Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
, тогда общий ионный ток равен нулю (I=0), за счет того, что выходящая компонента становится равной выходящей: I вх = I вых I вх обусловлена Is i , тогда как, I вых = Iк + I l Фаза плато сменяется вновь реполяризацией (3), которая обеспечивается продолжающейся активацией Iк и наступлением инактивации Is i Нобл (1962) предполагал, что I вых обеспечивают К + -каналы аномального выпрямления, так как при Е -60мВ они открыты, но закрываются при 137 деполяризации, что снижает I вых. Ходоров такие каналы нашѐл в нейроне (Iк 2 ). Фаза конечной реполяризаци (Фаза 3) ПД кардиомиоцитов обеспечивается нарастанием процесса инактивации Is i , и активации I к. В результате I 0 -выходящий становится больше входящего. По природе Iк 1 протекает по каналам задержанного выпрямления (Ix 1 - = 500мсек; Ix 2 – =5сек). Электромеханическое сопряжение в миокарде отличается от скелетного волокна тем, что в регуляции сокращения, наряду с кальцием СПР, в нем участвует внеклеточный кальций. Подтверждает эту точку зрения то, что Is i i соотносится с силой сокращения на разных уровнях мембранного потенциала: 1. –60-50мВ–активация сокращения пороговый уровень Is i i и сокращения не совпадают, 2. –20-+20мВ – пик Is i i и сокращение тесно коррелируют, 3. 20мВ величина Is i i снижается более круто, чем сила сокращения. Транзиторное изменение концентрации ионов кальция в цитоплазме обеспечивает: 1. Передачу возбуждения с сарколеммы на сократительный аппарат. 2. Насыщение ионами кальция приводит к генерации максимального сокращения. 3. Удаление ионов кальция из цитоплазмы – фактор расслабления. Зависимость силы сокращения от частоты стимуляции говорит о том, что чем больше частота стимуляции, тем меньше пауза между двумя стимулами, меньше период покоя и ионы кальция не успевают закачиваться в СПР и выходить из клетки. Накопление ионов кальция в СПР приводит к повышению сокращения в последнем стимуле. Таким образом, I si непосредственно не обеспечивает сокращение, а лишь стимулирует высвобождение ионов кальция из СПР. I si подпитывает СПР ионами кальция (быстрая фаза Is i i -ПД, медленная – подпитка). Данная точка зрения подтвердилась в экспериментах Изенберга – одиночный кардиомиоцит + фиксация напряжения + регистрация сокращения + определение внутриклеточного кальция (Рис. 35). 138 Рис. 35. Эксперименты Изенберга А – ПД Б – Is i В – сокращение Г – концентрация Са 2+ внизу – стимулирующие импульсы 1. При чередовании импульсов 500 мс чрез 500 мс регистрировался ПД, Is i , Z 1 и Z 2 – быстрая и медленная компонента увеличения внутриклеточного кальция и сокращение. 2. При сокращении длительности импульсов до 50 мс ПД развивался, но Z 2 и Is i – укорачивались, амплитуда сокращение снижалась. 3. Если первый стимул был короткий 50 мс, а второй нормальный -500 мс, то отсутствовала фаза Z 2 , величина Is i была нормальной, амплитуда сокращения снижалась. 4. Если первый стимул был нормальный 500 мс, а второй короткий 50 мс, то на фоне ПД были выражены обе фазы Z 1 и Z 2, и, хотя Is i укорачивался, амплитуда сокращения была как в контрольном случае. Вывод: 1. Фаза Z 1 совпадает с Is i и им обусловлена. 2. Фаза Z 2 – связана с выбросом кальция из СПР и определяет амплитуду сокращения. Автоматию сердца обеспечиваютР-клетки (N-клетки) – пейсмекеры, которые подразделяют на истинные и латентные. Они располагаются в синатриальном узле, атриовентрикулярном узле, пучках Бахмана, Гисса Р-клетки объединены в пучки (гроздья) с общей базальной мембраной и у каждой своя плазматическая мембрана. Структура синатриального узла сочетает в центральной части Р-клетки; ближе к периферии – промежуточные клетки и рабочий миокард. Электрофизиологические параметры Р-клеток 1. плавный переход межимпульсного периода в фазу О ПД; 2. нет периода стабилизации фазы 4, т.е. нет как такового ПП. Существует медленная диастолическая деполяризация (МДД - max –50- 60мВ); 139 3. медленная dt dV в фазу 0 ( 10 в/с); 4. закругленная вершина; 5. отсутствие плато; 6. отсутствие или низкий овершут; 7. ПД не чувствителен к ТТХ, но угнетается блокаторами кальциевых каналов 8. Латентные пейсмекеры имеют большую скорость dV/dt в фазу 0 и меньшую скорость МДД, имеют плато с горбом. Механизмы автоматии основаны на том, что состоянии покоя сумма входящих и выходящих ионных токов равна: вх = вых Для возникновения МДД необходимо, чтобы вх вых достаточного для достижения уровня порога и возникновения ПД. Согласно гипотезе Бабского смещение N c в сторону более отрицательного Е М, например, до -70мВ, при ПП в –55-60мВ будет приводить к усилению вх Согласно гипотезе Ходорова этого же эффекта можно достичь при снижении выходящего калиевого тока . Согласно гипотезе Noble, Tsien (1980) в этом процессе задействованы к 2 – каналы аномального выпрямления, которые кратковременно активируются при гиперполяризации мембраны, а затем их инактивация может привести к развитию МДД. Хроноинотропия – сила сокращения зависит от частоты стимуляции. Если она возрастает – это лестница Боудича, если снижается – Вудвордса. Оценка хроноинотропии проводится сравнением амплитуд тестируемого сокращения (А х ) к фоновому (А ф ): 1 x ф формула Изакова A p A Если Р 0 лестница Боудича; Если Р 0 – Вудвордса. Гипотеза Кохвезера: при возбуждении мышцы выделяются 2 фактора, которые действуют на сократительный аппарат: 1. NIEA – негативный инотропный эффект активации – вызывает снижение сокращения. 2. PIEA – позитивный инотропный эффект активации – усиливает сокращения. В текущем режиме величина тестирующего сокращенияравна: А т =А ф + PIEA – NIEA. Если А т А ф лестница Боудича; если А т А ф – Вудвордса. 140 Предположительные (гипотетические) факторы, влияющие на хроноионотропию: 1. Параметры ПД (увеличивается амплитуда и длительность ПД) -не соответствует экспериментальным данным, так как все наоборот. 2. Влияние нейрогуморальных факторов, но изопротеринол, резерпин (истощение кальциевого депо катехоламинами), атропин – все не действуют на хроноинотропию. 3. Турпаев предположил участи метаболитов в хроноионотропном эффекте. 4. Участие ионов калия, которые ингибируют образование акто- миозинового комплекса. При частой стимуляции теряется К int , за счѐт активации а + /К + -АТФ-азы и увеличивается амплитуда сокращения. Но после эстрасистолы – эффект облегчения, хотя К int – та же. 5. Чем больше ионов кальция, тем больше амплитуда сокращения. Кальций может поступать либо извне, либо из депо. Предпочтительней второй путь. Чем меньше потеря кальция в среду, тем больше его выйдет из СПР при втором стимуле и усилит второе сокращение. 6.Изаков отмечает роль Nа + /К + -АТФазы. При ПД входит много Nа + , который скапливается в примембранных слоях и активирует Nа/К-АТФазу. Это тормозит I вых. К и наступает поздняя реполяризация, которая увеличивает поступление кальция в клетку и сокращение. 7. Nа + /Са 2+ -обмен. При увеличении Nа i за счѐт ПД создаѐтся локальный grad Na i Na e и усливает работу Nа + /Са 2+ -обмена в обратном режиме, что увеличивает поступление кальция в клетку и сокращение. Особенности биомеханики миокарда заключается в том, что онне способен к тетанусу и обладает большим напряжением покоя. Сокращение зависит от длины мышцы и частоты стимуляции. Скорость сокращения сердечной мышцы; меньше, чем скелетной мышцы. В миокарде резко выражена зависимость силы сокращения от длины мышцы – Закон Франка-Старлинга(Энергия, выделяемая мышцей при переходе от покоя к сокращению, пропорциональна площади исходной активной поверхности) и, чтобы построить кривую «сила-длительность», надо делать опыты при данной мгновенной длине мышцы. Гладкая мускулатура Особенности структуры. Гладкая мускулатура представлена практически во всех тканях и органах: сосуды, воздухоносные пути, желудочно-кишечный тракт, мочеполовая система и т.д. Основной структурной единицей гладких мышц является гладкомышечная клетка (ГМК), имеющая обычно удлиненную веретенообразную форму. ГМК располагаются параллельно и последовательно, образуя мышечные пучки или тяжи, и мышечные слои. Их размеры зависят от вида и функционального состояния гладкой мышцы: 20- 500 мкм в длину и 5 – 20 мкм в толщину в средней части клетки. 141 Снаружи ГМК покрыта сарколеммой, состоящей, как и у других мышц, из плазматической и базальной мембраны. Под электронным микроскопом в плазматической мембране видны своеобразные впячивания, колбовидной формы, так называемые кавеолы и электронноплотные участки. Некоторые исследователи считают, что эти тяжи являются местом прикрепления актиновых протофибрилл. Хотя большая часть поверхности одной мышечной клетки отделена от соседних мышечных клеток пространством в 100 нм и более (межклеточное пространство), которое заполнено коллагеновыми и эластиновыми волокнами, фибробластами, капиллярами и др., для ГМК характерны и другие виды взаимодействия: 1. Нексусы: щель между контактирующими мембранами соседних клеток очень узка – 2 – 3 нм, в мембранах нексусов контактирующих клеток обнаруживаются кластерные образования и внутримембранные частицы размером 9 нм. Полагают, что эти частицы представляют собой межклеточные ионные каналы. 2. Десмосомоподобная связь. В областях этих контактов обнаруживается наличие участков электронно-плотного вещества. В висцеральных мышцах ширина щели между контактирующими мембранами при этом типе контактов может достигать 20 – 60 нм. Полагают, что этот вид контактов служит в основном для механического соединения клеток. 3. Третий тип связи между клетками – это связь с помощью отростков, которыми одна клетка входит в соответствующее углубление другой. Ширина щели между мембранами соседних клеток в этом случае 10 – 20 нм. Полагают, что эти связи важны для передачи механической силы между клетками. Пассивные электрические свойства гладких мышц Гладкомышечная ткань, несмотря на дискретность с морфологической точки зрения, является функциональным синцитием, в котором плазматические мембраны многих мышечных клеток представляют собой как бы единую непрерывную мембрану одной большой мышечной клетки. Поэтому, основные показатели ГМК можно сравнить с кабельным свойствами аксона: 1. постоянная времени (λ) 100-300 мс и постоянная длины (τ) 1-3 мм; 2. сопротивление и емкость мембраны 0,6-2,9 ГОм и 30 – 40 пкФ, соответственно; 3. удельное сопротивление и емкость мембраны 10–50 кОм/см 2 и 1,3-3 мкФ/см 2 , соответственно; 4. удельное сопротивление миоплазмы порядка 250 Ом/см. Потенциал покоя (ПП) различных ГМК находится в пределах от –50 до –60 мВ. В его образовании участвуют главным образом ионы K + , Na + и Cl - Особенностью ионного состава ГМК является большая внутриклеточная концентрация ионов хлора и натрия. 142 Тот факт, что величина ПП ГМК значительно отличается от равновесного калиевого потенциала (-55 мВ для ГМК taenia coli, тогда как Е к =-90 мВ), объясняется в первую очередь тем, что мембрана ГМК обладает так же относительно высокой проницаемостью для ионов натрия и хлора. Соотношение проницаемости мембраны ГМК для этих ионов равно: P K :P Na :P Cl =1:0,16:0,61. Расчеты величины ПП по формуле Гольдмана- Ходжкина-Катца с учетом этих проницаемостей и потенциалов равновесия для соответствующих ионов (E K =-89 мВ; E Na =+62 мВ; E Cl =-22 мВ) дали величину потенциала покоя равную только –37 мВ. Таким образом, измеренная величина ПП оказалась почти на 20 мВ выше расчетной. Роль ионов кальция в этом мала, так как они обладают низкой проницаемостью через мембрану ГМК, однако они существенно влияют на проницаемость мембраны к другим ионам и, в частности к ионам Na + Удаление ионов кальция из омывающего раствора сопровождается деполяризацией клеток и существенным уменьшением сопротивления мембраны. Другой причиной этого расхождения может быть участие в образовании ПП электрогенного компонента натриевого насоса, однако ток, генерируемый натриевым насосом, может создавать потенциал лишь около 5 мВ. Еще одной причиной расхождения между расчетными и теоретическими значениями ПП может быть высокая внутриклеточная концентрации ионов хлора. Потенциал действия (ПД) гладких мышц позволяет разделить их по способности его генерировать в ответ на пороговую и сверхпороговую стимуляцию: 1. Фазные – быстро сокращающиеся мышцы, способны генерировать ПД, имеют относительно высокую скорость укорочения и часто обладают спонтанной электрической и сократительной активностью. Их ответ на деполяризацию мембраны является относительно быстрым, но носит транзиторный характер. Примером является: ГМК пищеварительного тракта, матки, мочевыводящих путей, воротной вены. 2. Тонические гладкие мышцы, как правило, отвечают на стимуляцию агонистом градуальной деполяризацией, не генерируют ПД и спонтанную сократительную активности, имеют низкую скорость укорочения, но могут эффективно поддерживать сокращенное (тоническое) состояние в течение продолжительного времени. ПД различных ГМК имеют форму от простых спайковых потенциалов длительностью 20 – 50 мс (миометрий, воротная вена, кишка), до сложных – с плато и осцилляциями на них, длительностью до 1 сек и больше (мочеточник, антральная часть желудка). Особенностью электрогенеза ГМК является то, что главную роль в генерации ПД играют ионы Ca 2+ . Эти ионы ответственны за генерацию деполяризующего входящего тока, который состоит из двух компонентов: 143 1.начального инактивирующегося – достигнув своего максимума, он не держится на постоянном уровне, а медленно уменьшается; 2.последующего неинактивирующегося, который не инактивируется при больших деполяризующих смещениях мембранного потенциала. Инактивация входящего кальциевого тока зависит не столько от величины мембранного потенциала, сколько от концентрации ионов кальция внутри гладкомышечной клетки. Функциональное значение этого явления состоит, по-видимому, в том, что ионы кальция, входящие в ГМК, через отрицательную обратную связь регулируют интенсивность их возбуждения, а следовательно, и поступление в клетку самих ионов кальция. Ионы калия, ответственные за генерацию выходящего гиперполяризующего тока, так же оказывают влияние на амплитуду и продолжительность ПД в зависимости от концентрации ионов кальция внутри ГМК. Хотя калиевый ток продолжает увеличиваться и при всех возрастающих положительных смещениях мембранного потенциала. Все воздействия, ведущие к угнетению калиевой проводимости, способствуют возникновению ПД в тех ГМК, которые в исходном состоянии не способны генерировать ПД. Это объясняет отсутствие ПД в тонических мышцах. В нормальных условиях мембрана этих ГМК обладает большой калиевой проводимостью мембраны, препятствующая развитию регенеративной деполяризации. ПД ГМК, состоящие из начального быстрого пикового компонента и последующего плато, имеют более сложную ионную природу. Например, в ГМК мочеточника начальный пиковый компонент имеет преимущественно кальциевую природу, тогда как последующий медленный компонент плато – преимущественно натриевую. Спонтанная активность гладких мышц, имеющая миогенную природу, имеет два основных типа: 1. Повторно возникающие ПД различной частоты и степени регулярности, не сопровождающиеся длительной стойкой деполяризацией ГМК. В основе лежит способность определенной группы ГМК генерировать так называемые генераторные потенциалы (предпотенциалы). Они обнаруживаются при внутриклеточном микроэлектродном отведении в виде небольшой медленной деполяризации, которая достигнув порога возбуждения переходит в быстро нарастающую фазу деполяризации ПД. 2. Медленные волны деполяризации могут быть различными по форме, амплитуде (10 – 30 мВ), продолжительности (2 – 10 с), частоте (1 – 18 колебаний в минуту), скорости распространения (до 8 см/сек). Предполагается, что эти волны первично возникают в особых пейсмекерных мышечных клетках. Когда медленная волна достигает порога возбуждения, могут возникать потенциалы действия, частота которых зависит от амплитуды волны. Особенности сократительного аппарата ГМК обусловлена следующим: 144 1. Отсутствием Т-системы; 2. Незначительным объемом СПР (2 – 7 % объема цитоплазмы). Сократительный аппарат ГМК представлен миозиновыми и актиновыми протофибриллами, а так же рядом регуляторных белков: киназой легких цепей миозина, фосфатазой легких цепей миозина, тропомиозином, кальдесмоном, кальпонином. Соотношение актиновых и миозиновых нитей в ГМК колеблется от 1:5 до 1:27, что заметно больше чем в скелетных. Молекула гладкомышечного миозина состоит из двух тяжелых цепей и двух пар легких цепей – регуляторных с массой 20 кДа (РЛЦ) и существенных с массой 17 кДа (ЛЦ). Миозин ГМК отличается от миозина скелетных мышц размером (толщина 12–15 нм, длина 2,2 мкм), формой, аминокислотным составом, растворимостью, чувствительностью к ферментам, солям и денатурации, более низкой (в 10 раз) АТФ-азной активностью. Актиновые протофибриллы ГМ почти не отличаются от исчерченных. Они имеют простую удлиненную форму, диаметр их 6 – 8 нм. На поперечном срезе актиновые протофибриллы имеют круглую форму. Иногда обнаруживается гексагональное расположение тонких протофибрилл относительно толстых, как и в исчерченных мышечных волокнах. В состав актиновых протофибрилл ГМК входят актин, тропомиозин и кальдесмон. Из тропомиозина ГМК выделен белок леотонин, который, по- видимому, выполняет функции аналогичные тропонину С скелетных мышц. Актиновые протофибриллы содержат так же ряд дополнительных минорных и модулирующих белков: филамин и винкулин, которые участвуют в прикреплении тонких протофибрилл к плотным тельцам мембраны, а, кроме того, участвуют в активации актомиозиновой АТФазы и в ряде других процессов. В ГМК, помимо миозиновых и актиновых протофибрилл имеются так называемые промежуточные протофибриллы, которые образуют своеобразную внутриклеточную сеть и связывают между собой плотные тельца плазматической мембраны и миоплазмы. Предполагается, что актиновые и миозиновые протофибриллы объединены в миофибриллы, простирающиеся на относительно небольшое расстояние под углом к длинной оси мышечной клетки. Своими концами миофибриллы прикреплены к плотным тельцам плазматической мембраны (в состав которых входит белок α-актин), являющимися аналогами z-пластинок скелетных мышечных волокон. Киназа легких цепей миозина – фермент, содержащий: а) каталитический домен, в котором находятся участки связывания АТФ и регуляторных легких цепей миозина. б) регуляторный домен, содержащий участок связывания комплекса кальций-кальмодулин. 145 в) автоингибиторную псевдосубстратную последовательность, которая в отсутствии комплекса кальций-кальмодулин взаимодействует с каталитическим центром и блокирует фосфотрансферазную реакцию. Фосфатаза легких цепей миозина – это фермент, относящийся к фосфатазам 1 типа, состоит из каталитической и регуляторной субъединиц. Тропомиозин в ГМК содержится в количестве 1:14 по отношению к актомиозину, он препятствует взаимодействию миозина с актином. Кальдесмон – регуляторный белок, связан с филаментами актина, расположен непосредственно вдоль тропомиозина в канавке, формируемой гантелеобразными молекулами актина. Функция кальдесмона заключается в удержании тропомиозина в положении, препятствующем взаимодействию миозина с активным центром актина, а так же препятствии продвижения филаментов актина по миозину. Кальпонин – актин- и кальмодулин-связывающий белок, относительно специфичный для гладкой мускулатуры. Предполагается, что кальпонин участвует в кальций-зависимой регуляции сокращения, а его прямое фосфорилирование протеинкиназой С вносит вклад в повышение кальциевой чувствительности ГМ. Он расположен на актиновых филаментах, ингибирует АТФ-азу актомиозина и подвижность актиновых филаментов вдоль миозина. Электромеханическое сопряжение в ГМК представляет цепь событий, ведущих к активации сокращения. Как и в скелетных мышцах, запускается увеличением концентрации ионизированного кальция в миоплазме выше10 -7 М. Максимальное сокращение ГМК наблюдается при концентрации -10 -5 М. Особенности. Так как при удалении ионов Са 2+ из внешней среды или добавлении блокаторов кальциевого тока угнеталась как электрическая так и сократительная активность ГМК, значит развитие сопряжения возбуждения- сокращения обеспечивается внеклеточными ионами Са 2+ , участвующими в генерации ПД. |