Основы физиологии сердца

1.7. Особенности сократимости и биомеханики сердечной мышцы

Работа сердца как насоса обеспечивается прежде всего нормальной сократительной функцией миокарда. В исследованиях, проведенных в 1970–1980-х гг. на сосочковой (папиллярной) мышце миокарда млекопитающих, были предприняты попытки, во-первых, создать биофизические модели для описания параметров сократительной активности миокарда, таких как сила и скорость сокращения, а во-вторых, выявить взаимосвязь между указанными параметрами и показателями насосной функции сердца, например ударным объемом желудочков и сердечным выбросом. Эти модели сначала опирались на теорию сокращения скелетной мышцы, предложенную английским физиологом, лауреатом Нобелевской премии А. Хиллом еще в 1922 г. Однако, как оказалось, по ряду фундаментальных характеристик сократимости сердечная мышца отличается от скелетной.

Закон «все или ничего». Поскольку миокард представляет собой функциональный синцитий, то при развитии потенциала действия в одном кардиомиоците процесс возбуждения с высокой скоростью (до 0,5 м/с) распространяется на соседние невозбужденные клетки. Таким образом, происходит быстрый охват возбуждением всех рабочих кардиомиоцитов, что обеспечивает синхронность и практически одновременность их сокращения. Вследствие этого сила сокращения сердца не зависит от силы сверхпорогового раздражителя (закон «все или ничего»). Этот закон был впервые сформулирован американским физиологом X. Боудичем в опытах с электростимуляцией изолированного сердца в конце XIX в.

Невозможность суммации сокращений (тетануса). Как указано выше, продолжительность рефрактерного периода (абсолютного и относительного) рабочего миокарда примерно соответствует времени всего потенциала действия (300 мс). Принципиально важно, что длительность потенциала действия рабочих кардиомиоцитов практически совпадает по времени с продолжительностью их сокращения. Поэтому последующий импульс может вызвать сокращение миокарда только после его расслабления, что соответствует окончанию предыдущего потенциала действия. В результате в миокарде невозможна суммация сокращений при увеличении частоты стимуляции, то есть развитие тетануса, как в скелетной мышце, что могло бы привести к нарушению сокращения и остановке сердца. (Напомним, что продолжительность потенциала действия скелетной мышцы составляет около 5–10 мс, а длительность ее сокращения – 40–50 мс.) В скелетной мышце следующий импульс уже через 10 мс после первого может вызвать новое сокращение, когда мышца еще не расслабилась, что приводит к суммации сокращений. В миокарде этого не происходит в силу значительной продолжительности рефрактерного периода.

Зависимость силы сокращений от величины входящего тока кальция. Выше говорилось, что сокращение миокарда возникает в ответ на поступление «внешних» ионов кальция, которые вызывают высвобождение «внутреннего» кальция из саркоплазматического ретикулума. Поэтому чем более выраженным будет входящий ток I_Ca2+_L, тем большее количество ионов кальция будет выходить в цитоплазму через рианодиновый кальциевый канал-рецептор из саркоплазматического ретикулума, и тем большее количество актомиозиновых мостиков будет образовываться. Таким образом, именно величина входящего тока кальция I_Ca2+_L и определяет силу сокращения рабочих кардиомиоцитов и миокарда в целом. Поскольку входящий кальциевый ток I_Ca2+_L в норме достигает максимальной величины во время фазы 2 потенциала действия рабочего кардиомиоцита, длительность именно этой фазы определяет силу сокращения миокарда. Продолжительность фазы 2 может возрастать под влиянием агонистов β-адренорецепторов, – катехоламинов, выделяющихся из симпатических нервов сердца или циркулирующих в крови. Поэтому возбуждение таких рецепторов сопровождается усилением сократимости миокарда, что играет важную роль в нервной и гуморальной регуляции сердечной деятельности.

Зависимость «частота – сила». Как уже отмечалось, даже при очень высоких частотах стимуляции миокард не способен к развитию тетануса (суммированного сокращения), характерного для скелетной мышцы. Такая особенность является следствием длительного рефрактерного периода кардиомиоцитов, совпадающего по времени с продолжительностью сокращения, и защищает сердце от преждевременных возбуждений и утомления. Однако еще в XIX в. американский физиолог X. Боудич в экспериментах с электростимуляцией изолированного сердца наблюдал увеличение силы сердечных сокращений при увеличении частоты стимуляции. Данная зависимость «частота – сила» получила название «лестницы Боудича», или хроноинотропного эффекта (греч. chronos – время, inos – сила). Возникновение хроноинотропного эффекта, возможно, связано с тем, что при высокой частоте стимуляции промежутки времени между сокращениями укорачиваются, вследствие чего не происходит полного удаления ионов Са²⁺ , поступивших в саркоплазму при очередном сокращении. В результате с каждым последующим сокращением концентрация внутриклеточного ионизированного Са²⁺ возрастает, и соответственно возрастает сила сокращений. Хроноинотропный эффект можно рассматривать как разновидность гомеометрической регуляции сердца, и она будет рассмотрена далее вместе с другими миогенными механизмами.

Зависимость «длина – сила». Исследования на папиллярной мышце миокарда кошки показали, что при растяжении саркомера происходит выдвижение актиновых и миозиновых нитей из промежутков между ними. В результате увеличивается количество актин-миозиновых мостиков, которые могут образоваться при сокращении, и, следовательно, создаются условия для возрастания силы сокращения при большем растяжении миофибрилл. Максимальная сила сокращения достигается при исходной длине саркомера около 2,2 мкм. Вместе с тем при растяжении волокон миокарда имеет место и увеличение входящего кальциевого тока в ответ на активацию так называемых кальциевых каналов растяжения (англ.

stretch-activated channels), которые были обнаружены не только в гладких мышцах, но и в миокарде.

Увеличение входящего кальциевого тока непосредственно вызывает повышение сократимости миокарда. Кроме того, в ответ на изменение исходной длины волокон миокарда возрастает чувствительность тропонина C к ионам кальция, что способствует активации большего количества актомиозиновых мостиков.

Таким образом, исходная длина волокон миокарда является ключевой детерминантой регуляции силы его сокращения. В интактном сердце об исходном растяжении волокон миокарда могут свидетельствовать такие показатели, как конечно-диастолическое давление и объем желудочков. Зависимость силы сокращения от степени предварительного растяжения миокарда была отмечена немецким физиологом О. Франком на сердце лягушки в 1895 г. и детально исследована на сердечно-легочном препарате собаки английскими физиологами С. Паттерсоном и Е. Старлингом в 1914 г. Значение «закона сердца» Франка – Старлинга для регуляции его насосной функции (гетерометрическая регуляция) будет подробно рассмотрено в связи с миогенной регуляцией деятельности сердца.

Зависимость «скорость – сила». Исследования, проведенные А. Хиллом на скелетной мышце, позволили установить графическую гиперболическую зависимость между нагрузкой и скоростью мышечного сокращения, которая выражается уравнением Хилла:

где V – скорость сокращения, см/с; Р – сила мышечного сокращения (нагрузка), гс; Р₀ – максимальная возможная сила сокращения; а – константа, которая характеризует тепло, выделяющееся при укорочении мышцы, и зависит от КПД работы мышцы; b – константа, характеризующая скорость перехода химической энергии в механическую (константы а и b имеют соответственно размерности нагрузки и скорости).

Из этого уравнения следует, что если нагрузка на мышцу равна нулю (Р = 0), то скорость ее сокращения максимальна и равна Vmax = bР₀/а. Режим сокращения мышцы с постоянной силой (при постоянной нагрузке) называется изотоническим (греч. isos – равный, tonos – напряжение). Если же нагрузка на мышцу максимальна (Р = P₀), то укорочение отсутствует, то есть V = 0, что соответствует состоянию максимального изометрического сокращения (греч. isos – равный, metron – мера, размер сокращения (напряжения)).

Однако исследования, выполненные на папиллярной мышце, показали, что в миокарде наблюдается отклонение гиперболической зависимости «сила – скорость», установленной для скелетной мышцы. Это обусловлено многими причинами. Во-первых, даже при постоянном объеме камер сердца при сокращении миокарда имеет место внутреннее укорочение центральных и одновременное растяжение периферических участков сердечной мышцы. Следовательно, в сердце отсутствует классическое изометрическое сокращение, при котором длина мышечных волокон остается постоянной. Вовторых, миокард как функциональный синцитий обладает неоднородностью строения, и поэтому одни саркомеры могут быть растянуты в большей или меньшей степени, чем другие. В-третьих, на характер зависимости «сила – скорость» в миокарде в большей мере, чем в скелетной мышце, влияют процессы активной релаксации (подробнее см. подразд. 1.10). Наконец, изменение гиперболической зависимости «сила – скорость» вызывают многие вещества, действующие на сердце, например адреналин, ионы кальция, препараты дигиталиса.