Сердечно-сосудистая система

Физиология сердечно-сосудистой системы

Сердечно-сосудистая система состоит из сердца и кровеносных сосудов

Сердечно-сосудистая система обеспечивает кровоснабжение тканей организма, необходимое для их нормальной деятельности, доставляя кислород и питательные вещества и удаляя продукты обмена. Нормальное парциальное давление кислорода (рO2) и двуокиси углерода (рСO2) в оксигенированной артериальной крови составляет:

• рO2 — 100 мм рт. ст.;

• рСO2 — 40 мм рт. ст.

Частота сердцебиений у человека в покое равна ~ 70 уд/мин, это обеспечивает нагнетание крови 5 л/мин. Масса сердца взрослого человека равна = 300 г. Сердце состоит из 4 камер: двух предсердий (небольших по размеру, расположенных у основания органа) и двух желудочков (более крупных, расположенных у верхушки сердца) (рис. 13.1). Стенка камер сердца состоит из 3 слоев: эпикарда (наружный слой), миокарда (средний слой) и эндокарда (внутренний слой).

Клапаны сердца обеспечивают ток крови в одном направлении. Правые предсердие и желудочек получают дезоксигенированную кровь от всех частей тела и, сокрaщаясь, направляют ее через легочную артерию в легкие. Левые предсердие и желудочек получают реоксигенированную кровь через легочные вены и нагнетают ее через аорту, посылая ко всем органам и тканям. Расположение и наименование клапанов показаны на рис. 13.1.

Клапаны сердца

• Клапаны предотвращают обратный ток крови через сердце

• Атриовентрикулярные клапаны находятся между желудочками и предсердиями

• Обратный ток крови в артерии предотвращают полулунные клапаны

• Клапаны, поврежденные в результате заболеваний, например ревматической лихорадки, можно заменить искусственными клапанами

Сосудистое дерево

Сосудистая система человека (сосудистое дерево) состоит из кровеносных сосудов двух типов — артерий и вен. Эти сосуды выстланы изнутри эндотелиальными клетками, контактирующими с кровью. Эндотелий представляет собой не просто барьер между кровью и стенкой сосуда, он высвобождает множество важных вазоактивных веществ, например оксид азота, влияющих на диаметр сосуда и свертывание крови, тем самым осуществляя местную регуляцию кровотока (рис. 13.2).

Рис. 13.2 Пример высвобождения вазоактивных средств (здесь оксида азота) из эндотелия. Ацетилхолин (АХ), брадикинин, тромбин, серотонин, другие препараты и напряжение при стрессе могут вызывать высвобождение оксида азота (N0). АХ использует многочисленные метаболиты при клеточном ответе, которые в конечном итоге приводят к высвобождению оксида азота. 1Р3 — инозитол-1,4,5-трифосфат; NOS — синтаза оксида азота; Р1Р2 — фосфатидилинозитолдифосфат; ДАГ — диацилглицерол.

Типичное систолическое/диастолическое кровяное давление в покое равно 120/80 мм рт. ст., хотя существуют различия между отдельными субпопуляциями (например, у женщин давление часто ниже). Кровяное давление пропорционально сердечному выбросу (минутному объему сердца) и сопротивлению току крови в артериолах. Сопротивление зависит от калибра сосуда, его эластичности и геометрии, а также от вязкости крови. Артериальное кровяное давление выражается отношением систолического давления к диастолическому.

Максимальной величины давление достигает в фазу систолы, когда левый желудочек сокращается и выталкивает кровь в аорту. Минимальная величина наблюдается в фазу диастолы, когда левый желудочек расслабляется и наполняется кровью, которая возвращается в сердце (рис. 13.3).

Рис. 13.3 Кровяное давление в кровеносных сосудах различного типа. Показано систолическое и диастолическое кровяное давление, а также среднее артериальное давление .

В среднем давление варьирует от = 90 мм рт. ст. в артериях до = 5 мм рт. ст. в главных центральных венах. Кровяное давление промежуточной величины наблюдают в капиллярах, соединяющих артериолы и венулы.

Питательные вещества и метаболиты покидают сосудистую систему и поступают в нее через мембрану капилляров. Регуляция кровотока путем изменения диаметра кровеносных сосудов представляет собой сложный процесс. Сосудистое ложе каждого органа имеет свои особенности. Некоторые сосуды регулируются автономными нервами (например, в коже), другие подвержены ауторегуляции (в частности, сердце и скелетные мышцы). Элементом ауторегуляции является местное высвобождение вазоактивных веществ, таких как NO, из эндотелия. Сердечная мышца и гладкие мышцы сосудов обладают общими свойствами, однако имеются и различия, являющиеся жизненно важными, как мы увидим далее.

Электрофизиология сердца

Нормальное сердцебиение начинается в результате спонтанной деполяризации (пейсмекерная активность) в специализированных клетках синоатриального узла

Синоатриальный (СА) узел (синусно-предсердный узел) человека в покое (рис. 13.4) ритмически генерирует импульсы с частотой ~ 70 в мин — это чаще, чем в любой другой области сердца. Узел иннервируется вегетативной нервной системой; высвобождение ацетилхолина из блуждающего нерва снижает частоту сердцебиений, тогда как норэпинефрин повышает ее. Потенциал действия СА-узла активирует клетки предсердия, которые затем проводят импульс в атриовентрикулярный (АВ) узел (предсердно-желудочковый узел). Проведение в АВ-узле запаздывает примерно на = 70 мсек вследствие малого диаметра волокон и природы ионных токов в этих клетках. Только АВ-узел обеспечивает электрическую связь предсердий и желудочков, т.е. контролирует переход потенциала действия от предсердий к желудочкам. В желудочке потенциал действия быстро передается через левую и правую ножки пучка Гиса (см. рис. 13.4), откуда распространяется по желудочку через проводящую сеть, известную как волокна Пуркинье, и в итоге достигает мышцы желудочка. Потенциалы действия СА- и АВ-узлов совершенно различны по форме (высоте и длительности импульса), поскольку вызывающие их токи (возникающие в результате открытия и закрытия ионных каналов) неодинаковы (рис. 13.5, 13.6; см. рис. 13.4).

Неодинаковое распределение ионов К+ и Na+, проходящих через мембрану клеток предсердий и желудочков, обусловливает наличие диастолического мембранного потенциала покоя от -65 до -90 мВ в клетках СА- и АВ-узлов соответственно. Диастолический мембранный потенциал в клетках СА- и АВ-узлов нестабилен, и достигаемая им величина более положительная, чем в клетках предсердий или желудочков. Мембранный потенциал покоя зависит от градиента концентрации К+. Внутри клетки концентрация К+ высокая по сравнению с внеклеточной средой, поскольку в фазу диастолы клеточная мембрана более проницаема для К+, чем для других ионов. Градиент концентрации К+ поддерживается благодаря Na+/K+-Hacocy (известному также, как Na+/K+-ATФa3a; см. главу 12). Na+/K+-насос перемещает три иона Na+ из клетки в обмен на два иона К+ (т.е. действует как электрогенный насос; рис. 13.7).

Рис. 13.4 Региональные вариации структуры клеток и конфигурации потенциала действия сердца. Потенциалы действия в различных областях сердца совершенно различны вследствие различий ионных каналов, лежащих в основе потенциалов действия в этих областях, (а) Местоположение СА- и АВ-узлов и пучка Гиса. (б) Потенциал действия из СА-узла и клетка СА-узла, (в) Потенциал действия из предсердия и клетка предсердия, (г) Потенциал действия из желудочка и клетка желудочка. АВ — 403 атриовентрикулярныи; СА — синоатриальныи.

Рис. 13.5 Ионные каналы и токи (I), лежащие в основе потенциала действия синоатриального узла. Isi — входящий ток, переносимый ионами Са2+; lf — funny-ток, или активированный гиперполяризацией катионный ток, который может играть роль водителя ритма и переноситься ионами Na+ и Са2+; lSt — поддерживаемый входящий ток Na+, который может иметь значение для пейсмекерной активности; 1Кг и lKs — замедленный быстрый или медленный ток К+. Обратите внимание, что отсутствует lNa (входящий ток Na+) или 1К1 (входящий выпрямленный ток К+).

Рис. 13.6 Конфигурация типичного потенциала действия желудочка с указанием наиболее важных ионных токов. lNa — быстрый входящий ток Na+; lSi — медленный входящий ток Са2+; lt0 — кратковременный выходящий ток К+; 1Кг и 1К5 — замедленный быстрый или медленный ток К+; 1К) — входящий выпрямленный ток К+; 1К(атф> — АТФ-чувствительный ток К+; АТФ — аденозинтрифосфат. Обратите внимание, что последний из этих токов активируется только во время ишемии или гипоксии.

Натрий-зависимый потенциал действия генерируется, когда клетка предсердия или желудочка быстро деполяризуется до уровня примерно -70 мВ

Подъем потенциала действия (см. рис. 13.6) обусловлен открытием Nа+-каналов с потенциал-зависимым входом, и это открытие запускает деполяризация, в результате чего ионы Na+ перемещаются внутрь клетки (см. главу 12). Открытие Ка+-каналов носит преходящий характер, и если мембрана остается деполяризованной более нескольких миллисекунд, то канал инактивируется и входящий ток прекращается. Вследствие инактивации возникает интервал, в течение которого второй потенциал действия не может быть вызван. Этот интервал называют «эффективный рефрактерный период».

Характерная фаза плато потенциалов действия желудочка и предсердия возникает вследствие открытия Са2+-каналов L-типа и действия Na+/Ca2+-обменника. Са2+-каналы L-типа подобно Ка+-каналам являются потенциал-зависимыми, однако ток Са2+ перемещается гораздо медленнее, поэтому токи, возникающие при открытии Na+- и Са2+-каналов, получили специфические названия:

• быстрый входящий ток Na+ (INa);

• медленный входящий ток Са2+ (1Са или Isi).

В течение фазы деполяризации потенциала действия активируются другие потенциал-зависимые каналы, в особенности К+-каналы различных типов. Эти каналы переносят ионы К+ наружу, что вызывает реполяризацию мембранного потенциала.

Существуют региональные различия структуры клеток сердца и конфигурации потенциалов действия (см. рис. 13.4). Основные типы клеток сердца — это клетки узлов, клетки предсердия, клетки системы Гиса-Пуркинье и клетки желудочков (характеристики которых варьируют в зависимости от их локализации в мио-, эндо- или эпикарде). На рис. 13.4 видно, что эти клетки различаются по структуре и функции. Некоторые клетки (например, желудочков) имеют палочковидную форму и сильную исчерченность, тогда как другие (например, клетки СА-узла) напоминают полоску и слабо исчерчены. Только определенные клетки (СА- и АВ-узлов и системы Гиса-Пуркинье) деполяризуются спонтанно.

Токи К+ сердца

• Замедленный ток (1к), активируемый деполяризацией и имеющий два компонента (r и s)

• Кратковременный выходящий ток (lto), вызывающий фазу начальной реполяризации и называемый зубцом потенциала действия, который играет важную роль в некоторых, но не во всех отделах сердца

• Входящий выпрямленный ток (lki)> его основное назначение — стабилизация мембранного потенциала покоя

• АТФ-чувствительный ток (1К(атф))> который блокируется базовым уровнем АТФ и поэтому важен, когда уровень АТФ снижен (например, при такой патологии, как ишемия)

Возбуждение связано с сокращением предсердий и желудочков

Одной из наиболее важных функций потенциала действия является потенциал-зависимое раскрытие Са2+-каналов L-типа (рис. 13.6). Это приводит к относительно слабому перемещению ионов Са2+ внутрь через мембрану, относящуюся к сарколемме, которое в свою очередь активирует процесс, известный как Са2+-индуцированное высвобождение ионов Са2+. Благодаря этому из внутриклеточных депо (особенно из саркоплазматического ретикулума) высвобождается большое количество Са2+. В результате уровень внутриклеточного Са2+ возрастает от 100 нмоль в фазу диастолы до 10 мкмоль в фазу систолы. По мере возрастания концентрации цитозольный Са2+ связывается с тропонином С, регулирующим расположение филаментов актина и миозина, изменяя его таким образом, что происходит сокращение миокарда.

После сокращения Са2+ вновь секвестрируется в депо с помощью АТФ-зависимого Са2+-насоса, где готовится к участию в следующем цикле. Кроме того, в фазу диастолы Са2+ выходит из клетки посредством электрогенного Nа+/Са2+-обменника. На рис. 13.7 схематически показано, каким образом контролируется уровень клеточного Са2+, а также как лекарства могут модулировать эти процессы.

Рис. 13.7 Пути транспорта ионов в сердце. Особое внимание уделено перемещению Са2+ в течение сердечного цикла. Деполяризация мембраны в начале потенциала действия служит триггерным механизмом раскрытия Са2+-каналов поверхностной клеточной мембраны (сарколеммы). Повышение концентрации Са2+ внутри клетки (в цитозоле) вызывает дальнейшее высвобождение Са2+ из внутриклеточного депо (саркоплазматического ретикулума, СР). Некоторое количество Са2+ поступает также в клетку посредством Ыа+/Са2+-обменника. В цитозоле Са2+ связывается с буферными системами, включающими внутреннюю поверхность сарколеммы и контрактильный механизм (миофиламенты; на рисунке не показаны), которые активируются присутствием Са2+, что приводит к сокращению. В конце потенциала действия Са2+ покидает клетку с помощью Ма+/Са2+-обменника и АТФ-зависимого Са2+-насоса сарколеммы и возвращается в СР посредством АТФ-зависимого Са2+-насоса. АДФ — аденозиндифосфат; АТФ — аденозинтрифосфат; ФДЭ — фосфодиэстераза.

Последовательность электромеханических процессов во время одного сердечного цикла выглядит следующим образом:

• генерация импульса в СА-узле;

• деполяризация предсердия;

• сокращение правого предсердия и генерация давления, которое выталкивает кровь через открытый трехстворчатый клапан в правый желудочек;

• сокращение левого предсердия и генерация давления, которое выталкивает кровь через открытый митральный клапан в левый желудочек;

• деполяризация и сокращение левого желудочка несколько опережают сокращение правого желудочка;

• возрастающее давление в правом и левом желудочках открывает клапан легочной артерии и аортальный клапан соответственно, и кровь выталкивается в легочную артерию и аорту.

Лекарственные средства, используемые для блокады ионных токов в эксперименте

• Тетродотоксин блокирует lNa

• Никардипин блокирует lsi

• 4-Аминопиридин блокирует lto

• Дофетилид блокирует 1Кr

• Барий блокирует 1к1

• Глибурид блокирует 1К(атф)

Электрокардиограмма — запись с поверхности тела электрических изменений, возникающих в результате электрической активности сердца

Электрокардиограмма (рис. 13.8) регистрирует средний электропотенциал тела, возникающий вследствие деполяризации и реполяризации в миоцитах сердца. ЭКГ снимают с поверхности тела, используя контактные электроды.

Рис. 13.8 Электрокардиограмма (ЭКГ), (а) Нормальная ЭКГ. (б) Желудочковые экстрасистолы, (в) Желудочковая тахикардия, (г) Фибрилляция желудочков. На (а) зубец Р отражает деполяризацию предсердий, QRS — деполяризацию желудочков, зубец Т — реполяризацию желудочков. Аритмии проявляются как аномалии конфигурации ЭКГ.

Нормальная ЭКГ отражает последовательность следующих процессов:

• зубец Р возникает в результате деполяризации предсердий;

• интервал PR — от начала зубца Р до начала комплекса QRS. Он соответствует времени, в течение которого волна деполяризации проходит через АВ-узел;

• комплекс QRS возникает в результате желудочковой деполяризации; реполяризация предсердий скрыта под этим большим комплексом;

• зубец Т отражает реполяризацию желудочков;

• сегмент ST — это интервал между комплексом QRS и зубцом Т. Положение выше или ниже базовой линии характерным образом изменяется во время ишемической болезни сердца (так называемое повышение или снижение сегмента ST);

• интервал QT показывает время от начала комплекса QRS до конца зубца Т и соответствует времени, необходимому для прохождения волны деполяризации и реполяризации через желудочки.

«Фармакология».