Клеточный механизм сопряжения процессов возбуждения-сокращения-расслабления

17 Февраля в 22:15 3133 0


Сопряжение возбуждения с сокращением и расслаблением представляет комплекс процессов, связывающих электрическую деполяризацию на сарколемме и СПР с механическими событиями в миофибриллах, при этом необходимым компонентом является Са. Под действием электрического стимула или волны деполяризации происходят конформационные изменения белковых структур сарколеммы, приводящие к увеличению ее проницаемости, т.е. открытию каналов, через которые по концентрационному градиенту происходит перемещение ионов К+, Na+ и Са++. В результате поступления Na+ в клетку и выхода К+ из клетки формируется трансмембранный потенциал действия, который, в свою очередь, также оказывает влияние на Са-каналы, открывая их. С помощью биолюминесцентной техники (акворин) было показано два входа Са++ в клетку: быстрый, связанный с 0-фазой потенциала действия; и медленный, соответствующий плато потенциала действия и времени развиваемого напряжения [R.I. Solaro, 1982;]. Однако это увеличение концентрации свободного Са" в саркоплазме недостаточно для включения механизма сокращения. Входящий через сарколемму Са++ играет триггерную роль в высвобождении внутриклеточного Са++: 1) находящегося в концевых цистернах продольных каналов СПР, 2) в митохондриях и 3) связанного с саркоплазматическими протеинами, в частности с калмодулином. Высвобождению Са++ из концевых цистерн СПР также способствует волна деполяризации, распространяющаяся через Т-тубулы на продольные канальцы через систему триад. Триггерное увеличение концентрации свободного кальция в цитоплазме до 10-6-10-5 моль/л дает возможность последнему вступать в соединение с ТнС. Взаимодействие Са++ с ТнС ведет к пространственной перестройкетропонинового комплекса и в связи сэтим – к перемещению Тм таким образом, что открываются активные места на актиновых протофибриллах, то есть, снимается ингибирующая роль Тм в образовании актино-миозиновых мостиков. После присоединения миозиновой головки к актину происходит втягивание гексагональных структур актиновых протофибрилл к центру саркомера между миозиновыми протофибриллами за счет «гребущего» движения головок миозина.

Образование актино-миозиновых мостиков происходит в присутствии комплекса Мg++ - АТФ. «Гребущие» движения головок миозина преобразуют химическую энергию концевой фосфатной связи, гидролизуемой АТФ, в механическую. Гидролиз АТФ осуществляется АТФазой головок миозина в присутствии Мg++. Затем, в результате активного удаления Са++ из саркоплазмы кальциевым насосом СПР и снижения его концентрации, происходит отщепление Са++ от Тн и перемещение Тм с восстановлением его блокирующей функции на актино-миозиновые мостики. Развивается релаксация кардиомиоцитов (диастолическое расслабление).

Процессы сокращения и расслабления

Взаимодействие актиновых и миозиновых протофибрилл, приводящее к сокращению кардиомиоцита, представляет ряд последовательно координированных конформационных превращений сократительных белков под действием Са++ и Мg++, катализируемых реакций фосфорилирования. Эти превращения осуществляются как в области тропонинового комплекса на актиновых миофиламентах, так и в области головок миозиновых миофиламентов.

