії, виявляючи при цьому потенціал «спокою» клітини близько 90 мв. Якщо ж вістря мікроелектрода проколює клітку наскрізь і виходить з протилежного боку, то промінь осцилографа знову повертається у вихідне нульове положення. Різниця в положенні променя до і після введення мікроелектрода всередину клітини визначає величину різниці потенціалів між внутрішнім і зовнішнім середовищем клітини, так званий трансмембранний потенціал спокою клітини. Якщо ж при цих умовах піддати м`язове волокно подразнення, то в результаті активності волокна виникає швидке пікоподібне коливання, котре піднімалося приблизно на +30 мв над нульовою лініей- за пікоподібним коливанням слід плато і спадний коливання. Це звернене в одну сторону (монофазні) коливання являє собою трансмембранний потенціал дії.

Мал. 10А. Трансмембранний потенціал ізольованою м`язової клітини (модифіковано за Weidman, 1956).

Верхня крива - електрограма. Монофазні крива АБВГ -трансмембранний потенціал дії. Зліва - величина потенціалу.
а - стадія поляризації клітини-б - стадія деполяризації клітини: в - стадія іонного рівноваги (повна деполяризація) - г - стадія реполярізаціі- д - стадія поляризації клітини-о-о - нульова лінія Праворуч вгорі - електроди поміщені на поверхню клітини-відсутність різниці потенціалів відображається нульовою лінією о-о- справа внизу - струм спокою при впровадженні мікроелектрода всередину клітини. Різниця потенціалів між внутрішнім і зовнішнім середовищем клітини призводить до негативного коливання 0-А, що відображає ток «спокою» клітини
На рис. 9 видно, що під час фази «спокою» внутрішнє середовище клітини має знак -. Вчасно фази збудження у внутрішньому середовищі клітини відбувається зміна полярності (с - на +), так звана реверсія потенціалу.
Таким чином, трансмембранний потенціал дії (рис. 10А) складається з трьох основних моментів: початкового швидкого коливання, відповідного комплексу QRS електрограми, плато (Б`В), відповідного сегменту RS-Т, кінцевого коливання (О Р), відповідного зубця Т електрограми . У монофазной кривої АБВГ відрізок О-Б (пік або «спайк») відповідає фазі деполяризації, після чого починаються 4 фази реполяризації.
Залежно від зміни швидкості виходу позитивних іонів з клітки розрізняють найбільш ранню швидку (спуск кривої після вершини спайки), повільну (плато), кінцеву та діастолічну частини реполяризації.
Чим швидше відбувається зміна трансмембранного потенціалу, тим більше амплітуда відповідного комплексу електрокардіограми. Це правило пояснює відмінність в амплітудах зубців електрокардіограми. Амплітуда зубця Т наближатиметься до амплітуди зубця P
якщо процеси реполяризації будуть відбуватися так само швидко, як і деполяризації.
Слід зазначити, що різні тканини серця мають в нормі різною формою і різними часовими відносинами фаз трансмембранного потенціалу (рис. 10Б).

Мал. 10Б. Трансмембранний потенціал шлуночка (А), передсердя (J5) і відповідні 4 фази реполяризації (з Hoffman і Cranfield).
Про - початковий швидкий підйом коливання - деполярізація- I - найбільш рання фаза реполя- р з а ціі- 2 - повільна фаза реполяризації ( «плато»), 3 - кінцева фаза реполяризації, 4 - діастолічний період.
Згідно мембранної теорії Bernstein, потенціал дії розглядається як результат деполяризаціїмембрани, тому вважалося, що величина трансмембранного потенціалу спокою дорівнює величині потенціалу дії. Однак при вимірі обох видів потенціалу відзначено збільшення потенціалу дії на +30 мВ по відношенню до потенціалу спокою. Такі результати отримав Hodgkin (1951, 1952) при дослідженні потенціалів гігантського аксона кальмара.
Поясненню причини збільшення потенціалу дії сприяла електрохімічна теорія походження «струмів дії серця» (Hodgkin, 1951- Weidmann, 1951- Curtis, Cole, 1950 Huxley, 1959 Corabosuf, 1960).
Електрохімічний теорія заснована на гіпотезі про виникнення різниці потенціалів внаслідок нерівномірного розподілу неорганічних іонів по обидва боки клітинної мембрани (так званого градієнтаконцентрацій іонів), особливо іонів калію (К `) і натрію (Na"). Усередині клітини іони К + мають більш високу концентрацію, ніж у позаклітинній середовищі (приблизно в 30 разів). Навпаки, концентрація Na + в 10 разів вища в позаклітинному середовищі. Різниця концентрацій між внутрішньоклітинним калієм (Кг) і позаклітинним калієм (Ке).
або відношення Кi / Кe служить причиною того, що іони калію прагнуть дифундувати в позаклітинне середовище. Зворотна тенденція є у іона натрію, схильного дифундувати всередину клітини. Однак у фазі «спокою» клітини дифузія іонів не відбувається, так як клітинна мембрана, що представляє собою свого роду електричне сито, непроникна для іонів Na +. Вплив концентраційного градієнта на дифузійну здатність нейтралізується завдяки електростатичним силам, які утримують іони в стадії поляризації (рис. 10А, с). ЕРС потенціалу спокою залежить від концентрації К + всередині клітини і в позаклітинному середовищі. У спокої проникність клітинної мембрани для К + набагато вище, ніж для інших іонів. Тому зміна градієнта концентрації К + має спричинити за собою зміну потенціалу спокою. При проходженні імпульсу проникність мембрани для іонів натрію значно збільшується в порівнянні з проникністю для іонів калію (приблизно в 500 разів). Наступаюча при цьому дифузія іонів натрію всередину клітини (рис. 10А, б) є причиною того, що потенціал отримує позитивне значення. Трансмембранний потенціал дії виявляється вище трансмембранного потенціалу спокою. Дифузія іонів натрію викликає деполяризацію мембрани, що продовжується до тих пір, поки не буде досягнутий максимум спайка. З цього моменту починається уповільнення дифузії, завдяки чому відбувається зниження спайкового потенціалу.

