Энергетический баланс миокарда

17 Февраля в 23:05 3062 0


Энергетическое обеспечение клеток сердца осуществляется системой аэробного окисления и фосфорилирования и включает ряд этапов:

1) преобразование энергии внутримолекулярных связей жирных кислот, глюкозы и аминокислот, поступающих в миокард из крови, в энергию концевой фосфатной связи АТФ, которое происходит в митохондриях;

2) процесс внутриклеточного транспорта АТФ от места образования к местам его использования в сократительном аппарате, мембранных катионных насосах и аппарате биосинтетических процессов;

3) превращение энергии АТФ в механическую энергию сокращения миофибрилл, в работу ионных насосов против концентрационного градиента, в энергию биохимических связей внутриклеточных белков и других соединений.

Согласованное протекание этих процессов во времени обеспечивается механизмами их взаимного регулирования. Главным фактором, определяющим интенсивность процессов энергообеспечения, является акт сокращения, потребляющий 70-80 % общего количества синтезированного АТР [В.И. Капелько, 1981; Ф.З. Меерсон, 1982]. Это определяет линейную зависимость количества поглощенного О, миокардом с уровнем механической деятельности сердца [В.А.Сакс, Л.В. Розенштраух, 1980].

Характерной особенностью энергообмена сердца является то, что значительные изменения механической активности и параллельные изменения скорости поглощения O2 не сопровождаются значительными колебаниями внутриклеточных концентраций фосфатных макроэргов - АТФ и КрФ, в условиях нормального снабжения кислородом и субстратами. Это обеспечивается высокоэффективной обратной связью между процессами выработки энергии и ее использования за счет увеличения числа метаболических оборотов этих соединений.

На первом этапе клеточного метаболизма расщепление исходных субстратов (глюкозы, жиров, белков) до пирувата и ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА) происходит в условиях анаэробного обмена с малым продуцированием АТФ в результате действия энзимных систем, свободно расположенных в миоплазме и лизосомах для жирных кислот, а для глюкозы - в миоплазме и в тесной связи с СПР. Аминокислоты, поступившие из крови или образовавшиеся путем распада белков, подвергаются затем дезаминированию или переаминированию. В результате расщепления жиров, белков и углеводов образуется ключевая молекула - ацетил-КоА, которая вводится в митохондриальный цикл трикарбоновых кислот - цикл Кребса, и окисляется в присутствии атомарного кислорода до Н2О и CO.. В.А. Сакс и Л.В. Розенштраух [1980] в обзоре об энергетике клеток миокарда отмечают, что лишь незначительная часть потребностей в энергии покрывается за счет анаэробного расщепления. Энергия, получаемая в клетке миокарда в результате анаэробного расщепления крупномолекулярных полисахаридов, жирных кислот и белков, расходуется на синтез макроэргических фосфатных соединений в митохондриях.

Следующий этап - окислительное фосфорилирование - цикл Кребса (окисление через цитохромную систему), осуществляется в митохондриях. Кислород поступает в митохондрии из крови после его отщепления от гемоглобина. Одновременно высвобождение энергии происходит при переходе электронов по цепи цитохромов, расположенных на кристах. За счет освобожденной энергии в матриксе митохондрии синтезируется АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В процессе этого окислительного фосфорилирования из одной молекулы глюкозы синтезируется 38, а из молекулы пальмитиновой кислоты - 130 молекул АТФ, в то время как при анаэробном расщеплении из одной молекулы глюкозы образуется только 4 молекулы АТФ. Синтез АТФ в митохондриях связан с образованием еще одного макроэргического образования - КрФ при непосредственном участии специального изомера креатинфосфокиназы (КФК), расположенного на внешней стороне внутренней мембраны митохондрии. Под действием этого изофермента в присутствии Мg++ происходит передача энергии концевой фосфатной связи от АТФ к креатину (Кр) с образованием КрФ и АДФ. Транспорт АТФ из митохондрий, а АДФ - наоборот, через мембрану осуществляется АТФ-АДФ-транслоказой. КрФ диффундирует в саркоплазму, транспортируя при этом энергию к местам ее утилизации (миофибриллы, мембранные ионные насосы), где местная КрК осуществляет обратный перенос энергии концевой фосфатной связи от КрФ к АДФ (рис. 1). КрК-реакции составляют важную регуляторную систему кардиомиоцита, играют роль обратной связи между процессами образования и использования энергии на различных этапах энергетического обмена.

Схема синтеза и транспортировка фосфатной энергии внутри кардиомиоцита

Рис. 1. Схема синтеза и транспортировка фосфатной энергии внутри кардиомиоцита: Кр - креатин, КрФ - креатинфосфат, КрФК - креатинфосфокиназа.

В клинической практике эквивалентом количества вырабатываемой энергии для обеспечения нормального функционирования миокарда является величина потребления миокардом кислорода (ПМO2), так как его потребление находится в прямопропорциональной зависимости от механической активности сердца. В обычных условиях границы энергетической безопасности интенсификации работы сердца лимитируются О2, однако следует помнить, что при различных патологических состояниях (в частности, гипогликемия и т.д.) лимитирующими факторами могут выступать другие метаболические субстраты.

В опытах на изолированных сердцах установлено, что миокард нормально функционирующего сердца потребляет приблизительно 8,5 мл О2/100 г миокарда в 1 мин. Из них 25 % (2,1 мл O2) идет на активацию кальциевой системы, 50 % (4,0 мл O2) - на генерирование напряжения, развиваемого миофибриллами, т.е. 75 % потребляемого О2 расходуется только этими двумя факторами, поэтому интенсификация механической деятельности сердца увеличивает потребление миокардом кислорода (ПМO2) [E.Braunwald, 1984].

Суммарная энергия сердца определяется формулой:

Суммарная энергия сердца

где q - калорический эквивалент кислорода, равный 0,0048 ккал/мл;

К - механический эквивалент тепла, равный 427 кг · м/ккал;

ПМO2 - потребление кислорода на 100 г миокарда в 1 мин. Подставляя эти значения коэффициентов в формулу, получим:

Суммарная энергия сердца еще

т.е. величина энергии сердца является прямо пропорциональной функцией потребления миокардом кислорода.

Для практического понимания энергетической потребности сердца необходимо выделить наружные и внутренние факторы, определяющие ее. К наружным факторам следует отнести внешнюю работу сердца - работу по перекачиванию объемов крови и сообщение ей дополнительной кинетической энергии. К внутренним факторам следует отнести внутреннюю работу сердца, определяемую свойствами миокарда, - состоянием сократимости.

В классическом понимании физики работа - произведение силы на расстояние, где действует эта сила. В случае гемодинамики внешняя работа левого желудочка сердца - произведение давления, с которым изгоняется кровь, на поток крови через корень аорты и время, в течение которого изгоняется кровь. С учетом кинетической энергии движущейся крови внешняя работа левого желудочка рассчитывается по формуле:

ф1

где Анл - наружная работа левого желудочка; Рл - среднее систолическое давление в левом желудочке; F - поток крови на выходе из левого желудочка; t - время изгнания крови; т - масса изгоняемой крови; Vл - линейная скорость кровотока на выходе из левого желудочка.

Вторая часть приведенной формулы выражает кинетическую энергию, необходимую для сообщения ускорения массе крови, изгоняемой из желудочка.

Аналогично рассчитывается работа правого желудочка, а общая работа сердца представляет сумму работ правого и левого желудочков:

ф2

где Рп - среднее систолическое давление в правом желудочке; Vп - линейная скорость кровотока на выходе из правого желудочка.

Так как величина кинетической энергии составляет менее 5 % от общей внешней работы и ею можно пренебречь, то количественный подсчет общей наружной работы сердца примет следующий вид:

ф3

где Q = F · t - ударный объем крови.

Таким образом, можно считать, что основную часть механической работы сердца выполняют силы активного внутристеночного напряжения миокарда.

Как указывалось выше, напряжение миофибрилл является главным фактором, определяющим потребность миокарда в кислороде. Однако в настоящее время отсутствуют объективные методы оценки суммарного напряжения, развиваемого миокардом в период систолы, поэтому широкое распространение в практике получил метод косвенной оценки напряжения - индекс «напряжение - время» (TTI) [S.I. Sarnoff and аl., 1958], который равен интегралу давления в полости левого желудочка сердца за период изгнания крови (рис. 2):

ф4

Схема расчета ТП-индекса «напряжение - время»

Рис. 2. Схема расчета ТП-индекса «напряжение - время» (А) и напряжение стенки - закон Лапласа

Используя некоторые допущения (полость левого желудочка имеет сферическую форму) и формулу Лапласа (5) для расчета напряжения в стенке сферы, можно проследить линейную связь между TTI для единичного волокна и TTI для левого желудочка сердца:

ф5

где ΔР - градиент между внутренним (в) и наружным (н) давлениями сферы (Рв - Рн); R - радиус сферы (см. рис. 13).

Индекс «напряжение - время» для единичной мышечной фибриллы равен:

ф6

где t - время активного сокращения. Подставив значения формул (4) и (5) в формулу (6), получим следующее выражение:

ф7

В экспериментах на изолированном сердце собаки было показано, что усиление работы сердца только за счет увеличения давления на выходе из сердца влечет линейное стопроцентное возрастание ПМO2. При таком же повышении работы только за счет увеличения притока крови к сердцу ПМO2 возрастает на 8 %. Объяснения этому явлению следует искать в сопоставлении формулы работы сердца (3) с формулой индекса «напряжение - время» (7).

При повышении давления в п раз кратно увеличиваются работа сердца, TTI и напряжение миофибрилл. При увеличении ударного объема в n раз так же в п раз возрастает работа сердца, a TTI и напряжение миофибрилл - только в 3vn, раз, так как при повышении объема сферы в n раз (в нашем примере это эквивалент ударному объему крови) радиус увеличивается только в 3vn раз.

Таким образом, эта упрощенная математическая модель демонстрирует разницу в приросте напряжения, линейно определяющего величину ПМO2, в ответ на различные виды нагрузок при одинаковом росте работы сердца, т.е. при повышении индекса «работа - давление» миокард потребляет больше энергии, чем при увеличении индекса «работа - объем».

Аналогичные закономерности выявлены при изучении связи снижения внешней работы с ПМO2 [М.Я. Руда, 1970; В.И. Шумаков, В.Е. Толпекин, 1980].

В 1975 г. Е.Н. Sonnenblick сообщил о прямой связи величины ПМ02 с контрактильным состоянием сердца при ИМ, при этом под увеличением контрактильности подразумевалось увеличение скорости или развиваемой силы активного сокращения при постоянной нагрузке или длине мышцы.

Для наглядности расчета скорости сокращения при измерении изменений давления в интактном сердце мы рассмотрим упрощенную модель сердечной мышцы Хилла - последовательное соединение контрактильного элемента с серией эластичных элементов. Скорость сокращения контрактильного элемента будет пропорциональна изменению длины к единице времени:

ф8

Из экспериментальных данных была получена линейная зависимость между отношением приращения напряжения к приращению длины мышечного волокна и величиной напряжения:

ф9

где К и С - эмпирические константы.

После ряда преобразований формулы (9): разделим правую и левую части уравнения на Т и dt, перенесем из знаменателя левой половины dL в числитель правой половины, и используя формулу (8), получим следующее выражение:

ф10

В формуле (10) заменим значение Т на величину Р согласно формуле Лапласа

ф11

При достаточно большом значении Р величиной 2С можно пренебречь, так как произведение R • КР>>2С.

ф12

т.е. скорость сокращения сократительного элемента пропорциональна скорости развиваемого давления в полости левого желудочка.

О влиянии частоты сердечных сокращений на уровень ПМO2 было известно давно. В 1956 г. D. Laurent с сотрудниками показали количественную связь между частотой сердечного ритма, работой в единицу времени (мощность) и ПМO2. При этом было сформулировано два положения: 1) при фиксированном уровне мощности ПМO2 находится в прямой зависимости от частоты сердечных сокращений (ЧСС); 2) увеличение мощности сердца в 3 раза при различной ЧСС (высокая или низкая) ведет к одинаковому процентному увеличению ПМO2.

Однако имеются большие трудности в точном подсчете связи ПМO2 с частотой сердечного ритма, так как практически невозможно отсепарировать изменения ритма от изменений внутренних (контрактильность) и наружных (TTI) факторов, определяющих ПМO2, Подобная ситуация происходит в обычных клинических условиях, когда при увеличении ЧСС ПМO2 возрастает в результате сопутствующих увеличений контрактильности и TTI. Для выявления этих связей рассмотрим гипотетическую математическую модель, в которой ЧСС увеличивается, а внешние факторы, определяющие ТП, - преднагрузка (объем притекающей крови) и постнагрузка (среднее систолическое давление), остаются постоянными, при постоянном значении TTI контрактильность может возрастать и наоборот.

Предполагая, что среднее давление в аорте (Р) и ударный объем (Q) постоянные величины, рассмотрим условия поддержания TTI в 1 минуту на постоянном уровне.

ф13

где tсист - время систолы.

Так как Т - напряжение миокардиальной стенки, постоянная величина, то произведение

ф14

Из уравнения (14) увеличение ЧСС влечет уменьшение tсист, а это ведет к увеличению dP/dt в 1 мин, т.е. при соблюдении вышеизложенных условий совершенно очевидно, что увеличение сердечного ритма обусловливает усиление контрактильности миокарда.

Соблюдая условия Constant для Рсист в аорте и ударного объема, рассмотрим динамику изменения TTI при возрастании ЧСС и поддержании контрактильности миокарда в 1 мин на постоянном уровне. Ударный объем Q = F · tсист, где F - скорость кровотока на выходе из левого желудочка. Кровь - несжимаемая жидкость, и поэтому скорость кровотока будет пропорциональна скорости сокращения миокарда:

ф15

где В - коэффициент, учитывающий потери на вязкость крови, не меняется в течение эксперимента.

Используя формулу (15), выразим dP / dt через ударный объем:

ф16

При постоянной величине отношения учащение частоты ритма влечет увеличение tсист и увеличение TTI = Т · t

Таким образом, когда имеет место увеличение частоты ритма при постоянном давлении в аорте и ударном выбросе, происходит увеличение контрактильности или ТTI в 1 мин или их увеличение одновременно вместе, что обусловливает повышение ПМO2.

При изучении всякой совокупности явлений очень важно установить основные законы или принципы, которые объясняют их и могут предсказать новые. Такой подход к изучению явлений получил название метода принципов. Достоинство метода принципов в том, что весь материал, полученный из основных принципов логическим и математическим путем, является достоверным в пределах тех границ, в которых основные принципы доказаны опытным путем, и стой точностью, с которой выполнены исследования. Один из них - принцип суперпозиции (наложения) - утверждает, что всякое возмущение, существующее в среде (в наших наблюдениях - изменения ЧСС, ТП и контрактильности миокарда), не влияет на распространение другого возмущения и что результирующее смещение (изменение уровня ПМO2) есть сумма (У) смещений на каждое возмущение:

ф17

Подставим в формулу (17) конкретные значения потреблении O2, согласно вышеизложенным рассуждениям:

ф18

где а - коэффициенты, определяющие начальные условия. Данные, полученные в экспериментах и клинических наблюдениях, подтверждают справедливость формулы (18): коэффициент корреляции (r), полученный различными исследователями, составляет 0,92 [K.A.Reimer, 1982].

Итак, динамика суммарного уровня потребления миокардом O2 определяется тремя детерминантами:

1) внешней работой (индекс «напряжение - время»);

2) внутренней работой (контрактильность миокарда) и

3) частотой сердечных сокращений.

Как указывалось выше, по самым приблизительным расчетам энергия, выработанная в миокардиальных клетках, распределяется между различными процессами следующим образом: около 70 % используется на сокращение, 15 % - расходуется на перенос Са++ в саркоплазматическом ретикулуме и митохондриях, около 5 % идет на процесс активного переноса Na+ против концентрационного градиента через саркоплазму, остальная часть энергии идет на покрытие нужд биосинтетических процессов, поддерживающих целостность структуры кардиомиоцита [В.А. Сакс, Л.В. Розенштраух, 1980].

Общий энергетический баланс интактного сердца обеспечивается из последовательно связанных этапов: 1) доставка энергетических субстратов (коронарный кровоток); 2) окислительное фосфорилирование энергетических субстратов до макроэргов АТФ и КрФ; 3) транспортировка энергии концевой фосфатной связи и ее передача исполнительным клеточным органелам с помощью КрФ и участия различных изоферментов КФК; 4) трансформация биохимической энергии АТФ в механическую энергию сокращения сердца, определяющего основной уровень ПМO2. Общая схема энергетического баланса интактного сердца без учета промежуточных этапов представлена на рисунке 3. Величина коронарного кровотока определяется состоянием коронарного русла и особенностями его регуляции, что является предметом обсуждения следующего раздела этой главы.

Схема факторов, определяющих баланс доставляемой и потребляемой энергии в миокарде

Рис. 3. Схема факторов, определяющих баланс доставляемой и потребляемой энергии в миокарде: 1. Рдиас - диастолическое давление в аорте; 2. Rкор - сопротивление коронарных сосудов; 3. Qкоp - величина коронарного кровотока; 4. ПМО2 - потребление миокардом кислорода; 5. ЧСС - частота сердечных сокращений; 6. Т - внутримиокардиальное напряжение; 7. F - сила сердечных сокращений

Инфаркт миокарда. А.М. Шилов

Похожие статьи
  • 02.04.2012 54479 10
    Инфаркт

    Инфаркт — очаг некроза, развившегося вследствие нарушения кровообращения. Инфаркт называют также циркуляторным, или ангиогенным некрозом. Термин "инфаркт" (от лат. нафаршировать) был предложен Вирховым для формы некроза, при которой омертвевший участок ткани пропитывается кровью.

    Инфаркт миокарда
  • 05.04.2012 17975 20
    Острый инфаркт миокарда

    Острый инфаркт миокарда определяют, пользуясь клиническими, электрокардиографическими, биохимическими и патоморфологическими характеристиками. Признано, что термин «острый инфаркт миокарда» отображает смерть кардиомиоцитов, вызванную длительной ишемией.

    Инфаркт миокарда
  • 25.02.2013 16823 13
    Непрямые антикоагулянты

    Тромбоз сосудов разной локализации занимает одно из ведущих мест среди причин инвалидизации, смертности и сокращения средней продолжительности жизни населения, которые определяют необходимость широкого применения в медицинской практике препаратов с антикоагулянтными свойствами.

    Инфаркт миокарда
показать еще
 
Сердечно-сосудистая хирургия