На рисунке 1 представлена схема взаимодействий тропонинового комплекса с тропомиозином в результате присоединения Са++ к кальцийспецифическим местам ТнС и изменения взаимодействия между ТнС, ТнI и ТнТ, что приводит к открытию активных мест актиновых протофибрилл, способных вступать в реакцию с головками миозиновых протофибрилл. Во время диастолы концентрация свободного Са++ в саркоплазме ниже порога связывания с кальцийспецифическим местом ТнС (кальцийсвязующий компонент тропонина), а кальций - магниевые места заняты обоими или одним из этих катионов. Наличие кальций - магниевых мест в ТнС, по-видимому, является регулятором силовой компоненты сокращения кардиомиоцита: преобладание Са++ ведет к усилению связи актин - миозин, преобладание Мg++ ослабляет эту связь. В этих условиях ТнI (ингибиторный компонент тропонина) прочно связан с актином и удерживает тропомиозин в позиции, блокирующей реакцию головок миозина с активными местами актина. При значительном увеличении концентрации свободного Са++ в саркоплазме происходит его связывание с кальцийспецифическими местами ТнС. Это интенсифицирует афинитет ТнС к ТнI, ослабляет связь последнего с актином и позволяет перемещаться тропомиозину в позицию, не препятствующую взаимодействию актина с миозином. Прочность связи Са++ в кальцийзависимых местах ТнС, определяющая афинитет последнего к ТнI, контролируется фосфорилированием ТнI. В свою очередь, фосфорилирование ТнI интенсифицируется активностью цАМФ-зависимой протеинкиназой, а дефосфорилирование - фосфатазой. Следует отметить, что по этой схеме интенсивность взаимодействия между ТнI и ТнТ (связующий компонент тропонина с тропомиозином), а также ТнТ и Тм не является кальцийзависимой.

Гипотетическая схема участия Са++ и Мg++

Рис. 1. Гипотетическая схема участия Са++ и Мg++ в регуляции взаимодействия актиновых и миозиновых миофибрилл через активацию тропониновых белков актина.

В области головок миозиновых миофиламентов имеются две разновидности легких цепочек. Одна из них способна подвергаться фосфорилированию под действием специфической протеинкиназы - киназы легкой цепочки миозина. Обладая свойствами фосфорилирования, что дало ей название Р-легкая цепочка, она принимает участие в регуляции актино-миозинового взаимодействия через активацию АТФазы актомиозина. Схема фосфорилирования Р-легкой цепочки миозина включает катализ киназой легкой цепочки миозина, активность которой определяется Са++ и кальцийсвязующим белком - калмодулином (КМ). Для запуска этого процесса необходимы следующие превращения:

1) 4 иона Са++ присоединяются к кал-модулину и образуют комплекс 4Са++ - КМ;

2) комплекс 4Са++ - КМ присоединяется к неактивной киназе легкой цепочки миозина (КЛЦМнеакт.) и образует активный комплекс 4Са++ - КМ - КЛЦМакт;

3) этот комплекс катализирует перенос фосфата из Mg++ - АТР к Р-легкой цепочке миозина (рис. 2). Обратный процесс - дефосфорилирование Р-легкой цепочки миозина, катализируется фосфатазой легкой цепочки миозина.

Схема последовательности этапов фосфорилирования головки миозина

Рис. 2. Схема последовательности этапов фосфорилирования головки миозина в процессе ее «гребущего» движения.

Головка миозина обладает АТР-азной активностью, которая осуществляет гидролиз АТФ в присутствии Мg++, т.е. отщепление концевого фосфата и высвобождение энергии. Активация АТФ-азы миозина находится под контролем фосфорилированной легкой цепочки миозина. В настоящее время не известен молекулярный механизм трансформации энергии концевой фосфатной связи в механическое, «гребущее» движение головок миозина. Имеются сведения о прямом влиянии Са++ на движение головок миозина во время актино-миозинового взаимодействия. В момент присоединения к деблокированным местам актина головки миозина располагаются под прямым углом к тонким и толстым протофибриллам. Затем происходит перемещение головок миозина до образования острого угла («гребущее» движение головки) с втягиванием актиновой нити между миозиновыми протофибриллами, в результате осуществляется укорочение саркомера. Таким образом, в процессе сокращения длина миозиновых и актиновых протофибрилл не меняется, они смещаются относительно друг друга, и поэтому сам механизм получил название скользящей модели сокращения [Ф.З. Меерсон, 1982].

Активный процесс завершается снижением концентрации свободного Са++ в саркоплазме под действием Са-насоса продольного СПР. В результате снижения концентрации свободного Са++ в саркоплазме происходит высвобождение Са++ из кальцийспецифических мест ТнС, что влечет возвращение Тн - комплекса и Тм в исходную позицию, т.е. закрытие активных центров актиновых протофибрилл. Одновременно под действием фосфатазы легкой миозиновой цепочки головки миозина происходят дефосфорилирование Р-легкой миозиновой цепочки и деактивация АТФазы актомиозина. В результате этих двух процессов:

а) блокирования активных центров ак-тиновых протофибрилл;

б) деактивации АТФазы миозиновых головок - осуществляется устранение актино-миозиновых мостиков и развитие релаксации кардиомиоцита. На процесс релаксации кардиомиоцита оказывает действие фосфорилирование ТнI, снижающее чувствительность кальцийспецифических мест ТнСкСа++, и какследствие этого - снижение взаимного афинитета ТнС и ТнI, что устраняет взаимодействие Тн и Тм с перемещением последнего в позицию, блокирующую активные центры актина.

Фосфорилирование ТнI регулируется сАМР-зависимой протеинкиназой, активность которой определяется уровнем сАМР в саркоплазме, изменяемым стимуляцией адренергических рецепторов (в частности, в-адренергических рецепторов) [R.I. Solaro, 1982].

Оба процесса - образование и ликвидация актино-миозиновых мостиков - в нормальных условиях обеспечиваются энергией гидролиза АТА и ее последующей доставкой. При гипоксии миокарда дефицит АТА в сократительном аппарате затрудняет отсоединение головок миозина от центров актина, нарушается процесс релаксации и развиваются явления контрактуры - незавершенная диастола [Ф.З. Меерсон, 1982].

Из современного представления о реализации цикла сокращения и расслабления, а также из анализа биохимических и физиологических данных следует, что в физиологических условиях сокращение сердечной мышцы не является максимальным, так как

1) во время систолы Са++ образует комплексы не со всеми молекулами Тн и соответственно многие активные центры актина остаются закрытыми;

2) не все головки миозина присоединяются к открытым центрам актина;

3) интенсивность «гребущего» движения присоединившихся головок неравномерна;

4) во время диастолы могут сохраняться так называемые остаточные поперечные мостики [Ф.З. Меерсон, 1982].

Это является резервом увеличения силы и амплитуды сокращения сердца, детерминированного на уровне миофибрилл. Скоростная компонента сокращения и расслабления контролируется темпом фосфорилирования и дефосфорилирования систем, определяющих движение кальция:

1) кальциевый насос продольного СПР;

2) сродство протофибрилл к Са++ - уровнем цАМФ, определяемым активностью рецепторов сарколеммы.

Синтез циклических нуклеотидов в саркоплазме схематично представлен на рис. 3. Он включает ряд следующих этапов: молекула гормона (Г) связывается со специфическим рецептором (Р), расположенным на наружной стороне мембраны, затем это соединение (Г+Р) диффундирует в мембране и при столкновении с молекулой аденилатциклазы (АЦ) связывается и дефосфорилирует ее, в результате чего фермент АЦ приобретает высокую активность. Активизированная АЦ (Г+Р+АЦ+Ф) катализирует образование цАМФ из АТФ [СЕ. Северин, М.Н. Кочеткова, 1985]. Уровень цАМФ также контролируется гидролизом цАМФ до АМФ с помощью фермента фосфодиэстеразы. Активность аденилатциклазы и фосфодиэстеразы повышается в присутствии Са++ в одинаковой степени [С.Е. Северин, 1985], что сохраняет синтез и распад цАМФ на постоянном (повышенном или пониженном) уровне.

Схема синтеза циклических нуклеотидов

Рис. 3. Схема синтеза циклических нуклеотидов (А) с внутриклеточной кинетикой Са++ (Б)

Регуляция содержания цАМФ в саркоплазме представлена на схеме (см. рис. 9). Согласно этой схеме, повышение содержания гормонов в крови (катехоламины, глюкагон, гистамин и т.д.) ведет к активации взаимодействия рецепторов сарколеммы с аденилатциклазой и к повышению скорости синтеза цАМФ. Повышенное содержание цАМФ усиливает фосфорилирование сарколеммы, и вход Са++ внутрь клетки возрастает. Ионы Са++ связываются с калмодулином, локализованным в мембране, и это соединение взаимодействует с аденилат-циклазой, как бы переключая аденилатциклазную систему на цитоплазматические факторы. Одновременно Са++, входящий в кардиомиоцит, взаимодействует с калмодулином саркоплазмы, который активирует фосфодиэстеразу. Таким образом, вхождение Са++ внутрь миокардиальной клетки стабилизирует уровень цАМФ и делает нечувствительным аденилатциклазную систему к факторам наружной среды. В дальнейшем, при удалении Са++ из саркоплазмы (СПР, сарколемма, митохондрии), нарушается связь ферментов метаболизма цАМФ с системой Са-калмодулин, аденилатциклаза становится способной вновь отвечать на воздействие гормонов.

Движение Са++ через мембрану и его перемещение внутри клетки

Кинетика Са++ внутри клетки определяется тремя мембранными системами: сарколеммой, саркоплазматическим ретикулумом и митохондриями. Вхождение Са++ в клетку осуществляется через потенциалзависимые каналы, рецепторно-оперативные каналы и путем обычного просачивания через мембрану (рис. 4).

Схема кинетики Са++ в кардиомиоците

Рис. 4. Схема кинетики Са++ в кардиомиоците.

Различают три вида потенциалзависимых каналов:

1) спайк-потенциалзависимые каналы, которые открываются и закрываются быстро во время спайка потенциала действия;

2) быстрые градиент-деполяризационно-зависимые каналы;

3) медленные градиент-деполяризационно-зависимые каналы, которые открыты во время всей фазы деполяризации.

Степень открытия второго и третьего каналов зависит от градиента деполяризации.

В настоящее время мало данных относительно рецепторно-оперативных каналов, однако имеются сведения, что их открытие контролируется адренергической стимуляцией.

Гипотетическая схема каналов приводится на рис. 5. Канал представляется как мембранная пора, содержащая на входе отрицательно заряженные места, величина и плотность заряда действуют как «селективный фильтр» для различных катионов, внутри имеются вольтажчувствительные образования (сенсоры), определяющие открытие и закрытие канала на всем протяжении в зависимости от знака вольтажа (положительный или отрицательный), на выходе - ворота канала [D.J. Triggle, 1982]. Отрицательные заряды на наружной и внутренней поверхностях мембраны играют роль мест связывания катионов, формируют трансмембранный потенциал и модулируют вольтажно - сенсорный компонент каналов.

Гипотетическая схема строения ионных каналов

Рис. 5. Гипотетическая схема строения ионных каналов.

Входящий в клетку Са++ играет триггерную роль в высвобождении внутриклеточного Са++, содержащегося в цистернах СПР, в митохондриях и связанного с различными саркоплазматическими протеинами (в частности, с калмодулином), и, следовательно, оказывает влияние на количественный уровень Са++ во внутриклеточных хранилищах. Последнее предположение объясняет появление положительного инотропного эффекта через несколько сокращений при увеличении длительности потенциала действия желудочков. После триггерного увеличения свободного саркоплазматического Са++ развивается процесс сокращения саркомера. Процесс релаксации кардиомиоцита нуждается в быстром удалении Са++ из саркоплазмы со скоростью приблизительно 25 мкмоль Са на 1 кг сердца за 20 мс. С этой задачей в основном справляется продольный СПР посредством кальциевого насоса и транспортных белков, перемещающих Са++ вдоль просвета канала СПР к концевым цистернам. Другой путь удаления Са++ из саркоплазмы - через сарколемму, посредством кальциевого насоса, стимулируемого Са-зависимой АТРазой. Энергия для работы этого насоса генерируется трансмембранным градиентом Na+; чем больше градиент Na+, тем выше скорость выведения Са++ и наоборот. Это объясняет положительный инотропный эффект дигиталисных препаратов, ингибирующих Na-K - насос: при увеличении концентрации внутриклеточного Na+ уменьшается трансмембранный градиент последнего, что снижает темп выведения Са++ и увеличивает его внутриклеточное содержание. Третий путь удаления Са++ из саркоплазмы - связывание Са++ с плазменными белками и белками, расположенными на внутренней поверхности мембраны.

Активную роль в удалении Са++ играют митохондрии, но их деятельность в процессах релаксации ограничивается низкой скоростью захвата Са++. Основная роль митохондрии - накопительная, с последующим высвобождением Са2+ для достижения инотропного эффекта. Однако активный транспорт Са++ и оксидативное фосфорилирование, определяющее синтез АТФ, являются взаимоисключающими процессами. Кроме того, перегрузка митохондрий кальцием ведет к их структурному и функциональному изменениям [R.l. Solaro. 1982]. Схема кинетики Са++ в кардиомиоците представлена на рис. 4.

Большое участие в регуляции кинетики Са++ принимает Мg++ - природно-физиологичный антагонист кальция [I.K. Aikawa, 1981]. Внутри мышечной клетки Мg++ проявляет следующие свойства:

1) ингибирует триггерное высвобождение Са++, вызванное поступлением внутрь клетки экстрацеллюлярного кальция;

2) активизирует возврат Са++ в СПР стимуляцией Са-АТРазы;

3) конкурирует с Са++ в связующих местах ТнС и миозина;

4) распределяется в митохондриях и регулирует количество цитозольного Мg++ для специфического взаимодействия с цитозольным Са++;

5) уменьшает развитие мышечного напряжения (Т) согласно формуле:

Мышечное напряжение

где [Са]0 и [Mg]0 - зкстрацеллюлярная концентрация [Shine, 1979].

Суммируя вышеизложенное, этапность событий в кардиомиоците упрощенно можно представить следующим образом. Во время деполяризации клетки Са++ через быстрые и медленные потенциалзависимые кальциевые каналы поступает в клетку. Но это всего лишь малая часть кальция, необходимого для активации миофибрилл. Поступающий в клетку Са++ играет триггерную роль в высвобождении внутриклеточного Са2+, в основном из цистерн СПР. Достигнув критического уровня концентрации в саркоплазме, свободный Са++ связывается с кальцийспецифическими местами ТнС, вызывает серию взаимодействий белок - белок, в результате чего становится возможным формирование поперечных мостиков актин - миозин, генерирование силы сокращения и укорочение клетки.

Удаление Са++ из саркоплазмы осуществляется СПР за счет энергии, вырабатываемой Са-стимулируемой АТРазой, в присутствии Мд++, а также экстракцией Са++ через сарколемму за счет энергии, образованной трансмембранным Na+-градиентом и Са-АТРазой. Падение концентрации свободного Са++ в саркоплазме обусловливает высвобождение его из связи с ТнС и устраняет миофибриллярное напряжение. Процессы релаксации лимитированы временем устранения взаимодействий протеин - протеин, ликвидации поперечных мостиков актин-миозина и возвращения актиновых протофибрилл в состояние покоя. В обычных условиях митохондрии играют незначительную роль в транспорте Са++ внутри клетки и выполняют накопительную роль при значительном увеличении внутриклеточного Са++.

Время мембранной и миофибриллярной активации модулируется фосфорилированием и дефосфорилированием протеинов, находящихся под контролем киназ. Киназы активируются системой Са-калмодулин и метаболизмом цАМФ. Фосфорилирование протеинов сарколеммы увеличивает поток Са++ через каналы, а фосфорилирование фосфоламбана повышает скорость транспорта Са++ в просвет СПР. При фосфорилировании ТнI возрастает скорость обмена Са++ с ТнС. Таким образом происходит регуляция инотропных и хронотропных ответов сердца на стимуляцию катехоламинами.

Инфаркт миокарда. А.М. Шилов

Похожие статьи
  • 02.04.2012 54580 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 18023 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
  • 24.02.2013 16899 5
    Классификация, клиника, диагностика инфаркта миокарда

    Существует несколько классификаций ИМ в зависимости от исходных изменений ЭКГ, локализации очага некроза сердечной мышцы или в зависимости от времени развития патологии.

    Инфаркт миокарда
показать еще
 
Сердечно-сосудистая хирургия