Особенности сократимости миокарда:

  • 1. Зависимость силы сокращения миокарда от силы стимула подчиняется закону «всё или ничего». Этот закон, характерный для отдельных клеток, свойствен всему миокарду, поскольку он представляет собой синцитий.
  • 2. В зависимости силы сердечных сокращений от частоты стимула наблюдается феномен «лестницы Боудича» - нарастание силы сердечных сокращений по мере повышения частоты стимуляции. Такой (хроноинотропный) эффект объясняется тем, что при частоте стимуляции не весь Са2', вошедший в миоплазму во время систолы, удаляется в диастолу. Его концентрация подле миофибрилл поддерживается на повышенном уровне, что и обусловливает усиление сокращений.
  • 3. Сила сокращений желудочков сердца прямо пропорциональна исходной длине мышечных волокон - иными словами, чем больше расслабление миокарда в диастолу, тем сильнее сокращение в систолу. Эту зависимость называют основным законом сердца Франка- Старлинга. Он был установлен О. Франком в 1895 г. в опытах на лягушках и Е. Старлингом в 1912-1914 гг. в опытах на млекопитающих. Закон гласит, что ударный объем прямо связан с изменениями конечнодиастолического объема желудочка.
  • 4. Зависимость скорость-сила: чем больше нагрузка на сердце, тем оно медленнее сокращается. Такая зависимость следует из уравнения А. Хилла, которому миокард подчиняется так же, как скелетная мышца.

Эксперименты на одиночных волокнах скелетных мышц показали, что развиваемая сила пропорциональна изменению мгновенной длины саркомера и не зависит от пути, по которому саркомер изменял свою длину. Отсюда вытекает важный вывод, что в изотоническом режиме мышца должна укорачиваться до длины, при которой сила равна весу поднимаемого груза. Действительно, в папиллярной мышце кошки связь «длина-напряжение» в изометрическом режиме совпадает с отношением «конечная длина-груз» при изотонии. Однако в других опытах было обнаружено, что изометрическая сила при данной длине мышцы больше, чем изотонически поднимаемый груз при той же самой длине (рис. 5.35).

Функция «длина-напряжение» для изометрических

Рис. 5.35. Функция «длина-напряжение» для изометрических (непрерывная линия) и изотонических (пунктир) сокращений. При изометрии длина мышцы устанавливается до стимуляции. При изотонии мышца поднимает различные грузы.

По оси абсцисс - длина мышцы; по оси ординат - сила

Начальная длина влияет не только на амплитуду, но и на другие параметры изометрических сокращений. Зависимость скорости изотонического укорочения от силы (нагрузки) является, как и связь «длина-сила», фундаментальным свойством мышцы. Как уже упоминалось, часто для описания функции «сила-скорость» используется уравнение Хилла:

которое в безразмерных величинах p/pQ и vmax имеет вид

В миокарде эта функция лучше описывается отношением: где 0 < п < 1 .

Казалось бы, снимая зависимость «сила-скорость» в миокарде, можно найти фундаментальные константы а и Ь, значения р0 (максимальной силы) и vMaKC (максимальной скорости ненагруженного укорочения) и охарактеризовать ими сократительную деятельность и энергетические процессы. Однако в сердечной мышце, в отличие от скелетной, имеется ряд особенностей, которые затрудняют интерпретацию функции «сила-скорость» и характеристик механохимиче- ских процессов.

Поскольку сердечную мышцу необходимо предварительно растянуть, т.е. задать определенную преднагрузку, максимальную скорость укорочения можно обнаружить путем экстраполяции. Заметим, что чем больше мышца предварительно растянута, тем менее точно определяется vmax. Хотя ранее сообщалось, что vmax не зависит от начальной длины (преднагрузки), ряд данных свидетельствует об обратном.

В скелетной мышцепри длине саркомера 2,0-2,2 мкм р0 не зависит от длины, тогда как в миокарде максимальное изометрическое напряжение сильно зависит от длины, в силу чего смысл констант a и & не вполне ясен. Кроме того, как упоминалось выше, при / близких к /тах сами изменения длины влияют на ход активации.

Скорость укорочения даже при малых грузах устанавливается не сразу, а требует времени, в течение которого происходит укорочение контрактильного элемента. Таким образом, при определении функции «сила-скорость» длина становится неконтролируемой переменной. Поскольку податливость сердечной мышцы выше, чем скелетной, внутреннее укорочение приводит к большему уменьшению способности развивать силу. Если в скелетной мышце измерение скорости укорочения производится после достижения плато активного состояния, то в сердце это не так.

