СЕРЦЕВИЙ М’ЯЗ (МІОКАРД)

                                                                                                                                                                  

МОРФОЛОГІЯ

Поперечні смуги в серцевому м’язі подібні до тих, що є в скелетних м’язах; чітко виявляються Z-лінії. В міокарді наявна велика кількість довгастих мітохондрій, що щільно контактують із м’язовими фібрилами. М’язові волокна розгалужені і переплетені між собою, однак кожне з них є повноцінною одиницею, що оточена клітинною мембраною. Коли кінець одного волокна з’єднується з іншим, то мембрани обох паралельних волокон утворюють численні складки. Ці ділянки, які завжди припадають на Z-лінії, називають вставними дисками (рис. 3-13). Такі диски забезпечують міцне з’єднання між волокнами так, що зусилля однієї скоротливої одиниці передається в напрямі її осі до іншої. По боках м’язових волокон, розташованих близько до дисків клітинної мембрани, сусідні волокна зливаються на значному відрізку, утворюючи щілинні контакти, які слугують містками, що мають низький електричний опір і по яких збудження передається від одного волокна до іншого (див. Розділ 1). Завдяки їм серцевий м’яз працює як синцитій, хоча між клітинами насправді протоплазматичних містків немає. У серцевому м’язі Т-системи розташовані біля Z-ліній, а не в ділянках А-І-з’єд-нань, як це властиве скелетним м’язам ссавців.

                                                                                                                                                                  

ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Мембранні потенціали спокою та дії

Мембранний потенціал спокою окремої клітини серцевого м’яза у ссавців становить близько -90 мВ (внутрішній бік мембрани заряджений негативно щодо зовнішнього). Зовнішнє подразнення спричинює потенціал дії, який поширюється, зумовлюючи скорочення. Деполяризація поширюється швидко, потім настає овершут (з англ. overshoot — зміна заряду; як і в скелетних м’язах та нервовій тканині), далі швидко — плато, а після цього мембранний потенціал набуває початкових значень (рис. 3-14). Для серця ссавців характерна тривалість періоду деполяризації — близько 2 мс, однак фази плато і реполяризації тривають до 200 мс і більше. Отже, реполяризація закінчується тоді, коли минає лише половина часу скорочень. У разі позаклітинної реєстрації електричних потенціалів одержують криву, що має характерні пік і хвилю, які нагадують комплекс QRS і Т-хвилю ЕКГ.

Як і в інших збудливих тканинах, зміни концентрації К‘ в позаклітинній рідині впливають на мембранний потенціал спокою серцевого м’яза, тоді як зміни концентрації Na+ впливають на потенціал дії. Початкова швидка деполяризація й овершут (фаза 0) відбуваються внаслідок відкриття потенціалозалежних №+-каналів подібно до того, як є у нервовій тканині й скелетних м’язах (рис. 3-15). Початкова швидка реполяризація (фаза 1) виникає внаслідок закриття Ка+-каналів. Наступне протяжне плато (фаза 2) зумовлене повільним, але тривалим відкриттям потенціа

лозалежних Са2+-каналів. Остаточна реполяризація мембрани (фаза 3), за якої її потенціал повертається до рівня потенціалу спокою (фаза 4), відбувається внаслідок закриття Са2+-каналів та виходу Ю із клітини через різноманітні К+-канали. Характеристику типів йонних каналів серцевого м’яза наведено в табл. 3-5.

Потенціалозалежний Na+-KaHan міокарда має двоє воріт — зовнішні, які відкриваються на початку деполяризації при мембранному потенціалі від -70 до -80 мВ, і внутрішні, які в цьому випадку закриваються і перешкоджають подальшому надходженню Na+ всередину клітини аж до закінчення потенціалу дії (інактивування Ма+-каналів). Повільні Са2+-канали активні, якщо мембранний потенціал становить від -30 до -40 мВ. Загалом К+-каналів, завдяки яким відбувається реполяризація, є три типи. Перший (ініціальний зовнішній перехідний канал) створює перехідний ранній зовнішній потік йонів (Іто), що приводить до ранньої неповної реполяризації. Другий (канал із внутрішнім вирівнюванням) у фазі плато пропускає йони К+ всередину клітини, але перешкоджає їхньому виходу в позаклітинну рідину і лише при низьких значеннях мембранного потенціалу починає їх пропускати за межі клітини. Ионний потік, що його створює цей канал, позначають ІКг. Третій тип (канал із відтермінованим вирівнюванням) -це канал, який повільно активується й утворює потік йонів (позначають IKs). Сукупність 1^ та IKs — це невеликий за інтенсивністю зовнішній потік йонів, який з часом посилюється і приводить до реполяризації.

Білкові субодиниці, з яких складаються Ю-канали, що відповідають за ІКг, перетинають клітинну мембрану шість разів. Вони є продуктом гена HERG (від англ. human ether-a-go-go-related gene). Цей ген подібний до того, який виявляють у Drosohila: в разі його мутації у цих комах простежується посмикування лапок під час ефірної анестезії. Ионний канал, який відповідає за IKs, складається з білка, що перетинає клітинну мембрану шість разів, у поєднанні з невеликим за розміром білком minK (назва пов’язана з його розміром). Білок тіпК має лише один домен, що перетинає мембрану. Мутації HERG та названого вище каналу, поряд з мутаціями Ка+-каналів серцевого м’яза, спричинюють синдром подовженого інтервалу QT. Особи з цією патологією мають схильність до шлуночкових аритмій та раптової смерті (див. Розділ 28).

Для серцевого м’яза характерне зменшення часу реполяризації зі збільшенням частоти серцевих скорочень (ЧСС). При ЧСС 75 уд/хв тривалість потенціалу дії (0,25 с) майже на 70% більша, ніж тоді, коли ЧСС дорівнює 200 уд/хв (0,15 с).

                                                                                                                                                                  

МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Скоротливість

Скоротлива відповідь міокарда починається відразу ж після початку деполяризації і триває майже в півтора раза довше, ніж потенціал дії (див. рис. 3-14). Роль Са2+ у координації збудження та скорочення є такою ж, як і в скелетних м’язах (див. вище). Проте, як зазначено вище, власне надходження всередину клітини Са2+ з позаклітинної рідини, що відбувається шляхом активування дигідропіридинових

ЗБУДЛИВА ТКАНИНА: М’ЯЗОВА / 71

А

В

Рис. 3-13. А: електронна мікроскопія серцевого м’яза. Розпливчасті товсті лінії є вставними дисками (збільшення у 12 000 разів) (відтворено за дозволом з Bloom W, Fawcett DW: A Textbook of Histology, 10th ed. Saunders, 1975). В: схематичне зображення серцевого м’яза у разі світлової та електронної мікроскопії; N — ядро (відтворено за дозволом з Braunwald Е, Ross J, Sonnenblick EH: Mechanisms of contraction of the normal and failing heart. N Engl J Med 1967;277:794. Courtesy of Little, Brawn, Inc.).

каналів у Т-системі, а не сама по собі деполяризація спричинює вивільнення йонів Са2» з їхнього депо у саркоплаз-матичній сітці.

Під час фаз 0-2 й упродовж близько половини фази З (доки під час реполяризації мембранний потенціал не досягне близько —50 мВ) серцевий м’яз не може бути знову

збудженим, тобто перебуває в періоді абсолютної рефрак-терності (див. рис. 3-4). Він є порівняно рефрактерним до настання фази 4. Отже, тетанус у тому вигляді, в якому його спостерігають у скелетних м’язах, у серцевому м’язі неможливий. Зрозуміло, що перехід міокарда у стан тета-нусу навіть на нетривалий час міг би мати смертельні

72 / РОЗДІЛ З

Q

Потенціал дії,

Рис. 3-14. Потенціали дії і скоротливі відповіді серцевого м’яза ссавців зображені у вигляді кривих потенціал-час; АРП — абсолютний рефракторний період; ВРП — відносний рефракторний період.

наслідки, і з цього погляду неспроможність серцевого м’яза до тетанусу є засобом безпеки.