Мал. 11. Вплив деяких інгібіторів на фазу реполяризації.
А - вплив хлористого нікелю (по неси, 1951) - а - до обробки миелинового нерва жаби хлористим нікелем- б - виникнення довгого плато після обробки - вплив дігітоксіна- а - нормальне плато електрограми жаби до досвіду, б - зникнення плато після введення в порожнину шлуночка дигитоксина
З переходом спайка в плато припиняється подальший приплив іонів натрію всередину клітини. Ця фаза повного іонного рівноваги відображається в формі плато Б`В (рис. 10А, в).
З цього моменту починає зростати проникність мембрани для іонів калію. Подальше збільшення дифузія калію в позаклітинне середовище поступово повертає мембранний потенціал до початкового значення (рис. 10А, г). Іншими словами, реполяризация триває до тих пір, поки не буде досягнута стадія поляризації клітини. Таким чином, на підставі електрохімічної теорії стверджують, що трансмембранний потенціал спокою і трансмембранний потенціал дії обумовлені наявністю двох поперемінно панівних джерел ЕРС. Одним джерелом є наявність концентраційного градієнта калію, що визначає трансмембранний потенціал спокою, порушення якого відбувається при зміні концентрації калію в позаклітинній рідині. Іншим джерелом є наявність концентраційного градієнта натрію. Дифузія іонів натрію всередину клітини призводить до виникнення трансмембранного потенціалу дії. Обидві ЕРС мають протилежні напрямки.
Досліди на тваринах і ізольованих тканинах із застосуванням мікроелектродів показують, що зміни клітинного градієнта К + і Na + викликають безпосереднє зміна елементів електрограми.
Деякі отруйні речовини (2,4-дінітрофеіол, натрій ціанід, хлористий нікель і т. П.) Уповільнюють виділення Na24 з деполяризованої тканини. Hecht (1951) після обробки миелинового нерва жаби хлористим нікелем отримав різке подовження плато внаслідок зменшення концентрації позаклітинного калію (рис, 11, А). Введення дигитоксина в порожнину шлуночка серця жаби призводить до повного зникнення плато в зв`язку зі зменшенням концентрації внутрішньоклітинного калію (рис. 11, б). На значення натрію для деполяризації м`язи вказав Overton, який, зануривши м`яз в перфузат, що не містить натрію, зазначив, що м`яз в цьому випадку втрачає збудливість. За останні 10 років вивчені за допомогою мікроелектродів клітинні потенціали різних областей серця (передсердь, шлуночків, специфічної провідної системи серця, ембріональних тканин і т. П.). Незважаючи на те, що біопотенціали серця вивчаються вже протягом століть, багато продовжує залишатися нез`ясованим. Особливо цікавим є питання, яким чином пояснюється раптове збільшення проникності іонів натрію через клітинну мембрану. Вважають, що цей феномен пов`язаний зі звільненням ацетилхоліну, що накопичується в спочиває клітці. Як тільки імпульс охопив клітку, звільняється ацетилхолін і його вільний ефір змінює специфічний білок клітинної мембрани, внаслідок чого остання набуває властивість підвищеної проникності для іонів натрію. Під впливом холінестерази ацетилхолін швидко інактивується, завдяки чому вихідна структура білка відновлюється, і мембрана знову стає непроникною для іонів натрію.