В миокарде влияние напряжения покоя не вполне ясно, а оценка влияния зависит от типа выбранной для анализа реологической модели. При изотоническом укорочении сила в параллельном элементе падает и переносится на контрактильный элемент, а в покое в последовательном элементе имеется определенное напряжение. В изометрическом режиме напряжение падает и перераспределение напряжений между ними зависит от преднагрузки. Так как напряжение покоя является нелинейной функцией длины, оно должно учитываться каждый раз, особенно при больших нагрузках.

Поскольку активное состояние в миокарде развивается относительно медленно, то в ряде случаев поднятие груза происходит при разных уровнях активации. Исследование функции «сила-скорость» в начальных фазах сердечного цикла дает заниженные значения уже в силу неполной активации контрактильного элемента. Медленное нарастание активного состояния заставляет при анализе функции «сила-скорость» в миокарде обязательно учитывать фактор времени.

Работая на скелетной мышце, Хилл установил, что ее деформации вызывают уменьшение силы сокращений. Аналогичное явление было обнаружено в миокарде: высвобождение или растяжение во время изометрического сокращения приводило к падению напряжения ниже контрольной величины. Этот эффект был назван Бреди разобщением, или инактивацией сокращений. В скелетной мышце изменения длины, помимо уменьшения величины напряжения, приводят к укорочению длительности активного состояния и более раннему завершению расслабления.

Имеющиеся данные свидетельствовали, что деформации во время сокращения приводят к уменьшению числа активно включенных мостиков.

Как показал Бреди, влияние кратковременных деформаций не зависит от направления деформации (укорочение или растяжение) - в обоих случаях имеется уменьшение последующего напряжения. Степень выраженности эффекта разобщения зависит от момента сердечного цикла, в который действует механическое возмущение. Установлено, что если смещение действует через 0-50 мс после стимула, то разобщающий эффект отсутствует. Чем позже от начала сокращения наносится деформация, тем больше величина инактивации. Деформация в 5-10%, попадающая в фазу расслабления, вообще может уменьшить напряжение до нуля. Для данной деформации инактивация (оцененная как процент уменьшения напряжения по отношению к невозмущенному сокращению) линейно зависит от времени после стимула, а для данного момента линейно связана с величиной деформации при деформациях, не превосходящих 7% длины. При больших деформациях, когда напряжение при разгрузке падает ниже 20-30% р0, инактивация на пике изометрической силы перестает зависеть от деформации.

В отношении влияния скорости деформации на величину инактивации данные противоречивы. Хотя разобщающий эффект увеличивается при уменьшении скорости рывка от 8 до 0,5 с-1, при скоростях деформации, не превосходящих 1,2 с-1, влияние этого параметра на инактивацию не установлено. Разобщающий эффект не зависел от начальной длины и в сердечной и в скелетной мышце при / = 1,9- 2,7 мкм. Увеличение внеклеточной концентрации Са^ уменьшает относительный эффект инактивации (рис. 5.36). Кофеин в присутствии высоких концентраций кальция также уменьшает эффект инактивации или даже обращает его. Подавление активации верапамилом или гипокальциевой средой увеличивает инактивацию.

При исследованиях обнаружена линейная зависимость между величиной инактивации и постоянной скорости расслабления (т). Вне зависимости от вида воздействующего фактора (температура, изменение частоты стимуляции, адреналин, кальций) уменьшение константы скорости расслабления мышцы приводит к уменьшению эффекта инактивации. Однако корреляции между величиной инактивации и максимально развиваемым напряжением не обнаружено. С этим созвучны факты, что эффекты инактивации не обнаруживаются при контрактурах вне зависимости от способов, которыми они индуцируются (гиперкалиевые, гипонатриевые, бариевые контрактуры), и в тетанусе, который в сердечной мышце может быть получен в специфических условиях (кофеин + гиперкальциевая среда). На скицированных препаратах миокарда, где сокращение запускалось ионофоретической инъекцией кальция, инактивация деформацией отсутствовала. Удлинение сокращений уменьшает деактивирующий эффект или даже обращает его. Разобщающий эффект был недавно получен на изолированном сердце.

Процесс инактивации весьма существен в методе быстрого высвобождения. При этом вследствие инактивации величины скоростей укорочения оказываются заниженными, а степень влияния быстрого высвобождения тем больше, чем на большую величину мышца отпускается.