                                                                                                                                                                  

Ізоформи

Серцевий м’яз загалом повільний і має порівняно низьку активність АТФ-ази. Його робота залежить від окисного метаболізму, а отже, від надходження 02. Серцевий м’яз людини містить як а-, так і Р-ізоформи важких ланцюгів міозину (а-ВЛМ і Р-ВЛМ). Ланцюг Р-ВЛМ має нижчу активність міозинової АТФ-ази, ніж а-ВЛМ. Обидві ці ізоформи наявні в передсерді, де переважає а-ізоформа, тоді як у шлуночку виявлена лише Р-ізоформа. Вплив гормонів щитовидної залози на ізоформи ВЛМ розглянуто в Розділі 18. Тиреоїдні гормони також спричиняють зміни в ізоформах ВЛМ скелетних м’язів, проте в цьому випадку їхній ефект є складнішим, багатокомпонентним.

                                                                                                                                                                  

Співвідношення між довжиною м’язових волокон та напруженням, яке вони спричинюють

Співвідношення між початковою довжиною м’язового волокна і загальним напруженням, що виникає в серцевому м’язі, ідентичне до того, яке простежується в скелетному м’язі. Є певна довжина спокою, за якої напруження, що виникає під впливом зовнішнього стимулювання, максимальне. Початкова довжина волокон визначена діастоліч-ним наповненням камер серця, а тиск, що виникає в шлуночку, пропорційний до його загального напруження (закон Старлінґа для серцевого м’яза, див. Розділ 29). Отже, сила скорочення (рис. 3-16) збільшується зі збільшенням діастолічного об’єму, доки не досягне максимального значення (висхідна частина кривої Старлінґа), а згодом почи-

Рис. 3-15. Угорі: фази потенціалу дії серцевого волокна: 0 -деполяризація; 1 — початкова швидка реполяризація; 2-фаза плато; 3 — пізня швидка реполяризація; 4 — базальний рівень потенціалу. Унизу: графіки, що відображають потоки Na+, К+ та Са2+ під час потенціалу дії. Внутрішній потік — крива донизу, зовнішній потік — крива догори. Потоки К+ позначені безпосередньо на кривій потенціалу дії в ті моменти, коли вони відіграють вирішальну роль. Див. текст підручника.

нає зменшуватись (низхідна частина кривої Старлінґа). Однак, на відміну від скелетних м’язів, зменшення сили скорочення в разі значного розтягнення не зумовлене зменшенням кількості поперечних містків між актином та міозином тому, що навіть у випадку значного розширення

Таблиця 3-5. Йонні канали в серцевому м’язі

Потенціалозалежні канали

Na+

Т Са2+

L Са2+

К+

канал із внутрішнім вирівнюванням канал із відтермінованим вирівнюванням ініціальний зовнішній перехідний канал Ліґандозалежні канали Са2+-активовані Ма+-активовані АТФ-чутливі ацетилхолінактивовані активовані арахідоновою кислотою

ЗБУДЛИВА ТКАНИНА: М’ЯЗОВА / 73

камер серця розтягнення міокарда до такого ступеня не зафіксовано. Низхідна частина кривої Старлінґа відповідає початку руйнування серцевих волокон. Гомеостатичне значення закону Старлінґа розглянуто в Розділі 29.

Катехоламіни також здатні збільшувати силу скорочення серцевого м’яза (див. Розділи 13 і 20), не змінюючи його довжини. Таке посилення сили скорочення називають позитивним інотропним ефектом катехоламінів. Він опосередкований Pj-адренергічними рецепторами та цАМФ (див. Розділ 1). Серце теж містить позбавлені іннервації (3,-адре-нергічні рецептори, які діють через цАМФ. Однак притаманний їм інотропний ефект значно слабший і здебільшого виявляється в міокарді передсердь; цАМФ активує білок кіназу А, що призводить до фосфорилювання потенціало-залежних Са2+-каналів, унаслідок чого ті тривалий час перебувають у відкритому стані, а також посилює процес активного транспортування Са2^ у саркоплазматичну сітку, прискорюючи розслаблення міокарда і, отже, вкорочуючи систолу. Цей механізм відіграє важливу роль у разі тахікардії, оскільки забезпечує за цих умов адекватне діасто-лічне наповнення камер серця (див. Розділ 29).

Глікозиди наперстянки (дигіталіс) посилюють силу скорочення серцевого м’яза, інгібуючи Na’-K-АТФ-азу у клітинних мембранах м’язових волокон. Унаслідок цього: збільшується внутрішньоклітинний вміст Na“, і відповідно, зменшується градієнт концентрації Na~ з різних боків клітинної мембрани; зменшується надходження до клітини Na+ з позаклітинної рідини і, отже, втрата внутрішньоклітинного Са2» через Na»-Ca2~-o6MiHHy помпу, що міститься в клітинній мембрані м’язових волокон (див. Розділ 1); збільшується внутрішньоклітинна концентрація Са2‘ і це, відповідно, посилює скорочення серцевого м’яза. Іншим ефектом глікозидів наперстянки є посилення повільного внутрішньоклітинного потоку Са2» всередину клітини під час потенціалу дії, що також збільшує концентрацію Са2» всередині клітини.

10 20 ЗО 40 50 60 70

Діастолічний об’єм, мл

Рис. 3-16. Співвідношення між довжиною та напруженням серцевого м’яза собаки.

                                                                                                                                                                  

Гіпертрофія міокарда

Серцевий м’яз, як і м’язи скелетні, гіпертрофується, коли впродовж тривалого часу постійно працює за умов збільшеного навантаження, наприклад, у разі артеріальної гіпертензії. Гіпертрофія міокарда простежується й у випадку мутацій генів, які кодують різноманітні білки, що утворюють скоротливий апарат. До таких станів належить вроджений дефіцит дистрофіну. що виникає у разі м’язових дистрофій Дюшена або Бекера. Кінцевим наслідком є надмірна гіпертрофія, що призводить до розвитку серцевої Недостатності (гіпертрофічна кардіоміопатія; див. Розділ 33). Більшість таких генетичних дефектів виявляються кар-діоміопатією вже в ранньому віці, проте деякі з них простежуються у середньому або літньому віці. Нещодавно з’ясовано, що кальциневрин-КР-АТ-шлях, раніше описаний для Т-клітин імунної системи, є також одним з трансмітерів гіпертрофії серцевого м’яза. Детально функціювання імунної системи, яку блокує циклоспорин, описано в Розділі 27. Є докази того, що цей шлях відіграє важливу роль у гіпертрофії скелетних м’язів.

                                                                                                                                                                  

МЕТАБОЛІЗМ

Серце у ссавців має добре кровопостачання, численні мітохондрії і високий вміст міоглобіну — м’язового пігменту, що відіграє роль одного з механізмів зберігання 02 (див. Розділ 25). У нормі анаеробний метаболізм забезпечує до 1 % загальної кількості енергії. Під час гіпоксії цей показник може збільшуватись до майже 10%; однак за повністю анаеробних умов кількість утвореної енергії недостатня для скорочення міокарда шлуночків. У нормі 35% енергії, яку використовує серце людини, утворюється внаслідок метаболізму вуглеводів, джерелом 5% є кетони та амінокислоти, а 60% — ліпіди. Проте кількісні співвідношення енергетичних субстратів значно змінюються залежно від харчового раціону організму. Після вживання великої кількості глюкози більше використовуються лактат і піруват; під час тривалого голодування — жири. ВЖК, що містяться в крові, становлять у нормі близько 50% від загальної кількості ліпідів, які витрачаються на покриття енергетичних потреб міокарда. У діабетиків, які не одержують відповідного лікування, рівень метаболізму вуглеводів у серцевому м’язі суттєво знижується, а ліпідів — підвищується. Чинники, що впливають на споживання 02 серцевим м’язом людини, описані в Розділі 29.

                                                                                                                                                                  

ПЕЙСМЕЙКЕРНА ТКАНИНА

Серце продовжує скорочуватись навіть після перетину усіх нервів і навіть якщо розрізати його на шматки. Це явище пояснюють наявністю у серці спеціалізованої пейс-мейкерної тканини, яка може спричинювати утворення потенціалів дії. Пейсмейкерна тканина формує провідну систему серця, яка у нормі надсилає імпульси до всіх його відділів. Вона має нестабільний мембранний потенціал, який повільно спадає після кожного імпульсу доти, доки не буде досягнуто деякого порогового значення, за якого генерується наступний імпульс (див. Розділ 28).

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини