Что такое нарушение процессов реполяризации в миокарде: от чего возникают, как проявляются, чем опасны и как нужно лечить

Введение

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя?

Что такое «животное электричество»? Откуда в организме берутся «биотоки»? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в «электрическую батарейку»?

— На эти вопросы мы сможем ответить, если узнаем, как клетка за счёт перераспределения электрических зарядов создаёт себе  электрический потенциал на мембране.

Как работает нервная система? С чего в ней всё начинается? Откуда в ней берётся электричество для нервных импульсов?

— На эти вопросы мы также сможем ответить, если узнаем, как нервная клетка создаёт себе электрический потенциал на мембране.

Итак, понимание того, как работает нервная система, начинается с того, что надо разобраться, как работает отдельная нервная клетка — нейрон.

А в основе работы нейрона с нервными импульсами лежит перераспределение электрических зарядов на его мембране и изменение величины электрических потенциалов. Но чтобы потенциал изменять, его нужно для начала иметь. Поэтому можно сказать, что нейрон, готовясь к cвоей нервной работе, создаёт на своей мембране электрический потенциал, как возможность для такой работы.

Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы — это понять, каким образом перемещаются электрические заряды на нервных клетках к как за счёт этого на мембране появляется электрический потенцила. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс появления электрического потенциала у нейронов — формирование потенциала покоя.

Сосудистый эндотелий

Эндотелий представляет собой тонкий слой простых плоскоклеточный эпителиальных клеток, выстилающих внутреннюю часть и кровеносных и лимфатических сосудов. Эндотелий , что линии кровеносных сосудов , как известно , как сосудистый эндотелий, который подлежит и должен выдерживать силы кровотока и артериального давления от сердечно — сосудистой системы.

Для того, чтобы выдержать эти силы сердечно — сосудистой системы , эндотелиальные клетки должны одновременно иметь структуру , способную выдерживать силы циркуляции в то же время поддерживая определенный уровень пластичности в прочности их структуры

Эта пластичность в структурной прочности сосудистого эндотелия имеет важное значение для общей функции сердечно — сосудистой системы

Эндотелиальные клетки в кровеносных сосудах могут изменить силу их структур для поддержания тонуса сосудов кровеносного сосуда они выравнивают, предотвратить сосудистую жесткость, и даже помогает регулировать кровяное давление в сердечно — сосудистой системе. Эндотелиальные клетки выполнить эти подвиги с помощью деполяризации , чтобы изменить их прочность конструкции.

Рефрактерные периоды и физиология образования потенциала действия клетки

Потенциалы действия работают на основе «все или ничего». Это означает, что потенциал действия либо срабатывает, либо не похож на щелчок переключателя. Нейрон всегда посылает потенциал действия одинакового размера. Итак, как мы можем показать, что некоторая информация более важна или требует нашего внимания прямо сейчас? Ответ заключается в том, как часто посылаются потенциалы действия — частота потенциала действия.

Когда мозг действительно возбуждается, он запускает много сигналов. Как быстро эти сигналы запускают огонь, говорит нам, насколько сильный исходный стимул — чем сильнее сигнал, тем выше частота потенциалов действия. Существует максимальная частота, с которой один нейрон может посылать потенциалы действия, и это определяется его рефрактерными периодами.

Абсолютный рефрактерный период: за это время абсолютно невозможно отправить другой потенциал действия. Ворота инактивации (h) натриевых каналов на какое-то время закрываются и делают так, что натрий не пройдет. Отсутствие натрия означает отсутствие деполяризации, что означает отсутствие потенциала действия. Абсолютные рефрактерные периоды помогают направить потенциал действия вниз по аксону, потому что только каналы дальше по течению могут открывать и впускать деполяризующие ионы.

Относительный рефрактерный период: в это время действительно сложно направить потенциал действия. Это период после абсолютного рефрактерного периода, когда ворота снова открыты. Тем не менее, ячейка по-прежнему гиперполяризована после отправки потенциала действия. Для достижения соответствующего деполяризационного потенциала потребовалось бы даже больше положительных ионов, чем обычно, чем обычно. Это означает, что исходное инициирующее событие должно быть больше нормального, чтобы передавать больше потенциалов действия. Относительные рефрактерные периоды могут помочь нам понять, насколько интенсивным является стимул — клетки в вашей сетчатке будут посылать сигналы быстрее при ярком свете, чем при тусклом свете, потому что триггер сильнее.