Влияние кальция на разобщающий эффект, вызванный укорочениемв папиллярной мышце кролика. А, В - контроль

Рис. 5.36. Влияние кальция на разобщающий эффект, вызванный укорочениемв папиллярной мышце кролика. А, В - контроль;

Б - концентрация кальция увеличена с 2,5 до 11 мМ;Г - влияние блокатора кальциевой проницаемости верапамила. По оси абсцисс - смещение,

% Iq, по оси ординат - величина активации. Цифры над кривыми означают время (мс) в цикле, когда действует деформация

Флуктуации скорости выше 5% vmax оказываются достаточными, чтобы уменьшить скорость укорочения. Согласно сообщению Эндо, этот инактивирующий эффект осцилляции связан с фазой отрицательного ускорения (торможения) и он является «дополнительным» к инактивации, вызванным самим укорочением.

Скорее всего эффект инактивации каким-то образом связан с миофибриллярной системой (возможно, с конформационными изменениями в тропонине). Имеются данные, что длительность конформа- ционных изменений может доходить в белках до нескольких секунд. По мнению Эдмана, время жизни разобщающего эффекта в одиночных волокнах скелетных мышц может доходить до 800-900 мс.

Об этом, возможно, свидетельствует следующий факт. Инактивация во время первого сокращения в зубчатом тетанусе воздействует на силу сокращений в последующих циклах. Важно, что пассивные деформации не влияют на амплитуду сокращений. Скорее всего количество кальция, связанного с тропонином, контролируется скольжением нитей, и в момент быстрых деформаций сродство тропо- нина к кальцию уменьшается и высвобождающийся кальций быстро поглощается ретикулумом. Это должно означать, что сродство к кальцию в изотонии должно быть меньше, чем в изометрическом сокращении.

Эдманом была предложена математическая модель сопряжения возбуждения с сокращением, учитывающая процессы поглощения и высвобождения ионов кальция и их связывание с тропонином. В случае низкой частоты стимуляции уравнение активации имеет вид:

где у - отклонение концентрации кальций-тропонинового комплекса от его полной концентрации х0; с - концентрация свободного кальция в саркоплазме, отнесенная к х0; Д/) - функция, описывающая зависимость скорости высвобождения кальция; ф(с) - зависимость поглощения кальция ретикулумом от его концентрации с константой ф[, к - безразмерная константа сродства реакции связывания кальцин с тропонином; к_х - константа скорости этой реакции; F - равновесное состояние этой реакции.

Оценки показывают, что 1/ Al, намного меньше характерного времени механических процессов, а к_х« 1. В рамках данной модели имеющиеся гипотезы о природе инактивации сводятся к предположению, что величины ф или к являются функцией модуля скорости деформации, т.е.

Считая реакцию связывания кальция с тропонином квазирав- новесной, получим:

После преобразований имеем

Уравнение (5.63) показывает, что по данным механических измерений в одиночном сокращении при одновременном функционировании системы тропонина и оттока кальция невозможно различить, что влияет на комплекс тропонин-кальций: деформация или поглощение кальция ретикулумом.

Термин «сократимость» миокарда, «контрактильное состояние», или «инотропное состояние», широко употребляется в литературе и чаще всего в интуитивном смысле без точного определения. По сути дела под изменением сократимости большинство исследователей понимает именно те сдвиги в сократительной способности сердца, которые определяются внутренними, а не внешними обстоятельствами (пост- и преднагрузками). Это важно потому, что необходимо отличать изменения производительности сердца, связанные с изменениями давления в аорте, конечнодиастолического давления, механическими дефектами клапанов или самого сердца, от тех, которые связаны с подавлением сократимости. Даже нормальное сердце, находящееся в хорошем функциональном состоянии, не может работать при большой перегрузке давлением или объемом.

Серьезные трудности возникают при попытке измерить сократимость с помощью одного параметра, даже такого, как vmax, ибо оценка контрактильной деятельности должна по меньшей мере включать в себя способность к развитию силы и укорочения. Связь между этими двумя способностями задается с помощью соотношения сила-скорость, которое могло бы характеризовать данное контрактильное состояние. Выше уже указывались реальные трудности, возникающие при экспериментальном определении р - v связи даже на полосках миокарда. Ситуация в целом сердце осложняется еще и теми обстоятельствами, что сила сокращения во время выброса не является постоянной и прямая трансляция данных механики полоски на целое сердце ограничена. Кроме того, в патологии необходимо характеризовать и сегментарные нарушения сократительной деятельности (асинхронность, акинезия).

В последнее время появились сомнения в принципиальной возможности выделить показатель (индекс), который не зависел бы от изменений длины. По мнению Брэди, это совсем неразрешимая задача, поскольку в миокарде имеется несколько причин, обусловливающих связь сила-скорость. Поэтому общеупотребляемые индексы не позволяют различать влияния, обусловленные начальной длиной и активацией, и концептуально и фактически.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >