9.2.2. Свойства
сердечной мышцы
К
основным свойствам сердечной мышцы относятся автоматия, возбудимость,
проводимость, сократимость.
Автоматия
сердца. Способность к ритмическому
сокращению без всяких видимых раздражении под влиянием импульсов, возникающих в
самом органе, является характерной особенностью сердца. Это свойство называется
автоматизмом. В том случае, когда импульсы появляются в мышечных
волокнах, сердечная деятельность считается миогенной, если же импульсы
возникают в клетках нервных ганглиев сердца — нейрогенной.
В
миогенном сердце перерезка всех идущих к нему внешних нервов не прекращает
автоматизма, поэтому извлеченное из тела сердце теплокровных и особенно
холоднокровных животных при создании необходимых условий способно сокращаться в
течение нескольких часов и даже суток. Ритмическое сокращение сердца
проявляется уже на ранних стадиях эмбрионального развития (у человеческого
эмбриона — на 18—20—е сут). Так же ритмически сокращаются сердечные клетки
эмбриона в культуре ткани.
Рассматривая
вопрос о координации сердечного цикла с эволюционной точки зрения, У. Гаскелл
установил, что для червей, имеющих сердце трубчатого типа, характерно
кольцеобразное расположение мышечных волокон со способностью
их к
ритмическим сокращениям. Дальнейшее филогенетическое развитие сердца шло за
счет образования мощной мышечной массы, при этом утрачивалась способность всей
массы к автоматической ритмике. И только в определенных участках сердца
оставались, еще более совершенствуясь, группы мышечных волокон, сохранившие
первичное свойство автоматизма. Они имеют особое гистологическое строение,
отличное от волокон рабочей мускулатуры. За этими волокнами установилось
название атипическая мышечная ткань.
У холоднокровных эти волокна
идут правильными рядами и кольцеобразно охватывают венозный синус. Они
сконцентрированы также в атриовентрикулярном мостике и луковице аорты. На
границе предсердий и желудочка волокна образуют спираль и далее спускаются по
желудочку к верхушке сердца. Способностью к спонтанной генерации ритма обладают
более примитивные клетки, но не высокоспециализированные рабочие кардиомиоциты.
На ранних стадиях онтогенеза ритмической активностью обладают все клетки
закладки сердца.
Природа автоматии до сих пор
до конца не выяснена. У высших позвоночных и птиц возникновение импульсов
связано с функцией атипических мышечных клеток — пейсмекеров, заложенных
в узлах сердца. Нервные структуры способны оказывать влияние на силу и частоту
их разрядов, однако сам процесс генерации импульсов является специфической
особенностью этих клеток.
Атипическая ткань в сердце
птиц и млекопитающих локализуется в областях, гомологичных венозному синусу и
атриовентрикулярной области холоднокровных. Первый узел проводящей
системы расположен в месте впадения полых вен в правое предсердие — синусно—предсердный
(синусный, синоатриальный, синусно—аурикулярный, Киса—Флека) узел (рис. 9.9).
Он является главным центром автоматии сердца — пейсмекером первого порядка.
|
Рис. 9.8 Сократительные свойства сердечной мышцы (закон
«все или ничего» — А) и скелетной мышцы (градуальностъ —Б) I
— амплитуда
сокращений, II — сила
раздражения. |
|
Рис. 9.9 Проводящая система
сердца 1 — верхняя полая вена, 2 — синусно—предсердный узел, 3 — передний межузловой и
межпредсердный пучки Бахмана, 4 — средний межузловой пучок Венкенбаха, 5 —
задний межузловой пучок Торела, 6 —
предсердно—желудочковый узел, 7 — предсердно—желудочковый пучок (Гиса), 8, 9 — левая и правая ножки пучка
Гиса, 10 — субэндокардиальная
сеть волокон Пуркинье, 11 — пучок
Кента, 12 — пучок Махайма, 13 — пучок Паладино, 14 — нижняя полая вена, 15 — венечный синус, 16 — передняя ветвь ножки пучка
Гиса. |
От
узла возбуждение распространяется к рабочим клеткам миокарда предсердий — и
диффузно, и по специальным внутрисердечным проводящим пучкам. Оба потока
достигают второго узла — не менее важного места, обладающего
способностью генерировать импульсы, — предсердно—желудочкового (атриовентрикулярного,
Ашоффа—Тавара) узла. Он расположен в толще сердечной перегородки на границе
предсердий и желудочков. Узел состоит из трех обладающих собственной частотой
возбуждения частей: верхней предсердной, средней и нижней желудочковой. Этот
узел является пейсмекером второго порядка. Возбуждение через предсердно—желудочковый
узел в нормальных условиях может проходить только в одном направлении.
Ретроградное проведение импульсов невозможно.
Так
достигается направленность движения возбудительного процесса и, как следствие,
координированность работы предсердий и желудочков.
При
прохождении возбуждения через предсердно—желудочковый узел импульсы
задерживаются на 0,02—0,04 с. Это явление получило название атрио—вентрикулярной
задержки. Ее значение состоит в том, что за время задержки успевает
завершиться систола желудочков и их волокна будут находиться в фазе
рефрактерности.
Третий
уровень, обеспечивающий ритмическую
активность сердца, расположен в пучке Гиса и волокнах Пуркинье
(сердечных проводящих миоцитах). Пучок Гиса берет начало от предсердно—желудочкового
узла и образует две ножки, одна из которых идет к левому, другая — к правому
желудочку. Эти ножки ветвятся на более тонкие проводящие пути, заканчивающиеся
волокнами Пуркинье, которые непосредственно контактируют с рабочими клетками
миокарда.
Центры
автоматии, расположенные в проводящей системе желудочков, носят название пейсмекеров
третьего порядка. Таким образом, возбуждение по ножкам пучка Гиса
направляется к верхушке сердца и оттуда по разветвлениям ножек и волокнам
Пуркинье возвращается к основанию сердца. В результате этого сокращение сердца
в целом осуществляется в определенной последовательности: сначала сокращаются
предсердия, затем верхушки желудочков и, наконец, их основания. Пучок Гиса и
волокна Пуркинье отсутствуют у пойкилотермных животных. Возбуждение у них
распространяется по волокнам миокарда.
Перечисленные
водители ритма сердца находятся в соподчиненном положении. В сердце существует
так называемый убывающий градиент автоматии. Он выражается в убывающей
способности к автоматии различных структур проводящей системы по мере их
удаления от синусно—предсердного узла. В синусно—предсердном узле число
разрядов составляет в среднем 60—80 имп/мин, в предсердно—желудочковом — 40—50,
в клетках пучка Гиса — 30—40, в волокнах Пуркинье — около 20 имп/мин.
Таким
образом, в сердце существует определенная иерархия центров автоматии, что
позволило У. Гаскеллу сформулировать правило, согласно которому степень
автоматии отдела тем выше, чем ближе он расположен к синусно—предсердному узлу.
Это правило получило название закона градиента сердца.
В
обычных условиях частоту активности миокарда всего сердца в целом определяет синусно—предсердный
узел. Он подчиняет себе все нижележащие образования проводящей системы,
навязывая им свой ритм. Поэтому все отдельные части проводящей системы, хотя и
имеют собственный ритм, начинают работать в едином ритме. Явление, при котором
структуры с замедленным ритмом генерации потенциалов усваивают более частый
ритм других участков проводящей системы, называют усвоением ритма.
Следует заметить, что в областях узлов синусно—предсердном,
предсердно—желудочковом — находятся нервные клетки. Их скопления и
многочисленные волокна образуют густую нервную сеть, пронизывающую структуру
узла. Эти нервные клетки относятся к кардиальной части метасимпатической
нервной системы (см. разд. 5.4.3).
