Электрическая активность сердца 14/02/2013

Сердце - это насос, обеспечивающий движение крови в системе кровообращения (транспорт кислорода, питательных веществ и веществ-регуляторов ко всем тканям и клеткам организма). Оно должно: иметь собственный источник возбуждения; работать непрерывно и ритмично; быть неспособным к тетаническим сокращениям; обладать высокой надежностью работы.

Две функционально разные системы сердца (обе системы состоят из мышечных клеток) Проводящая система сердца (автоматическая генерация и проведения возбуждения) Рабочий миокард (насосная функция)

Клетки одноядерные, поперечно исчерченные. Много митохондрий (АТФ синтезируется в результате окислительного фосфорилирования). Соединены электрическими контактами («функциональный синцитий»). Строение рабочего миокарда Изолированный кардиомиоцит Вставочный диск Клетки соединены электрическими контактами Электронная микрофотография кардиомиоцита Примембранные митохондрии Митохондрии между миофибриллами Миофибриллы

Электрическая связь между клетками рабочего миокарда Щелевые контакты (gap junctions) Мембраны соседних клеток сближаются до 2-4 нм. Диаметр канала коннексона – 1,5 нм. Вставочные диски «на стыке» двух клеток Промежуточные контакты Коннексоны Межклеточные каналы: различные варианты сборки Коннексин 45 Коннексин 43 Канал коннексона проницаем : для некоторых ионов (кроме Са 2+ ); для молекул диаметром менее 1 кДа (АТФ, АДФ, глутатион, циклический АМФ, инозитолтрифосфат) Состояние канала регулируется! Стимулы к закрытию: снижение рН цитоплазмы; увеличение внутриклеточной концентрации Са 2+ ; слишком сильный перепад мембранного потенциала между двумя клетками

Длительность ПД клеток миокарда сопоставима с длительностью сокращения!!! mV мс Потенциал действия Сокращение мышцы Длительная фаза рефрактерности: 1) препятствует образованию тетануса; 2)предотвращает циркуляцию возбуждения по миокарду Абсолютная Относительная Рефрактерность

Концентрации потенциалобразующих ионов во внутри- и внеклеточной среде p K ×[K + ] out + p Na ×[Na + ] out + p Ca ×[Ca + ] out p K ×[K + ] in + p Na ×[Na + ] in + p Ca ×[Ca + ] in E m 58 lg Na мM Na + 10 мM Ca мМ K мM K+ 4 мMK+ 4 мM Ca 2+ 2 мМ + - Основной ток, формирующий потенциал покоя

Ионные токи, деполяризующие и гиперполяризующие мембрану клетки E Na = +70 мВ E K = -90 мВ E Ca = +130 мВ p K ×[K + ] out + p Na ×[Na + ] out + p Ca ×[Ca + ] out p K ×[K + ] in + p Na ×[Na + ] in + p Ca ×[Ca + ] in E m 58 lg 0 Потенциал покоя Равновесные потенциалы Основной ток, формирующий потенциал покоя Увеличение p Na Уменьшение p Na Увеличение p Ca Уменьшение p Ca Деполяризующие токи Благодаря очень высокой р К+ потенциал покоя очень близок к Е К

Ионные токи, деполяризующие и гиперполяризующие мембрану клетки E Na = +70 мВ E K = -90 мВ E Ca = +130 мВ p K ×[K + ] out + p Na ×[Na + ] out + p Ca ×[Ca + ] out p K ×[K + ] in + p Na ×[Na + ] in + p Ca ×[Ca + ] in E m 58 lg 0 Потенциал покоя Равновесные потенциалы Уменьшение p K Увеличение p K Основной ток, формирующий потенциал покоя Увеличение p Na Уменьшение p Na Увеличение p Ca Уменьшение p Ca Деполяризующие токи Уменьшение р К – это еще один способ деполяризации мембраны

Фазы ПД кардиомиоцита желудочка: 0 – деполяризация (быстрая!) 1 – быстрая реполяризация 2 – плато 3 – окончательная реполяризация 4 – потенциал покоя g – проводимость Проводимость мембраны для ионов калия: в покое велика (обеспечивает высокий уровень потенциала покоя, который защищает кардиомиоциты от самовозбуждения) снижается при развитии ПД (это способствует поддержанию деполяризации во время фазы плато) Изменение проводимости мембраны для ионов МП (мВ)

Na + ток течет через быстро активирующиеся и быстро инактивирующиеся потенциалуправляемые каналы (блокируются тетродотоксином) Влияние тетродотоксина на ПД кардиомиоцитов Контроль После добавления ТТХ Инактивация Na + каналов – основная причина рефрактерности Инактивация (закрытие h-ворот): также запускается деполяризацией мембраны, но происходит медленнее, чем активация Открытие m-ворот (порог около -65 мВ) Изменение состояния Na + -канала в зависимости от уровня МП

Уменьшение длительности ПД кардиомиоцита под влиянием блокатора L-типа кальциевых каналов дигидропиридина Концентрация дигидропиридина (мкМ) Сa 2+ ток течет через потенциалуправляемые каналы L-типа (блокируются дигидропиридинами - «дигидропиридиновые рецепторы»)

Уменьшение проводимости мембраны для ионов калия происходит в результате закрытия «аномальных» К + -каналов (открыты при потенциале покоя, при деполяризации мембраны деполяризуются, а также закупориваются веществами-полиаминами) Фаза окончательной реполяризации связана с открытием медленных потенциалуправляемых К + каналов («задержанный» калиевый ток) Калиевые токи в кардиомиоцитах Транзиторный калиевый ток – частичная деполяризация в фазу 1 РЕПОЛЯРИЗУЮЩИЕ ТОКИ ТОК. КОТОРЫЙ СПОСОБСТВУЕТ ПОДДЕРЖАНИЮ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ПОЛИАМИНЫ спермин спермидин

ИТОГ: Токи, формирующие ПД кардиомиоцита Потенциал действия Токи: Быстрый натриевый ток Кальциевый ток (преимущественно через каналы L-типа) «Аномальный» калиевый ток Транзиторный калиевый ток «Задержанный» калиевый ток (обеспечивает окончательную реполяризацию) Плато Реполяризация Деполяризация

ПД кардиомиоцитов предсердия и желудочка Желудочек Предсердие Менее выражена фаза плато : Меньше плотность потенциал- зависимых Са 2+ -каналов Меньше плотность «аномальных» калиевых каналов; Меньше содержание полиаминов в клетках

Автоматия сердца (способность к самовозбуждению) Нейрогенная (у некоторых членистоногих: краба, омара, мечехвоста и др.) Возбуждение возникает в нервных клетках т.н. сердечного ганглия и затем передается мышечным клеткам сердца Миогенная (у всех позвоночных) Источником возбуждения является мышечная ткань Сердце способно к ритмическим сокращениям после изоляции из организма (и после блокирования возможного влияния внутрисердечных нервных элементов) Сердце эмбриона начинает сокращаться до формирования иннервации (у человека: ритмические сокращения – на день, иннервация – на день) Изолированные кардиомиоциты способны к ритмическим сокращениям

1 – синоатриальный узел (водитель ритма 1 порядка: уд/мин) 2 – атриовентрикулярный узел (водитель ритма 2 порядка: уд/мин) 3 – пучок Гиса 4 – правая и левая ветви пучка 5 – волокна Пуркинье ФУНКЦИИ: генерация ПД распространение ПД по миокарду Проводящая система сердца вентрикулярная проводящая система – пейсмекеры 3 порядка (30-40 уд/мин)

Кластерное строение СУ человека: видны 2 кластера пейсмекерных клеток (Р) Локализация синоатриального узла и строение его клеток Клетки, изолированные из синоатриального узла кролика В синусном (и атриовентрикулярном) узле клетки мелкие, расположены «поперек» распространения возбуждения. Кластеры клеток разделены прослойками соединительной ткани. Скорость проведения возбуждения невелика

Сравнение ПД клеток желудочка и синоатриального узла Для клеток синоатриального узла характерны: нестабильность мембранного потенциала во время диастолы (МЕДЛЕННАЯ ДИАСТОЛИЧЕСКАЯ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ) меньший уровень поляризации (сравнительно низкий максимальный диастолический потенциал) менее крутой фронт нарастания ПД (формируется I Ca2+ ) отсутствие фазы плато отсутствие овершута Желудочек С-А узел Медленная диастолическая деполяризация Максимальный диастолический потенциал

«Рабочий цикл» клеток миогенного пейсмекера сердца Активация потенциал- управляемых кальциевых каналов Активация потенциал- управляемых калиевых каналов Деполяризация «Гиперполяризация» (достижение максимального диастолического потенциала) Реполяризация Медленная диастолическая деполяризация ? I. III. II. IV. I. III. II. IV.

«Рабочий цикл» клеток миогенного пейсмекера сердца Деполяризация «Гиперполяризация» (достижение максимального диастолического потенциала) Реполяризация Медленная диастолическая деполяризация I. III. II. IV. Активация funny-тока «Funny» ток Активируется гиперполяризацией Деполяризующий Течет через неселективные катионные каналы, по строению сходные с калиевыми каналами (при мембранном потенциале мВ ток преимущественно натриевый) Регулируется медиаторами симпатических и парасимпатических нервов Активация потенциал- управляемых кальциевых каналов Активация потенциал- управляемых калиевых каналов

Причины медленной диастолической деполяризации: 1) снижение К + -проницаемости 2) Na + -ток (I f – funny; активируется, если мембранный потенциал достигает -50 мВ).Ток входящий - деполяризует мембрану. В результате происходит открытие потенциал- управляемых Ca 2+ -каналов: Т-типа («transient»; порог активации около -50 мВ; низкая проводимость ), а затем – L-типа («long-lasting», порог активации -30 мВ, проводимость выше). Токи, формирующие ПД клеток синусного узла Ионные токи

Синхронизация возбуждения клеток синоатриального узла До установления электрической связи клетки возбуждаются врозь Клетки электрически связаны друг с другом, возбуждаются синхронно Связь клеток друг с другом через электрические синапсы Взаимодействие электрических полей, создаваемых отдельными кластерами пейсмекерных клеток Растяжение сокращающимися предсердиями Механическое влияние пульсации артерии синоатриального узла

ТканьСкорость (м/сек) синоатриальный и атриовентрикулярный узлы 0.03 предсердие1 волокна Пуркинье4 желудочек1 Скорость проведения ПД в различных отделах сердца Атриовентрикулярная задержка проведения: около 0.1 сек Предсердие AV-узел Пучок Гиса Схема расположения пучков проводящей ткани в AV-узле 0.20 сек 0.22 сек 0.21 сек

Биоэлектрическая активность разных отделов сердца Самый длительный ПД – в ножках пучка Гиса и волокнах Пуркинье (благодаря этому клетки волокон Пуркинье не возбуждаются от кардиомиоцитов желудочков) В поверхностных (субэпикардиальных) слоях миокарда ПД кардиомиоцитов короче, чем во внутренних (субэндокардиальных)

Стимуляция блуждающего нерва Стимуляция симпатического нерва AV-узел лягушки Схема иннервации сердца млекопитающих Блуждающий нерв (пре- ганглионарные волокна) Парасимпатические нервы иннервируют проводящую систему и миокард предсердий (в желудочках млекопитающих парасимпатическая иннервация очень редкая). Правый блуждающий нерв идет к SA-узлу, левый – к AV-узлу. Симпатические нервы иннервируют все структуры сердца (проводящую систему, миокард предсердий и желудочков) Звездчатый симп.ганглий II грудной симп. ганглий Продолгова- тый мозг Гипоталамус Кора больший полушарий

Ацетилхолин замедляет МДД и увеличивает максимальный диастолический потенциал клеток пейсмекера увеличение максимального диастолического потенциала (в результате активации АХ- управляемых калиевых каналов) замедление диастолической деполяризации (подавление funny-тока)

Норадреналин активирует, а ацетилхолин тормозит funny ток Влияние медиаторов на форму ПД Влияние на величину funny-тока Контроль АХ НА Контроль АХ НА

Механизмы влияния медиаторов на клетки сердца Активация АХ-зависимых калиевых каналов (взаимодействие β -субъединицы G-белка с каналом) Аденилат- циклаза цАМФ Протеин- киназа А Активация каналов, проводящих funny-ток (прямое влияние цАМФ, без участия протеинкиназы А) Фосфорилирование и активация Са 2+ - каналов L-типа В сердце повышение концентрации цАМФ приводит к положительным эффектам Быстрый эффект НА АХ

SA-узел AV-узел Миокард предсердий Сокращение

Электрокардиограмма Огюст Дезире Уоллер (Augustus Desire Waller, ) и его знаменитый бульдог Джимми ПЕРВАЯ ЗАПИСЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ СЕРДЦА (1887 г.)

ЭКГ отражает электрическую (а не механическую) активность сердца! Изоэлектрическая линия (в сердце отсутствует разность потенциалов) 1 мВ По ЭКГ можно установить: положение сердца в грудной клетке; относительный размер камер сердца; нарушения ритма и проведения возбуждения; нарушение электрической активности миокарда и его локализацию в сердце

Дипольная теория генеза ЭКГ Каждая клетка сердца представляет собой диполь. Элементарный вектор направлен от «-» к «+», т.е. от возбужденного участка к невозбужденному Элементарные векторы складываются (по правилу параллелограмма) – суммарный вектор сердца, который все время меняется по величине и направлению

Соотношение различных участков ЭКГ с фазами возбуждения сердца Возбужденные участки показаны красным, участки в состоянии реполяризации - розовым. Черные стрелки указывают направление и относительную величину интегрального вектора в отдельные моменты цикла возбуждения. Кривые, расположенные между изображениями ЭКГ и сердца,–это петли, описываемые концом сердечного вектора во фронтальной проекции (фронтальная векторкардиограмма).

Отведение ЭКГ в трех стандартных отведениях (предложены В.Эйнтховеном в 1908 г.) Изменение амплитуды и полярности QRS-комплекса при отклонении электрической оси сердца вправо или влево Изменение амплитуды и полярности QRS-комплекса при отклонении электрической оси сердца вправо или влево 60° (норма) Отклонение вправо (120°) Заземля- ющий электрод ЭОС Если ЭОС параллельна линии данного отведения, амплитуда зубцов в этом отведении будет наибольшей. ЭОС Если ЭОС направлена перпендикулярно линии отведения - амплитуда зубцов будет равной 0. ЭОС Если проекция ЭОС совпадает с направлением вектора оси отведения – зубец R будет положительным. ЭОС Если проекция ЭОС и вектор оси отведения направлены противоположно - зубец R будет отрицательным. Отклонение влево (0°) ЭОС – электрическая ось сердца отражает среднюю величину ЭДС во время электрической систолы.

Блокада атриовентрикулярного проведения Нормальный ритм Блокада I степени Блокада II степени Блокада одной из ножек пучка Гиса ЛевойПравой

Динамика изменения ЭКГ при инфаркте миокарда (регистрация в трех стандартных отведениях) До В первые часы Через несколько недель

Сухой остаток ПД клеток миокарда по длительности сопоставим с сокращением ( мс). Во время ПД развивается рефрактерность, которая защищает сердце от тетануса. ПД клеток миокарда имеет фазу плато, которая обусловлена входом в клетку Са 2+ Сердце позвоночных обладает миогенной автоматией. ПД клеток синусного узла имеет медленную диастолическую деполяризацию, во время которой течет funny-ток. Этот ток активируется гиперполяризацией и переносится ионами натрия Норадреналин активирует, а ацетилхолин тормозит «funny» ток ЭКГ отражает электрическую (а не механическую) активность сердца. Генез ЭКГ можно объяснить с использованием дипольной теории.