Часть IV. Физиология систем внутренних органов

Законы сердечных сокращений

Сердце подчиняется закону «все или ничего», то есть на раздражения любой силы, превышающей порог раздражения, сердце сокращается с одинаковой силой. Это обусловлено тем, что возбуждение в миокарде, вследствие особенностей его микроструктуры, распространяется на весь миокард.

Сокращение сердца, как и скелетных мышц, запускается ПД. Тем не менее временные соотношения между возбуждением и сокращением в этих двух типах мышц различны. Длительность ПД скелетных мышц составляет лишь несколько миллисекунд, и сокращение их начинается тогда, когда возбуждение уже почти закончилось. В миокарде же возбуждение и сокращение в значительной степени перекрываются во времени (см. рис. 22.6). ПД клеток миокарда заканчивается только после начала фазы расслабления. Поскольку последующее сокращение может возникнуть лишь в результате очередного возбуждения, а это возбуждение в свою очередь возможно только по окончании периода абсолютной рефрактерности предшествующего ПД, сердечная мышца в отличие от скелетной не может отвечать на частые раздражения суммацией одиночных сокращений, или тетанусом.

Это свойство миокарда — неспособность к состоянию тетануса — имеет большое значение для нагнетательной функции сердца. Тетаническое сокращение, продолжающееся дольше периода изгнания крови, препятствовало бы наполнению сердца. Вместе с тем сократимость сердца не может регулироваться путем суммации одиночных сокращений, как это происходит в скелетных мышцах, сила сокращений которых в результате такой суммации зависит от частоты ПД. Сократимость миокарда в отличие от скелетных мышц не может изменяться и путем включения различного числа двигательных единиц, так как миокард представляет собой функциональный синцитий, в каждом сокращении которого участвуют все волокна. В то же время в миокарде лучше развит механизм регуляции сократимости путем изменения процессов возбуждения либо за счет прямого влияния на электромеханическое сопряжение.

Важное значение в механизмах изменения деятельности сердца имеет гетерометрический механизм, в основе которого лежит закон сердца Франка–Старлинга. Согласно этому закону систола есть функция диастолы, то есть сила систолы зависит от диастолического наполнения желудочков кровью. Чем больше наполнение желудочков кровью в диастоле, тем больше растягивается мышца и увеличивается длина мышечных волокон. Э. Старлинг утверждал, что сила сокращения желудочков зависит от предшествующей длины мышечных волокон. Именно поэтому при увеличенном притоке крови к сердцу, когда возрастает наполнение камер, увеличивается и сила систолы желудочков. Таким образом устанавливается равенство притока и оттока крови.

Механизм Старлинга является идеальным средством для поддержания соответствия сердечного выброса венозному возврату. Любой внезапный, слишком большой выброс из одного желудочка вызывает увеличение венозного возврата к другому желудочку. Последующее увеличение длины мышечных волокон в диастолу увеличивает выброс из второго желудочка для соответствия выбросу, сделанному первым желудочком. Механизм позволяет поддерживать точное равновесие между выбросами из правого и левого желудочков.

Г. Боудичем было обнаружено явление «лестницы» (ритмо-инотропная зависимость), заключающееся в постепенном увеличении силы сокращений сердца после более или менее длительной его остановки. Он провел исследования на изолированной полоске сердца, утратившей способность спонтанно сокращаться. Электрическое раздражение одинаковой силы сначала вызывало слабое сокращение полоски миокарда, а последующие раздражения сопровождались сокращениями возрастающей силы. Аналогичное явление наблюдается при парной стимуляции желудочка, когда импульс подается сразу после рефрактерной фазы и вызывает едва заметное сокращение.

Прогрессирующее увеличение силы вначале, когда интервал между сокращениями резко уменьшается, вызвано постепенным увеличением концентрации внутриклеточного Са2+, которому способствуют два механизма: увеличение числа деполяризаций в минуту и увеличение входящего Са2+-тока за одну деполяризацию.

Действие первого механизма заключается в следующем. Са2+ входит в клетку миокарда в период плато каждого ПД. Когда интервал между сокращениями уменьшается, количество фаз плато в минуту возрастает. Хотя продолжительность каждого ПД (и каждой фазы плато) уменьшается при укорочении интервала между сокращениями, суммарный эффект увеличения числа фаз плато в минуту на вход Са2+ превалирует и его внутриклеточная концентрация увеличивается.

Второй механизм действует следующим образом. Когда интервал между сердечными сокращениями резко уменьшается, входящий Са2+-ток прогрессивно увеличивается с каждым последующим сокращением до тех пор, пока не будет достигнут новый устойчивый максимум силы при новой длительности между стимулами, вызывающими сокращение.

Механизм электромеханического сопряжения в миокарде

У человека и млекопитающих структуры, которые отвечают за электромеханическое сопряжение в скелетных мышцах, в основном имеются и в волокнах сердца (рис. 22.7, 22.8). Т-система в сердце развита слабее, чем в скелетных мышцах. Система продольных трубочек в сердце также развита слабее.

В сердце только небольшая часть молекул рианодиновых рецепторов входит в состав диад и контактирует с плазматической мембраной. Более того, в саркоплазматическом ретикулуме сердца не обнаружено прочных контактов рианодиновых рецепторов с кальциевыми каналами плазматической мембраной. Именно поэтому в сердце наблюдается несколько иной тип активации Са-каналов саркоплазматического ретикулума, который получил название Са-индуцируемого выброса Са2+. При деполяризации мембраны кардиомиоцитов активируются потенциалчувствительные Са-каналы мембраны и в цитоплазму поступает небольшое количество Са2+ из внеклеточной среды (см. рис. 22.7, 22.8). Этого входящего в клетку снаружи Са2+, который получил название триггерного Са2+, недостаточно для обеспечения мышечного сокращения,

Рис. 22.7. Саркоплазматический ретикулум сердца: а — диады саркоплазматического ретикулума; б — механизм Са-индуцируемого выброса Са2+ из саркоплазматического ретикулума. ДГП — дигидропиридиновый; RyR — рианодиновый рецептор; СН — соединительная ножка, соединяющая дигидропиридиновый и рианодиновый рецепторы; СР — саркоплазматический ретикулум. Источник: А.М. Рубцов (2000)

Рис. 22.8. Электромеханическое сопряжение в миокарде: АТФ — аденозинтрифосфат; СР — саркоплазматический ретикулум; «–» — торможение; «+» — активация. Источник: Physiology (2017)

но он активирует Са-каналы саркоплазматического ретикулума, через которые из ретикулума высвобождается основное количество Са2+, нужное для сокращения. Кроме того, входящий в клетку Са2+ пополняет запасы Ca2+, обеспечивая последующие сокращения.

В конце систолы приток Са2+ в клетку прекращается и саркоплазматический ретикулум не получает дальнейшей стимуляции для высвобождения Са2+. Фактически саркоплазматический ретикулум начинает активно поглощать Са2+ благодаря кальциевому насосу, который работает за счет энергии АТФ (Са-АТФаза). Работа этого насоса стимулируется фосфоламбаном в результате фосфорилирования фосфоламбана цАМФ-зависимой протеинкиназой. К тому же фосфорилирование тропонина I подавляет связывание Са2+ тропонином С. Этот процесс позволяет тропомиозину снова заблокировать участки взаимодействия актиновых и миозиновых нитей, что приводит к расслаблению (диастоле) (см. рис. 22.8).

В отличие от скелетной мускулатуры, в сердце определенную роль в удалении Са2+ из цитоплазмы при расслаблении наряду с Са-АТФазой саркоплазматического ретикулума играют Са-АТФаза и система Na+,Ca2+-обмена сарколеммы (см. рис. 22.8).

Механизмы регуляции сокращений

Ряд факторов оказывает косвенное влияние на сокращение миокарда, изменяя длительность ПД и тем самым величину входящего тока Ca2+. Примеры такого влияния — снижение силы сокращений вследствие укорочения ПД при повышении внеклеточной концентрации K+ или действии ацетилхолина и усиление сокращений в результате удлинения ПД при охлаждении.

Ряд веществ, блокирующих вход Са2+ во время ПД, оказывает такой же эффект, как и удаление кальция из внешней среды. К таким веществам относятся так называемые блокаторы медленных кальциевых каналов (верапамил, нифедипин, дилтиазем). Напротив, при повышении внеклеточной концентрации Са2+ или при действии веществ, увеличивающих вход этого иона во время ПД (адреналин, норадреналин), сократимость сердца увеличивается.

И сокращения, и расслабления сердечной мышцы ускоряются катехоламинами и активацией аденилатциклазы. Увеличение цАМФ стимулирует цАМФ-зависимую протеинкиназу, которая фосфорилирует кальциевый канал в сарколемме. Эти процессы приводят к тому, что больше Са2+ поступает в клетку, ускоряя, таким образом, сердечные сокращения. Однако эти процессы также ускоряют и релаксацию путем фосфорилирования фосфоламбана, который увеличивает захват Са2+ саркоплазматическим ретикулумом, и путем фосфорилирования тропонина I, что угнетает связывание Са2+ с тропонином С. Таким образом, процессы фосфорилирования, вызванные цАМФ-зависимой протеинкиназой, служат для увеличения как скорости сердечных сокращений, так и скорости релаксации (см. рис. 22.8).

В клинической практике для усиления сердечных сокращений используют так называемые сердечные гликозиды (препараты наперстянки, строфанта и т.д.). Сердечные гликозиды повышают силу сокращений миокарда преимущественно путем подавления Na+,K+-ATФaзы (натриевого насоса), что приводит к повышению внутриклеточной концентрации Na+. В результате снижается интенсивность обмена внутриклеточного Ca2+ и внеклеточного Na+ (обмен зависит от трансмембранного градиента Na+), и Са2+ накапливается в клетке. Это дополнительное количество Са2+ запасается в депо и может быть использовано для активации сократительного аппарата (см. рис. 22.8).