В мышечных волокнах предсердий и желудочков скорость
проведения возбуждения колеблется в узких пределах, составляя 0,9—1,0 м/с, в волокнах
предсердно—желудочкого узла — 0,05, в пучке Гиса — 1,0—1,5, в волокнах Пуркинье
— 3,0 мс. Быстрое проведение в волокнах Пуркинье определяет почти одновременное
возбуждение всех участков желудочков. Время полного охвата составляет около 10—15
мс. В связи с этим возрастают мощность сокращения и эффективность работы,
связанная с проталкиванием желудочком крови.
Для обеспечения работы сердца необходимым условием
является анатомическая целостность его проводящей системы. В том случае,
если в пейсмекере первого порядка в силу каких—то причин не возникает
возбуждения или блокируется его передача, роль водителя ритма берет на себя
пейсмекер второго порядка. В случае же невозможности передачи возбуждения к
желудочкам они начинают сокращаться в ритме пейсмекеров третьего порядка. При
поперечной блокаде предсердия и желудочки сокращаются каждый в своем ритме.
Повреждение водителей ритма ведет к полной остановке сердца.
На ранних стадиях эволюции встречается сугубо нейрогенный
механизм регуляции сердечного ритма, так называемое нейрогенное сердце.
Например, у большинства ракообразных на дорсальной поверхности сердца
расположено несколько ганглиозных нервных клеток. Это генераторы ритма, т. е.
пейсмекерные клетки сердца. Возникающее в них возбуждение широкой волной
разливается на мышечные клетки, вызывая их сокращение. Частота генерации
находится в прямой зависимости от наполнения сердца, т. е. состояния
растянутости его стенок. Подобные ганглионарные нервные клетки—пейсмекеры есть
и в сердце некоторых насекомых: у взрослых пчел, тараканов. Обнаружены они у
ряда кольчатых червей. Удаление ганглиев приводит к немедленной остановке
сердца. Нейрогенные сердца чрезвычайно чувствительны к эфиру. Даже малые его
концентрации вызывают остановку сокращения сердца.
Клетки атипической мышечной ткани, составляющие
проводящую систему сердца, функционально неоднородны. Из всей массы синусно—предсердного
узла только несколько клеток, называемых истинными пейсмекерами,
обладают способностью к спонтанной генерации потенциала действия. Остальные
клетки относятся к потенциальным (латентным) водителям ритма. Они, как и
рабочие кардиомиоциты, разряжаются в результате пришедшего к ним возбуждения. Потенциальные
пейсмекеры отличаются от истинных особенностями медленной диастолической
деполяризации и более низкой частотой разрядов. В свою очередь, от рабочих
миокардиоцитов они отличаются тем, что последние вообще не способны к
спонтанной деполяризации. В случае прекращения функции истинного пейсмекера
потенциальный пейсмекер может взять на себя его ведущую роль, в то время как
рабочие кардиомиоциты такой
способностью не обладают.
Особенностью механизма возникновения ритмов истинных
и потенциальных пейсмекеров является то, что в отличие от волокон
сократительного миокарда мембрана этих клеток во время диастолы приобретает
большую ионную проницаемость что ведет к развитию медленной диастолической
деполяризации — пейсмекерного потенциала. В этот момент возникает местное
нераспространяющееся возбуждение. У потенциальных пейсмекеров эта фаза достигает
порогового уровня позже, чем у истинных. С достижением диастолического
порогового уровня происходит возникновение, распространяющегося ПД.
Ионный механизм
пейсмекерного потенциала состоит в
том, что во время фазы реполяризации клеточная мембрана становится более
проницаемой для внутриклеточного К+ и мембранный потенциал
приближается к равновесному калиевому потенциалу Еk. В
результате проникновения внутрь клетки Na+ и Са2+ и
уменьшения скорости выхода из клетки К+ возникает медленная диастолическая
деполяризация. Когда уровень потенциала уменьшится по сравнению с исходным
приблизительно на 2 мВ, наступает резкое увеличение проницаемости мембраны
вначале для Na+, а позже для Са2+. Этот ионный ток
приводит к возникновению пика ПД. Общая амплитуда ПД составляет около 100 мВ. С
закрытием ионных каналов положительный заряд наружной поверхности мембраны
восстанавливается. Появление ПД в пейсмекерной клетке сопровождается
возникновением деполяризации в прилежащих к ней ведомых рабочих кардиомиоцитах,
не обладающих автоматизмом, и распространением возбуждения. Рабочие клетки
миокарда в отличие от водителей ритма в состоянии покоя характеризуются
чрезвычайно низкой ионной проницаемостью для Na+ и Са2+,
так что движение через их каналы К+ не вызывает сдвигов мембранного
потенциала.
Ритм работы сердца зависит
от массы животного и уровня метаболизма. Как правило, частота сердечных
сокращений у животных с низкой общей подвижностью меньше, чем у подвижных. У
улиток она колеблется от 0,2 до 20 в 1 мин, у кальмара и осьминога — от 40 до
80. У мелких животных частота сердечных сокращений, как правило, выше, чем у
крупных. Например, частота сокращений у мелких птиц достигает несколько сотен в
1 мин, у домашних — 150—300, у мыши — 600—700, кролика — 120—140, кошки — 100—120,
собаки — 60—120, лошади, слона — 25—60.
Зависимость между величиной
животного и частотой сердечных сокращений объясняется более высоким уровнем
метаболизма мелких животных. Высокий уровень может обеспечиваться только
интенсивным кровоснабжением органов и тканей, а следовательно, более быстрым
режимом работы сердца. Частота сердечных сокращений резко усиливается при
мышечной работе. У ныряющих млекопитающих, птиц и черепах во время ныряния
наблюдается урежение сердечной деятельности.
Возбудимость сердечной
мышцы. Под действием электрических,
химических, термических и других раздражителей сердце способно приходить в состояние
возбуждения. В основе процесса возбуждения лежит появление отрицательного
электрического потенциала в первоначально возбужденном участке.
Как и у любой возбудимой
ткани, мембрана рабочих клеток сердца поляризована. Снаружи она заряжена
положительно, изнутри — отрицательно. Это состояние возникает в результате
разной концентрации Na+ и К+ по обе стороны мембраны, а
также разной проницаемости мембраны для этих ионов. В покое мембрана
кардиомиоцитов почти непроницаема для Na+ и частично для К+.
В результате процесса диффузии ионы К+, выходя из клетки,
увеличивают положительный заряд на ее поверхности. Внутренняя сторона мембраны
при этом становится отрицательной. В миокарде теплокровных животных разность
потенциалов в покое (потенциал покоя) составляет 60—80 мВ. При действии
раздражителя любой природы, прихода возбуждения от соседней клетки или
пейсмекера происходит поступление Na+ в клетку. В этот момент на
поверхности мембраны возникает отрицательный электрический заряд и развивается
реверсия потенциала. Амплитуда ПД составляет 100 мВ и более. Возникший
потенциал деполяризует мембраны соседних клеток, у них возникают собственные
ПД.
|
Рис. 9.10
Экстрасистола А —
схематическое изображение; Б —
кривая сокращения. I —
сокращение, II —
возбудимость; стрелками показаны раздражения, наносимые в разные фазы
сердечного цикла, треугольниками — импульсы, исходящие из синусного узла. |
Таким образом происходит
распространение возбуждения в целом органе. Этот процесс одинаков в рабочем
миокарде и в водителях ритма.
Возможность вызвать
возбуждение сердца электрическим током нашла практическое применение в
медицине. Под действием электрических импульсов, источником которых являются
электронные стимуляторы, сердце начинает возбуждаться и работать в заданном
ритме.
При нанесении электрических
раздражении на работающее сердце в разные фазы его цикла оказывается, что
независимо от величины и силы раздражения сердце не ответит, если это
раздражение будет нанесено в период систолы, т. е. во время периода
абсолютной рефрактерности (от фр. refractaire — невосприимчивый). Период
рефрактерности длится столько же времени, сколько продолжается систола.
С началом расслабления
возбудимости сердца начинает восстанавливаться и наступает период относительной
рефрактерности. Нанесение в этот момент интенсивного стимула способно
вызвать внеочередное сокращение — экстрасистолу. При этом пауза,
следующая за экстрасистолой, длится больше времени, чем обычно, это так
называемая компенсаторная пауза (рис. 9.10). После фазы относительной
рефрактерности наступает период повышенной возбудимости. По времени он
совпадает с диастолическим расслаблением и характеризуется тем, что импульсы
небольшой силы могут вызвать сокращение сердца. Период этот непродолжителен, и
вскоре наступает восстановление уровня возбудимости.
Потенциал действия клетки
рабочего миокарда длится 0,3 с, что примерно в 150 раз продолжительнее, чем в
клетке скелетной мышцы. Во время развития ПД клетка невозбудима к последующим
стимулам. Ее рефракторный период почти в 100 раз больше такого же периода
скелетной мышцы. Эта особенность исключительно важна для функции сердца как
органа, так как в ответ на частые повторные раздражения миокард может отвечать
только одним потенциалом действия и одним сокращением. Все это создает условия
к ритмическому сокращению органа.
Длительный абсолютный
рефракторный период, т. е. полная невозбудимость сердечной мышцы, предохраняет
ее от быстрого повторного возбуждения до тех пор, пока не закончилась
предыдущая волна деполяризации. Тем самым предотвращается нарушение
нагнетательной функции сердца. Наличие фазы рефрактерности также препятствует
возникновению кругового движения возбуждения по миокарду. В противном случае
нарушилось бы ритмическое чередование систолы и диастолы. Абсолютная
рефрактерность исключает и возможность тетанического сокращения сердца,
заставляя его работать в ритме одиночного сокращения.
Сократимость сердечной
мышцы. Несмотря на то что миокард
состоит из большого числа мышечных элементов, он всегда функционально реагирует
как единое целое. В отличие от скелетной мышцы миокард не обнаруживает
зависимости между силой раздражения и величиной реакции. На подпороговые
раздражения сердце вообще не отвечает, но как только сила раздражения достигает
порогового уровня, возникает полное сокращение миокарда. Дальнейшее нарастание
силы раздражающего тока не изменяет величины сокращения. Таким образом,
пороговое раздражение является одновременно и максимальным. Эта особенность
сокращения сердечной мышцы получила название закона «все или ничего».
Подчинение сердечной мышцы
закону «все или ничего» объясняется ее структурной организацией. В сердечной
мышце отдельные мышечные волокна соединены друг с другом вставочными дисками —
протоплазматическими мостиками с очень малым электрическим сопротивлением.
Поэтому при достижении раздражающим импульсом пороговой величины возбуждение
распространяется, как по синцитию, и обязательно синхронно охватывает всю мышцу
в целом.
Вместе с тем закон «все или
ничего» не абсолютен. Если раздражать мышцу импульсами возрастающей частоты, не
меняя их силы, .то величина сократительного ответа миокарда будет возрастать на
каждый последующий стимул. Это явление получило название лестницы Боудича.
Считают, что механизм возникновения явления лестницы состоит в том, что каждый
последующий стимул попадает в фазу повышенной возбудимости мышцы, вызывая тем
самым повышенную ответную сократительную реакцию.
Сократимость сердечной мышцы
определяется особенностями строения ее волокон и соотношением между длиной и
напряжением саркомера. Изменения сократительной силы миокарда, возникающие
периодически, осуществляются посредством двух механизмов саморегуляции:
гетерометрического и гомеометрического.
В основе гетерометрического
механизма лежит изменение исходных размеров длины волокон миокарда, которое
возникает при изменении величины притока венозной крови. Иными словами, чем
сильнее сердце растянуто во время диастолы, тем оно сильнее сокращается во
время систолы. Эта особенность сердечной мышцы установлена О. Франком и Э.
