Ионные каналы и токи сердечного волокна - основы современной электрофизиологии сердца. Строение кардиомиоцита

Категория: Кардиология
Рейтинг:   / 0
ПлохоОтлично 

Основные функции сердечной мышцы, такие как автоматия, возбужде­ние, проведение возбуждении, насосная функция сердца, в значительной степени определяются свойствами основных структурных элементов миокарда кардиомиоцитов. Современная экспериментальная электро­физиологии сердца, как правило, имеет дело именно с кардиомиоцитами, го есть с отдельными клетками, а не с сердцем в целом или фрагментами миокарда.

Казалось бы, такой подход удаляет исследователей от по­нимания механизмов функционирования сердца в интактном организме, однако многочисленные успехи последних десятилетий в этой области говорят об обратном. Только методами клеточной электрофизиологии можно выяснить сложнейшие молекулярные механизмы электрической и сократителмюй активности миокарда, а затем искать пути фармакологического воздействия на них. В данном разделе мы вкратце рассмотрим строение кардиомиоцита, его электрические свойства, понятия мембран­ною потенциала и трансмембранного ионного тока. Затем мы подробнее остановимся на характеристиках наиболее важных ионных токов, а так­же ознакомимся с молекулярными структурами, обеспечивающими электрические характеристики кардиомиоцитов, а именно ионными ка­налами и ионными обменниками. В заключение мы опишем некоторые из многочисленных сигнальных путей, позволяющих регулировать рабо­ту ионных каналов, а значит, и электрические свойства кардиомиоцитов и миокарда в целом. Вопросы общей электрофизиологии сердца (возбудимость, рефрактерность, распространение возбуждения и т. д.) здесь не рассматриваются, так как они традиционно обсуждаются в учебных ру­ководствах по физиологии и кардиологии.

Важно отметить, что ионные каналы, насосы, а также рецепторы раз­личных сигнальных соединений и элементы внутриклеточных сигнальных каскадов не только обеспечивают нормальную работу сердца, но и являются главными мишенями для фармакологических кардиотропных средств. Поэтому работа этих структур представляет интерес не только для фундаментальной физиологии, но также для медицины и фармакологии (пройдите тест по фармакологии кардиологических препаратов).

Строение кардиомиоцита

В состав миокарда входят главным образом клетки двух типов: собст­венно кардиомиоциты, которые также называют сердечными волокнами по аналогии со скелетными мышечными волокнами, и фибробласты, клетки соединительной ткани. Основная функция фибробластов — выработка внеклеточного матрикса; можно сказать, что они в значительной степени формируют среду, в которой живут кардиомио­циты. Несмотря на то что фибробласты могут образовывать с кардиомиоцитами щелевые контакты и значительно влиять на их функциони­рование, сами по себе фибробласты являются электрически невозбуди­мыми клетками. Их роль в формировании нормальной электрической активности миокарда в настоящее время продолжает быть предметом интенсивных исследований и дискуссий, поэтому в настоящей главе мы остановимся лишь на строении кардиомиоцитов.

У высших позвоночных, в том числе млекопитающих и человека, вы­деляют несколько типов кардиомиоцитов, существенно отличающихся по своей структуре и функциям. Это, с одной стороны, типичные (или рабочие) кардиомиоциты желудочков и предсердий, обеспечивающие сократительную функцию миокарда, с другой — атипичные клетки си­ноатриального и атриовентрикулярного узлов автоматии, а также во­локна проводящей системы желудочков. Атипичные кардиомиоциты обладают слабо развитым сократительным аппаратом, и функции их сводятся к ритмической генерации возбуждения (узлы автоматии) и к его ускоренному распространению по миокарду желудочков (проводя­щая система). Форма и размеры кардиомиоцитов варьируют в широких пределах: от нескольких микрометров в диаметре и десятков микро­метров в длину в области узлов автоматии до десятков микрометров в диаметре и сотен микрометров в длину в волокнах проводящей систе­мы. Клетки рабочего миокарда имеют промежуточные размеры.

Техника ферментативного выделения кардиомиоцитов позволяет по­лучать изолированные сердечные клетки в нативном виде. Изолиро­ванное сердце экспериментального животного в течение 10—30 мин лерфузируют физиологическим раствором, содержащим коллагеназу, фермент, разрушающий внеклеточный матрикс (иногда к коллагеназе добавляют трипсин). При невозможности перфузии целого сердца, на­пример в случае работы с фрагментами миокарда человека, препарат сердечной ткани выдерживают в таком растворе при постоянном помешивании. После ферментативной обработки миокард мелко режут и взбалтывают, в результате чего от частиц сердечной ткани отделяются одиночные кардиомиоциты.

Такой изолированный кардиомиоцит показан на рис. Кардиомиоцит имеет форму неправильного цилиндра, на поверхности которого видна исчерченность, образованная так называемыми Т-тубулами. На торцевой поверхности реконструированного фрагмента кардиомиоцита (см. рис. 2.2 на цветной вклейке) видно, что Т-тубулы представляют со­бой не просто глубокие инвагинации клеточной мембраны, а пропиты вают клетку насквозь. В последние годы с помощью бифотонной мик роскопии были обнаружены новые элементы Т-тубулярной системы, а именно продольно ориентированные Т-тубулы, которые вместе с попе речными элементами формируют единую сеть каналов, прони тывающую кардиомиоцит. Важно подчеркнуть, что Т-тубулы образованы внешней мембраной клетки, а их содержимое представляет собой внеклеточную среду. Основная функция системы Т-тубул заключается в обеспечении синхронного входа ионов кальция, необходимых для сокращения кар диомиоцита, из внеклеточной среды в цитоплазму по всей толщине и длине клетки. Именно поэтому Т-тубулы характерны лишь для высших позвоночных, у которых кардиомиоциты достигают большой толщины. Сравнительно узкие и длинные кардиомиоциты рыб и амфибий лишены Т-тубулярной системы. У млекопитающих объем Т-тубулярной системы может составлять до 36% от всего объема кардиомиоцита, при этом диа­метр Т-тубул довольно велик — 150—200 нм.