Периоды рефрактерности в физиологии формирования потенциалов действия также дают нейрону некоторое время для пополнения пакетов нейротрансмиттера, обнаруженного на терминале аксона, чтобы он мог продолжать передавать сообщение. Несмотря на то, что все еще возможно полностью исчерпать запас нейронов, передаваемых нейронами, путем непрерывного запуска, рефрактерные периоды помогают клетке продержаться немного дольше.

Как определяют отклонения

Главный и единственный метод диагностики нарушений реполяризации желудочков – электрокардиография. На пленке видны неспецифические изменения зубца Т (преимущественно в грудных отведениях) – он становится высоким, заостренным, или, наоборот, у него уменьшается амплитуда, он может быть отрицательным.

Гораздо больший интерес представляет ЭКГ-диагностика СРРЖ, при которой отмечаются следующие основные признаки:

• подъем сегмента ST;
• точка j, «верблюжий горб», «волна Осборна» – зазубрина на нисходящей части сегмента ST;

Также может наблюдаться укорочение интервалов PQ и QT.

Расшифровка кардиограммы требует особой внимательности от врача, так как подъем сегмента ST встречается при других, более серьезных патологиях, – стенокардии, инфаркте миокарда, перикардите и т.д. Чаще всего в дифференциальной диагностике не помогает клиническая картина, т.к. СРРЖ не сопровождается никакими симптомами.

Однако же, если я нахожу вышеперечисленные изменения на пленке у взрослого человека (особенно после 40 лет), то дополнительно назначаю стресс-тесты, т.е. снятие ЭКГ в то время, когда пациент выполняет умеренную физическую нагрузку – на велоэргометре или тредмиле (беговой дорожке). При СРРЖ кардиограмма приходит в норму. Это помогает мне провести дифференциальную диагностику с безболевой формой стенокардии и инфаркта.

В случае неопределенной ЭКГ-картины я применяю специальные пробы с лекарственными средствами. Пациенту вводится хлорид калия или Новокаинамид. Через 30 мин снимается ЭКГ. При СРРЖ признаки становятся более отчетливыми.

Для обнаружения возможных аритмий я провожу своим больным суточное (холтеровское) мониторирование ЭКГ.

Так как СРРЖ может развиваться на фоне органических заболеваний сердца, я назначаю эхокардиографию для оценки морфологической структуры миокарда.

Упражнение «ямка-горка» для мембраны

Мы с вами уже разобрались, какие бывают каналы и как они поддерживают внутреклеточный гомеостаз (постоянство среды). Калиевые каналы обладают одними «вратами», который в покое открыты, а натриевые – двумя, и те, которые располагаются более близко к наружной среде – в покое закрыты. Но вот как только клетка начинает возбуждаться и генерировать потенциал действия, всё меняется. Как? Двухфазно и циклически.

Дело в том, что потенциал действия тоже не возникает на «пустом» месте, и для того, чтобы он появился, нужен свой определённый по силе пороговый раздражитель. Здесь самое время сказать о том, что раздражители тоже бывают разными: одни подходящие (пороговые, их воздействие вызывает ПД), другие слабоваты (подпороговые, вызывают локальный ответ, но до возбуждения «не дотягивают»), а третьи – чрезмерные (надпороговые, могут и «убить»).

Итак, фаза 1 – деполяризация.

В покое мембрана поляризована, и мембранный потенциал (разница между зарядами внутри и снаружи) составляет у нервных клеток и волокон -70 мВ (для сравнения, у мышечных клеток он равен -90 мВ). Как только на клетку действует раздражитель (предположим, он по силе «идеален»), натрий, которого много вовне, устремляется внутрь через постепенно открывающиеся потенциал-зависимые ионные каналы и деполяризует мембрану до того самого порогового уровня (около -55 мВ), после которого лавинообразно и одномоментно распахиваются абсолютно все подобные каналы. Таким образом, мембрана резко меняет свой заряд, и там, где был (-), становится (+) – внутри, а там был (+), становится (-) — снаружи. Мембрана приобретает заряд около +40 мВ, и тот пик, пока она заряжена положительно (выше 0 мВ), называется овершутом (нет это не «очень крутой» шут, а такой термин).

С этого момента начинается фаза 2 – реполяризация.

Достигнув максимального пика, сила потенциала падает, и ионный ток начинает обратное движение (нужно же убрать «всё это безобразие» после «вечеринки»). При этом потенциал-зависимые натриевые каналы захлопываются, но открываются каналы для К+, который начинает активно выходить по градиенту концентрации (помним, что снаружи его меньше) и восстанавливать внутренний отрицательный заряд мембраны. Однако, натрия в клетке всё ещё много, и чтобы его ликвидировать, подключаются энергозатратные К/Na-насосы. В итоге все эти механизмы перевыполняют свою работу, и клетка слегка уходит в гиперполяризацию, приобретая даже более сильный отрицательный заряд, который ей в принципе нужен для покоя. Но потом всё быстро восстанавливается, и вот мембрана уже снова готова к приходу сокрушительного деполяризующего «цунами».

Конечно, стоит отметить, что вторая фаза потенциала действия, как правило, обусловлена не одним, а целым семейством взаимодействующих калиевых, кальциевых и других токов.

Прогноз

Прогноз при изолированном синдроме ранней реполяризации желудочков полностью благоприятный. Прогноз при наличии какого-либо из нарушений реполяризации, обусловленном другими заболеваниями, определяется характером и тяжестью этого заболевания. Так, например, прогноз при пороке сердца, который не был своевременно скорригирован хирургическим путем, неблагоприятен, в то время как после операции продолжительность и качество жизни значительно возрастают. Опять же, случаи внезапной сердечной смерти среди родственников молодого возраста в семье значительно утяжеляют прогноз для пациента, а отсутствие семейного анамнеза и клинических проявлений имеют более благоприятное прогностическое значение.

Как работают потенциалы действия?

Потенциалы действия (те электрические импульсы, которые посылают сигналы вокруг вашего тела) являются не чем иным, как временным сдвигом (с отрицательного на положительный) мембранного потенциала нейрона, вызванного ионами, внезапно входящими и выходящими из нейрона. В состоянии покоя (до возникновения потенциала действия) все закрытые натриевые и калиевые каналы закрыты. Эти закрытые каналы отличаются от каналов утечки и открываются только после срабатывания потенциала действия. Мы говорим, что эти каналы являются «управляемыми напряжением», потому что они открыты и закрыты в зависимости от разности напряжений на мембране ячейки. Натриевые каналы, управляемые напряжением, имеют два вентиля (калитка м и калитка h), а калиевый канал.

Есть три основных события, которые происходят во время действия потенциала:

Инициирующее событие, которое деполяризует тело клетки. Этот сигнал исходит от других клеток, соединяющихся с нейроном, и вызывает попадание положительно заряженных ионов в тело клетки. Положительные ионы все еще поступают в клетку, чтобы деполяризовать ее, но эти ионы проходят через каналы, которые открываются, когда конкретное химическое вещество, известное как нейротрансмиттер, связывается с каналом и приказывает ему открыться.

Нейротрансмиттеры высвобождаются клетками вблизи дендритов, часто как конечный результат их собственного потенциала действия! Эти поступающие ионы приближают потенциал мембраны к 0, что называется деполяризацией. Объект является полярным, если есть разница между более отрицательными и более положительными областями. По мере того как положительные ионы попадают в отрицательную ячейку, эта разница и, следовательно, полярность ячейки уменьшаются. Если тело ячейки становится достаточно положительным, чтобы оно могло запустить натриевые каналы с управляемым напряжением, найденные в аксоне, то потенциал действия будет послан.

Деполяризация — делает клетку менее полярной (мембранный потенциал уменьшается, когда ионы быстро начинают выравнивать градиенты концентрации). Управляемые напряжением натриевые каналы в той части аксона, которая находится ближе всего к телу клетки, активируются благодаря недавно деполяризованному телу клетки. Это позволяет положительно заряженным ионам натрия течь в отрицательно заряженный аксон и деполяризировать окружающий аксон. Мы можем думать о том, что каналы открываются как домино, падающие вниз — как только один канал открывается и пропускает положительные ионы, он создает основу для того, чтобы каналы вниз по аксону делали то же самое. Хотя эта стадия известна как деполяризация, нейрон фактически переходит равновесие и становится положительно заряженным, когда потенциал действия проходит!

Реполяризация — возвращает клетку к потенциалу покоя. Ворота инактивации натриевых каналов закрываются, останавливая приток положительных ионов внутрь. В то же время калиевые каналы открываются. В клетке гораздо больше калия, чем наружу, поэтому, когда эти каналы открываются, выходит больше калия, чем поступает. Это означает, что клетка теряет положительно заряженные ионы и возвращается обратно в состояние покоя.

Гиперполяризация — делает клетку более негативной, чем ее типичный мембранный потенциал в покое. Когда потенциал действия проходит, калиевые каналы остаются открытыми немного дольше и продолжают пропускать положительные ионы из нейрона. Это означает, что ячейка временно гиперполяризована или становится еще более отрицательной, чем ее состояние покоя. Когда калиевые каналы закрываются, натриево-калиевый насос восстанавливает состояние покоя.

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ МЕМБРАНЫ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА И ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Давайте рассмотрим, как возникает и развивается потенциал действия, который приводит в дальнейшем к сокращению скелетных мышц. Вначале разберем, что такое потенциал покоя.

Потенциал покоя мембраны мышечного волокна

В состоянии покоя сарколемма (мембрана) мышечного волокна поляризована или, другими словами, имеется определенный мембранный потенциал покоя. Снаружи мембраны заряд положительный, а внутри – отрицательный (рис.1). Разность потенциалов между наружной и внутренней оболочками мембраны мышечного волокна составляет 90 мВ.

Рис.1

В тканевой жидкости, окружающей мышечные волокна, выше концентрация ионов натрия (Na+), а в саркоплазме мышечного волокна – ионов калия (К+). Однако положительно заряженные ионы К+ не полностью уравновешивают анионы (отрицательно заряженные ионы), содержащиеся в саркоплазме мышечного волокна, это обусловливает отрицательный заряд мембраны мышечного волокна (то есть ее внутренней оболочки).

Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах:

• Гипертрофия скелетных мышц человека
• Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека

мышечное волокнамотонейронамышечного волокнамышечное волокно++мышечное волокно+мышечного волокнадеполяризуется

Потенциал действия

Возникшая волна деполяризации передается вдоль оболочки мышечного волокна. При этом все больше открывается каналов натрия и все больше ионов Na+ входит внутрь волокна. Скорость проникновения ионов Na+ внутрь мышечного волокна очень высокая — несколько миллионов ионов в секунду (А. Дж. Мак-Комас, 2001) (рис.2).

Рис. 2. Распространение волны деполяризации вдоль поверхностной мембраны мышечного волокна (E.N.Marieb, 2015)

Каналы калия, однако остаются закрытыми. Через каналы натрия ионы К+ пройти не могут. Это связано с тем, что ионы Na+ имеют диаметр 0,1 нм, а ионы К+ — 0,13 нм.

Этот кратковременный процесс (не более 1-2 мс) деполяризации мышечного волокна называется потенциалом действия. Разность потенциалов между оболочками мышечного волокна доходит  до 120-130 мВ. Волна деполяризации через Т-трубочки достигает саркоплазматического ретикулума, и из него в саркоплазму выделяются ионы кальция (Ca2+) начинается процесс сокращения мышечного волокна. Об этом я расскажу более подробно в дальнейшем.

Следует заметить, что процесс распространения волны деполяризации вдоль мышечного волокна можно зарегистрировать посредством электромиографии.

Реполяризация

После прохождения волны деполяризации, каналы натрия закрываются и открываются каналы калия. Ионы К+ начинают выходить из мышечного волокна, так как они заряжены положительно, а снаружи мембрана заряжена отрицательно. Потенциал действия снижается. Мембрана мышечного волокна восстанавливает свою полярность. Это называется реполяризацией. Вновь снаружи она заряжена положительно, а внутри – отрицательно. Однако существуют отличия от первоначального состояния мышечного волокна, так как снаружи мышечного волокна теперь много ионов К+, а внутри мышечного волокна много ионов Na+ .

Работа натрий-калиевой помпы (насоса)

Чтобы восстановить исходное состояние мышечного волокна начинает действовать натрий-калиевый насос (помпа). Этот насос за счет энергии АТФ активно выкачивает из мышечного волокна ионы Na+ и закачивает ионы К+ внутрь. Натрий-калиевый насос представляет собой белковую молекулу. Таких молекул в мембране мышечного волокна достаточно много. На работу этого механизма тратится около 70% энергии мышечного волокна.

Работа кальциевой помпы (насоса)

Чтобы закачать в саркоплазматический ретикулум ионы кальция, начинает работать кальциевый насос. Этот насос закачивает в саркоплазматический ретикулум 90% ионов кальция (Ca2+). Функционирование этого насоса стимулирует присутствие ионов магния ( Mg2+). Для транспорта ионов кальция в саркоплазматический ретикулум также нужна энергия АТФ. Доказано, что для транспорта двух ионов кальция тратится одна молекула АТФ ( А. Дж. МакКомас, 2001).

Литература:

1. Мак-Комас А. Дж. Скелетные мышцы человека. – Киев: Олимпийская литература, 2001.- 407 с.

Молекулярные механизмы возникновения потенциала действия

Активные свойства мембраны, обеспечивающие возникновение потенциала действия, основанные главным образом на поведении потенциал-зависимых натриевых (Na +) и калиевых (K +) каналов. Начальная фаза ПД формируется входным натриевым током, позже открываются калиевые каналы и выходной K + -ток возвращает потенциал мембраны к исходному уровню. Начальное концентрацию ионов затем восстанавливает натрий-калиевый насос.

По ходу ПД каналы переходят из состояния в состояние: в Na + -каналов основных состояния трех — закрытый, открытый и инактивированный (в реальности все сложнее, но этих трех состояний достаточно для описания), в K + каналов два — закрытый и открытый.

Поведение каналов, участвующих в формировании ПД, описывается через проводимость и рассчитывается через коэффициенты переноса (трансфера).

Коэффициенты переноса были выведены Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли.

Проводимость для калия _G K на единицу площади [S / cm²]

Проводимость для натрия _G Na на единицу площади [S / cm²]

рассчитать сложнее, поскольку, как уже было упомянуто, в потенциал-зависимых Na + каналов, кроме закрытого / открытого состояний, переход между которыми параметром, еще инактивированный / никак инактивированный состояния, переход между которыми описывается через параметр

Синапс

Передача сигнала от одного нейрона к другому происходит в специальном контакте между нейронами, в синапсе . Мы рассмотрим только химические синапсы (есть еще электрические), поскольку они весьма распространены в нервной системе и важны для регуляции клеточного метаболизма, доставки питательных веществ .

Чаще всего, химический синапс образован между окончанием аксона одного нейрона и дендритом другого. Его работа напоминает… «переброс» эстафетной палочки, роль которой и играет нейромедиатор — химический посредник передачи сигнала , , .

На пресинаптическом окончании аксона ПД вызывает выброс нейромедиатора во внеклеточную среду — к принимающему нейрону. Последний только этого и ждет с нетерпением: в мембране дендритов рецепторы — ионные каналы определенного типа — связывают нейромедиатор, открываются и пропускают через себя разные ионы. Это приводит к генерации маленького постсинаптического потенциала (ПСП) на мембране дендрита. Он напоминает ПД, но значительно меньше по амплитуде и происходит за счет открывания других каналов. Множество этих маленьких ПСП, каждый от своего синапса, «сбегаются» по мембране дендритов к телу нейрона (зеленые стрелки на рис. 3а) и достигают начального сегмента аксона, где вызывают открывание Na-каналов и «провоцируют» его на генерацию ПД.

Такие синапсы называются возбуждающими: они способствуют активации нейрона и генерации ПД. Существуют также и тормозящие синапсы. Они, наоборот, способствуют торможению и препятствуют генерации ПД. Часто на одном нейроне есть и те, и другие синапсы

Определенное соотношение между торможением и возбуждением важно для нормальной работы мозга, формирования мозговых ритмов, сопровождающих высшие когнитивные функции

Как это ни странно, выброс нейромедиатора в синапсе может и не произойти вовсе — это процесс вероятностный , . Нейроны так экономят энергию: синаптическая передача и так обусловливает около половины всех энергозатрат нейронов . Если бы синапсы всегда срабатывали, вся энергия пошла бы на обеспечение их работы, и не осталось бы ресурсов для других процессов. Более того, именно низкая вероятность (20–40%) выброса нейромедиатора соответствует наибольшей энергетической эффективности синапсов. Отношение количества полезной информации к затрачиваемой энергии в этом случае максимально , . Так, выходит, что «неудачи» играют важную роль в работе синапсов и, соответственно, всего мозга. А за передачу сигнала при иногда «не срабатывающих» синапсах можно не беспокоиться, так как между нейронами обычно много синапсов, и хоть один из них да сработает.

Различные комбинации быстрых AMPA-, более медленных NMDA- и метаботропных рецепторов позволяют нейронам отбирать и использовать наиболее полезную для них информацию, важную для их функционирования . А «бесполезная» информация отсеивается, она не «воспринимается» нейроном. В таком случае не приходится тратить энергию на обработку ненужной информации. В этом и состоит еще одна сторона оптимизации синаптической передачи между нейронами.

Общая характеристика

Потенциалы действия могут отличаться по своим параметрам в зависимости от типа клетки и даже на разных участках мембраны одной и той же клетки. Наиболее характерный пример различий: потенциал действия сердечной мышцы и потенциал действия большинства нейронов. Все же, в основе любого потенциала действия лежат следующие явления:

1. «Мембрана живой клетки поляризована» — ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к наружной благодаря тому, что в растворе у ее внешней поверхности находится большее количество положительно заряженных частиц (катионов), а у внутренней поверхности — большее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).
2. «Мембрана имеет избирательную проницаемость ‘- ее проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.
3. «Мембрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемость ‘для определенного вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю

Первые два свойства характерны для всех живых клеток. Третья же является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.

Основной математической моделью, описывающей генерацию и передачу потенциала действия, является модель Ходжкина-Хаксли.