Старлингом на сердечно—легочном препарате и получила название закона сердца
(Франка—Старлинга). Объяснить его можно следующим образом. Сердечное
волокно состоит из двух частей: сократительной и последовательно с ней
соединенной эластичной. Во время возбуждения первая часть сокращается, вторая —
растягивается, как пассивная пружина, в зависимости от нагрузки. В целостном
организме действие закона сердца ограничено рядом других условий.
Гомеометрический механизм не связан с изменением длины саркомера и основан на
непосредственном действии биологически активных веществ (таких как
катехоламины) на метаболизм мышечных волокон, выработку в них энергии.
Адреналин и норадреналин увеличивают вход Са2+ в клетку в момент
развития потенциала действия, вызывая тем самым усиление сердечных сокращений.
Серию последовательных
явлений в клетке миокарда, начинающуюся с пускового механизма сокращения —
потенциала действия мембраны, включающую далее последовательность
внутриклеточных процессов и
|
Рис. 9.11 Потенциалы, действия и сокращение
скелетной и сердечной мыщц (А) и соответствующие им. изменения
сократительного аппарата (Б) а — потенциалы действия, б — изометрическое сокращение, 1 — начало сокращения, 2
— расслабление, 3 — сарколемма, 4
— миоплазма, 5 — поперечная трубочка, 6 — продольная трубочка, 7 —
актив, 8 — миозин, стрелками
обозначено движение ионов Са2+. |
завершающуюся
укорочением миофибрилл, называют сопряжением возбуждения и сокращения
(электромеханическое сопряжение).
Укорочение мышечного волокна
при сокращении мышцы происходит за счет вдвигания активных нитей между миозиновыми
(рис. 9.11). Этот процесс осуществляется посредством веслообразных движений
выступающих участков миозиновой нити — поперечных мостиков. Во время расслабления
волокна актиновые нити отодвигаются назад, занимая прежнее положение. На их
поверхности располагаются тонкие нити из белка тропомиозина. Они
блокируют взаимодействие актина с миозином. Тропомиозин, в свою очередь,
образует комплекс с белком тропонином. Тропонин обладает высоким
сродством к Са2+ Миозиновые нити состоят из двух белков: легкого и
тяжелого меромиозина. Тяжелый меромиозин образует поперечные мостики. Он
обладает АТФазной активностью.
Сокращение кардиомиоцита запускается ионами Са2+. В результате
потенциала действия Са2+ выходит из цистерн саркоплазматического
ретикулума и поступает к сократительным белкам, где связывается тропонином.
Возникновение связи сопровождается изменением пространственного расположения на
актиновой нити тропонин—тропомиозинового комплекса. Этим снимается тормозное
действие актина на активные центры. В результате образуется сокращающийся актомиозин,
а также происходит расщепление АТФ, энергия которого идет на скольжение
актиновых нитей.
В результате реполяризации
мембраны наступает расслабление кардиомиоцита. Оно основано на том, что под
действием реполяризации происходит удаление Са2+ от тропонина и
последующее его связывание саркоплазматическим ретикулумом. В этот момент
включаются насосы клеточных мембран, которые перекачивают Са2+ в
межклеточную жидкость (рис. 9.11).
К структурам, отвечающим за
сопряжение возбуждения и сокращения миокарда, относятся система поперечных
трубочек, особенно сильно развитая в желудочках, а также система
продольных трубочек, являющаяся внутриклеточным резервуаром Са2+
Ключевым событием в
сокращении служит вход в клетку ионов Са2+ во время потенциала
действия. Кальций увеличивает длительность потенциала действия и, как
следствие, продолжительность рефракторного периода. Перемещение Са2+
из тканей жидкости является основой для регуляции «силы сокращения».
Следовательно, ПД играет
роль не только пускового механизма сокращения, оказывая триггерное воздействие
путем высвобождения внутриклеточного Са2+, он также пополняет запасы
иона для последующих сокращений. Удаление Са2+ из межклеточных
пространств приводит к полному разобщению возбуждения и сокращения миокарда.
При этом ПД остается в неизменном виде, сокращения же кардиомиоцитов не
происходит.