Важнейшей особенностью кардиомиоцитов является наличие специ­ализированных структур, называемых вставочными дисками. 

. Снимок изолированного кардиомиоцита желудочка крысы, полученный с по¬мощью сканирующего электронного микроскопа.

Рисунок 2. Снимок изолированного кардиомиоцита желудочка крысы, полученный с по­мощью сканирующего электронного микроскопа. На поверхности кпетки видны исчер­ченность, образованная Т-тубулами, и неровные области разрушенных боковых и торце­вых контактов

Они представляют собой комплекс, состоящий из различных типов меж клеточных контактов: лесмосом, промежуточных соединений и щеле­вых контактов. Последние особенно важны для функционирования миокарда, поскольку обеспечивают передачу возбуждения между кар- диомиоцнтами практически без задержки и, таким образом, превраща­ют все сердце в единый функциональный синцитий. Особенности функционирования щелевых контактов будут рассмотрены ниже. Как правило, вставочные диски соединяют между собой продольно лежа­щие кардиомиоциты с образованием тяжей или волокон.

Из внутренних структур кардиомиоцитов упомянем сокра ти тельный аппарат, организованный в миофибриллы, а также митохондрии, кото­рые не только присутствуют в большом количестве, но и объединены в единый функциональный комплекс благодаря наличию специализиро­ванных межмитохондриальных контактов. Важнейшую роль в функци­онировании кардиомиоцитов играет саркоплазматический ретику­лум — система внутриклеточных мембранных цистерн, соединенных между собой (см. рис. 2.2 на цветной вклейке). В нем запасается боль­шое количество ионов кальция, высвобождающихся в цитоплазму и наряду с внеклеточным кальцием инициирующих сокращение клетки.

Предсердные рабочие кардиомиоциты отличаются от желудочковых меньшей толщиной и более слабым развитием сократительного аппа­рата: плотность размещения миофиламентов в них почти в два раза меньше. Благодаря небольшой толщине предсердные клетки не нужда­ются также в сильном развитии Т-тубулярной системы. По количеству и размеру вставочных дисков кардиомиоциты предсердий также усту­пают желудочковым кардиомиоцитам. Тем не менее считается, что предсердные клетки имеют типичное строение и относятся к группе рабочих кардиомиоцитов. Атипичные кардиомиоциты пейсмекеров и проводящей системы отличаются от них кардинально.

Ткань сердечного пейсмекера первого порядка, синоатриального уз­ла. состоит из двух типов кардиомиоцитов, между которыми возможны переходные варианты. Так называемые Р-клетки преоблада­ют в центральной части узла. Они имеют толщину не более 8 мкм и длину до 20—30 мкм. В них крайне мало миофиламентов и митохонд­рий, поэтому такие клетки имеют низкие энергозатраты. Благодаря запасам гликогена клетки синоатриального узла могут сравнительно лег­ко переносить нехватку кислорода, получая энергию за счет гликолиза. Т-тубулы в Р-клетках отсутствуют, а саркоплазматический ретикулум развит значительно слабее, чем в рабочих кардиомиоцитах. Как прави­ло. Р-клетки в составе синоатриального узла объединяются в кластеры, соединяясь через немногочисленные щелевые контакты. Между таки­ми кластерами располагаются Т-клетки (переходные клетки), которые по своему строению представляют нечто среднее между рабочими предсердными кардиомиоцитами и Р-клетками. Если функция Р-клеток — ритмическая гене­рация электрической активно­сти. то основная задача Т-клеток заключается в передаче воз­буждения от центральной части синоатриального узла к рабоче­му предсердному миокарду.

Пейсмекерные кардиомиоциты разнообразной морфологии, выделенные из синоатриального узла кролика

Рисунок 2.3. Пейсмекерные кардиомиоциты разнообразной морфологии, выделенные из синоатриального узла кролика.

Кардиомиоциты проводящей системы желудочков, называе­мые также волокнами Пуркинье, в 3—4 раза превосходят рабочие кардиомиоциты как по толщине, так и по длине. Сократительный аппарат и система митохондрий в них развиты слабо, зато запасы гликогена составляют значитель­ную часть объема. Поскольку со­кратительная функция у волокон Пуркинье редуцирована, отсут­ствует необходимость и в системе Т-тубул, несмотря на большой диаметр клеток. Роль волокон Пу ркинье сводится к ускоренно­му проведению возбуждения, достигаемому за счет большого диаметра этих клеток, а также высокой плотности потенциал- управляемых натриевых каналов, речь о которых пойдет ниже. Наиболее ярко выраженные во­локна Пуркинье обнаруживают­ся у крупных млекопитающих, в особенности копытных, у грызу­нов они в меньшей степени отличаются от рабочих кардиомиоцитов.

Таким образом, в сердце можно выделить по меньшей мере четыре характерных типа кардиомиоцитов, различных по строению и функци­ям. Как мы увидим в дальнейшем, электрофизиологические характери­стики этих типов клеток также существенно различаются.

Поделитесь ссылкой:

Предыдущие:

  • Медитация способна замедлить процесс старения
  • Одного курса антибиотиков достаточно, чтобы разрушить микрофлору на год
  • Ваше имя(*)
    Введите символы

    E-mail(*)
    Неверный формат ввода.

    Текст вопроса
    Введите текст вопроса

      

    </p>">Задать вопрос
Просмотров: 392

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить