Структура и функция клетки миокарда

17 Февраля в 21:27 5946 0


Функционирование сердца как насоса подчинено двум задачам:

1) трансформация биохимической энергии в механическую;

2) обеспечение организма минутным объемом крови адекватно метаболическим нуждам.

Решение этих задач осуществляется сложными аутогенными, гетерогенными и нейрогуморальными процессами регуляции сократительного состояния миокарда, числа сердечных сокращений, преднагрузки (приток крови к сердцу) и постнагрузки (сопротивление сосудистой системы). Нарушение одного из звеньев этого сложного процесса ведет к развитию сердечной недостаточности, в основе которой в условиях ишемии лежат нарушения диастолической функции и сократительной способности миокарда.

Современная кардиология - наука, занимающаяся фундаментальными исследованиями механизмов функционирования сердца в норме и патологии. Она использует в своем развитии достижения молекулярной кинетики биологических процессов на уровне клеточных и субклеточных структур, позволяющих понимать процессы сопряжения возбуждения-сокращения-расслабления миокарда и энергетику, обеспечивающую эти процессы. В настоящее время без выяснения на клеточном и молекулярном уровнях сократительной способности и энергетических процессов миокарда невозможно решать практические вопросы патогенеза поражения сердечной мышцы и особенностей нарушения метаболизма миокарда при его ишемии, наметить рациональные пути лечения и эффективные методы предупреждения развития сердечной недостаточности.

В этой главе излагается последовательность событий, происходящих в структурных и функциональных единицах кардиомиоцитов-саркомерах, и связываются эти события с состояниями диастолической - сократительной функции миокарда и насосной деятельностью сердца в условиях нормы.

Стенка сердца образована миокардиальными волокнами весьма сложной структуры. Электронно-микроскопические исследования показали, что специфическая ткань (клетки водителя ритма, проводящая система, волокна Пуркинье) и сократительный миокард имеют клеточный характер, а не синцитиальное строение. [B.C. Пауков, 1968; Е. Braunwald and al., 1984]. По сравнению с волокнами сократительного миокарда мышечные волокна, приводящие сердце в действие (клетки водителя ритма), тоньше и короче, а волокна, специализирующиеся в проведении и ускорении возбуждения (волокна Пуркинье), несколько длиннее и толще их. В составе специализированных волокон мало миофибрилл, они богаты чистой цитоплазмой и гликогеном, обильно снабжены капиллярами и вегетативными нервными волокнами.

Миокардиальные клетки окружены соединительной тканью, богатой капиллярами и постганглионарными немиэлино-выми нейронами. Эти нейроны не имеют специфического соединения с миокардиальными клетками. Они оканчиваются грушевидными образованиями, содержащими гранулы нейротрансмиттерных субстанций (ацетилхолин, норадреналин). Действие нейротрансмиттерных субстанций реализуется через поверхностные рецепторы клеточных мембран миокардиальных волокон. Нейроны, содержащие ацетилхолин, локализуются главным образом в предсердии, около клеток водителей ритма и проводящих тканей; нейроны, содержащие норадреналин,- в предсердиях и миокарде желудочков.

Клетки сократительного миокарда имеют удлиненную форму и зигзагообразные концы, увеличивающие контактную поверхность с последовательно расположенными смежными клетками (рис. 1). Между концами смежных клеток имеются образования в виде утолщений клеточных мембран (сарколемм), носящие название вставочных дисков, ориентированные поперечно через пучки приблизительно параллельных, продольно расположенных волокон миокарда. Некоторые участки вставочных дисков (nexus) обладают низким сопротивлением для распространения электрической активности клеток, образуемой движением малых ионов [В.Г. Шаров. 1982]. Благодаря этим участкам вставочных дисков, активация одного волокна другим осуществляется легко и миокард функционирует как синцитий. При гипоксии, вызванной кровопотерей или вдыханием газовой смеси, обедненной кислородом, а также после повторных введений тироксина и алкоголя у различных животных, при гистологическом исследовании отмечено выраженное расширение вставочных дисков [С. Alexander and al., 1977]. Подобное расширение, по мнению некоторых авторов, может привести к блокированию передачи электрических импульсов от клетки к клетке и способствовать образованию эктопических очагов автоматизма дистальнее места перерыва волны деполяризации [И.И. Исаков и др., 1984].

Схема структурного строения сердца

Рис. 1. Схема структурного строения сердца и кардиомиоцита: а - общий вид сердца; б - синцитиальное строение миокарда; в - изометрическое строение кардиомиоцита; г - электронная микроскопия саркомера; д - электронная микроскопия вставочного диска.

Кардиомиоцит имеет сложную клеточную структуру, которая по функциональному назначению может быть разделена на четыре основные группы клеточных элементов:

1 - мембрана, или сарколемма, с саркоплазматическим ретикулумом (СПР), отвечающие за процессы деполяризации и реполяризации, сопряжение процессов возбуждения-сокращения-расслабления, процессы обмена между внеклеточными и внутриклеточными средами;

2 - сократительные белки, актин, миозин, тропонин, тропомиозин, осуществляющие механику сокращения клетки;

3 - митохондрии и лизосомы, обеспечивающие энергетику этих процессов;

4 - ядра и рибосомы, ответственные за репаративные процессы клеточных структур.

Клетка сократительного миокарда в норме составляет 40-100 мкм в длину и 10-20 мкм в диаметре. По всей длине клетки проходят многочисленные поперечно-полосатые пучки-миофибриллы, неполностью разделяемые саркоплазмой, содержащей митохондрии и мембранные продольные каналы саркоплазматического ретикулума. Миофибрилла содержит от 200 до 1000 миофиламентов - тонких (актин) и толстых (миозин) нитей. Поперечно-полосатая исчерченность мио-фибрилл обусловлена пространственным взаиморасположением актина и миозина. Миофибриллы состоят из повторяющихся в длину саркомеров - структурных и функциональных единиц кардиомиоцита, ограниченных двумя соседними темными линиями - Z-дисками. Расстояние между Z-дисками, т.е. длина саркомера, - 1,6-2,2 мкм.

Z-диски подобны частому ситу, так как сквозь них проходят и прикрепляются к ним нити актина. Внутри по краям саркомера имеются светлые l-полосы, образованные только тонкими нитями актина, которые варьируют по ширине в зависимости от фазы сердечного цикла, l-полосы ограничивают темные А-полосы, состоящие из толстых миозиновых нитей и расположенных между ними тонких актиновых нитей. Между полосами А, в центре саркомера, расположена полоса Н, состоящая только из толстых миозиновых нитей (рис. 2).

Изображение саркомера

Рис. 2. Электронное (А) и схематичное (Б) изображение саркомера, миофибрилл - актина и миозина (В) с поперечным сечением (А-А).

Сарколемма

Клетки миокарда покрыты мембраной - сарколеммой - сложной и динамичной структурой, состоящей из наружного слоя (гликокаликса) и внутреннего слоя(основной мембраны), представленного липидным двухслойным матриксом с включениями протеинов и гликопротеинов (рис. 3). Гликокаликс имеет рыхлый наружный и более плотный внутренний слой, состоит из олигосахаридов и карбогидратных цепочек, образованных из гликопротеинов, включенных в основную мембрану. Матрикс основной мембраны образован двумя слоями липидов (фосфолипиды и холестерин) с цепочками жирных кислот, ориентированных внутрь мембраны и формирующих гидрофобное покрытие клетки. В сарколемме имеются следующие включения: протеины и гликопротеины, функционирующие как каналы или переносчики ионов; гуморальные и нейротрансмитерные рецепторы и энзимы - Na-K-АТРаза, аденилат- и гуанилатциклазы. Детальное исследование этих структур показало, что они подобны конгломератам протеиновых субъединиц с различными функциональными и регуляторными местами положения [R.I. Solaro, 1982]. Благодаря отрицательному заряду олигосахаридов и полярному расположению головок липидов, сарколемма преимущественно содержит анионные места, формирующие на клеточной поверхности регионы, связующие катионы, в частности Са++.

Изображение саркомера еще

Рис. 3. Электронное (А) и схематичное (Б) изображение саркомера, миофибрилл - актина и миозина (В) с поперечным сечением (А-А).

Основная функция сарколеммы генерация и сохранение трансмембранных градиентов Na, К, Мg и Са, которые необходимы для нормального возбуждения и регуляции концентрации внутриклеточного свободного Са++. Гидрофобный фосфолипидный слой сарколеммы играет роль барьера для этих гидрофильных ионов, создавая концентрационный градиент. Векторы трансмембранного концентрационного градиента для Na+ и Са++ направлены через мембрану внутрь клетки, а для К+ - наоборот, из клетки наружу, и соответственно равны:

Векторы трансмембранного концентрационного градиента

где в - внутриклеточная концентрация, н - наружная концентрация соответствующего катиона.

Перемещение этих ионов через мембрану осуществляется взаимодействием с переносчиками или через потенциалзависимые мембранные каналы, роль которых выполняют включения белковых субстанций. В случаях К+ и Na+ эти градиенты устанавливаются активацией Na-K-ATPaзы-энзима, который путем гидролиза АТР обеспечивает энергией активный транспорт Na+ из клетки наружу, а K+ внутрь клетки (Na-K-насос). Для Са++ - мембранные переносчики используют энергию, выделяемую при входе Na+ в клетку по концентрационному градиенту. Схематично можно предположить, что движение Na+ и Са++ внутрь, а К+ наружу клетки происходит по концентрационному электрохимическому градиенту без потребления энергии через каналы, открытие и закрытие которых зависит от электрического трансмембранного потенциала. Восстановление градиентов осуществляется мембранными переносчиками, при этом потребляется энергия для преодоления градиентов этих ионов. Первый процесс происходит относительно быстро, второй - относительно медленно.

Другая важная функция сарколеммальных структур - трансформация гуморальных и нейротрансмиттерных сигналов в изменения концентраций внутриклеточных эффекторов, что осуществляется в виде последовательности следующих взаимодействий:

Трансформация гуморальных и нейротрансмиттерных сигналов

В частности, взаимодействия естественных агонистов или их аналогов с альфа-, бета-адренергическими рецепторами или рецепторами гистамина ведут к образованию комплекса с аденилатциклазой мембраны, который катализирует синтез цАМФ. Активизированные холинергические рецепторы вступают в комплекс с гуанилат-циклазой и катализируют синтез цГМФ.

В настоящее время роль цГМФ в сердечной мышце недостаточно изучена, однако имеются сведения о влиянии его на гликогенолитический цикл, саркоплазматический ретикулум, миофибриллы и непосредственно на сарколемму через изменение уровней внутриклеточного цАМФ, т.е. их конкурентное соотношение. Циклические нуклеотиды опосредуют свое влияние через фосфорилирование белков, активируя их энзимы. Например, в случаях сарколеммы активация протеинкиназы путем увеличения цАМФ в результате стимуляции адренергических рецепторов ведет к фосфорилированию протеинов, локализованных около кальциевых каналов и регулирующих степень их открытия.

Саркоплазматический ретикулум

Саркоплазматический ретикулум кардиомиоцита состоит из двух систем каналов, связанных в единую коллекторную сеть: поперечные каналы, или Т-тубулы, являющиеся инвагинирующим продолжением сарколеммы в области Z-дисков, и сеть продольных каналов, или L-тубулы, идущие вдоль каждого пучка миофибрилл кардиомиоцита. Сравнительная цитология показывает, что развитие СПР в миокардиальных клетках различно у разных животных и находится в прямой зависимости от интенсивности сократительной деятельности сердца. В области Z-дисков продольные каналы имеют расширенные концы - цистерны, которые тесно контактируют с Т-тубулами, но не продолжаются в них. Стыковка цистерн продольного ретикулума смежных саркомеров в области Z-дисков с Т-тубулами носит название триады (рис. 4, а). В этом месте происходит передача импульса, распространяющегося по сарколемме и Т-тубулам на L-тубулы, вызывая синхронную деполяризацию продольного СПР соседних саркомеров. Контактирующие мембраны в области триад имеют электронно-плотные образования, которые получили название внутренних синапсов в отличие от синаптической связи между нервными окончаниями и сократительным миокардом. Эти данные позволяют предположить медиаторное возбуждение продольного СПР, к тому же имеются указания о наличии медиатора не только в синаптических пузырьках, но и в гликокаликсе и цитоплазме [И.И. Исаков и др., 1984]. Основная и, пожалуй, единственная функция продольного СПР - модулирование концентрационных колебаний Са++ - в миоплазме в зависимости от фаз сердечного цикла. Продольный СПР обладает способностью быстро перемещать большие количества Са++ против концентрационного градиента из миоплазмы в просвет каналов, используя энергию гидролиза АТР (кальцевый насос, контролируемый Mg-зависмой АТФ-азой).

Взаимоотношения субклеточных органелл кардиомиоцита

Рис. 4. Взаимоотношения субклеточных органелл кардиомиоцита (а) и внутриклеточное распределение Са++ (б).

Подобно сарколемме, продольный СПР имеет двухслойную липидную мембрану, состоящую главным образом из фосфолипидов и содержащую значительные количества триглицеридов и холестерола (рис. 5). В липидном матриксе имеются белковые включения - преимущественно полипептиды размерами 100000 Да, выступающие над поверхностью СПР. Эти протеины обладают большим афинитетом к Са2+ и кальцийстимулируемой Мg - АТФазе. Также имеются низкомолекулярные протеолипиды, тесно связанные с липидным покрытием СПР и стабилизирующие транспортные энзимы в жидком матриксе. На внутренней поверхности просвета каналов имеются протеины в 2 раза меньше транспортных энзимов, они обладают относительно низким афинитетом к Са++, но относительно большей способностью связывать его. Вероятно, роль этого белка - аккумуляция и перемещение Са++ вдоль просвета в цистерны СПР. Другой низкомолекулярный белок - фосфоламбан, тесно связан с гидрофобным покрытием двухслойной липидной мембраны. Этот протеин фосфорилируется протеинкиназой под действием или сАМФ, или Са++ совместно с калмодулином: При фосфорилировании фосфоламбана значительно увеличивается темп транспорта Са++ через СПР с одновременным возрастанием активности АТФазы, что значительно способствует скорости релаксации кардиомиоцита.

Схематическое изображение ультраструктуры продольного канала саркоплазматического ретикулума

Рис. 5. Схематическое изображение ультраструктуры продольного канала саркоплазматического ретикулума (СПР)

Имеются сведения, что некоторые энзимы, включенные в СПР, принимают участие в метаболизме гликогена [R.I. Solaro, 1982].

Сократительные белки

В миокардиальных клетках различают две группы белков - растворимые и нерастворимые. Первые из них входят в состав саркоплазмы и представлены в виде миоглобина и ферментов, осуществляющих внутриклеточные биохимические реакции. Нерастворимые белки (миозин, актин, тропомиозин и тропонин) входят в состав сократительных элементов клеток.

Пространственное взаимоположение сократительных белков представлено на рисунке 2. Тонкие миофиламенты - актин, начинаются от Z-дисков и образуют гексагональные структуры, внутри которых проходят толстые миофиламенты - миозин (рис. 6). В свою очередь, три миозиновые нити окружают одну актиновую нить. Взаимодействие между актином, миозином и Мg - АТФазы с использованием свободной энергии концевого фосфата АТФ приводит к скольжению тонких нитей вдоль толстых к центру саркомера. В результате этих перемещений на концах саркомеров, в области Z-дисков, генерируется сила и происходит укорочение саркомеров, в итоге осуществляется сокращение кардиомиоцита в целом.

Схема пространственного взаиморасположения фибрилл

Рис. 6. Схема пространственного (гексагонального) взаиморасположения актиновых и миозиновых фибрилл

Толстые нити - полимер миозиновых молекул. Миозин - гексамерный, асимметричный протеин, состоит из двух тяжелых и четырех легких цепочек. Тяжелые цепочки, скручиваясь между собой, образуют удлиненное тело миозиновой молекулы, заканчивающееся эллипсоидной головкой. Миозин под действием трипсина расщепляется на легкий меромиозин - тело миозина, и тяжелый меромиозин - головка миозина. Головка миозиновой молекулы обладает АТРазной активностью. Четыре легкие цепочки локализуются около головки и имеют две разновидности: LC-I, или А-1 цепочки, высвобождаемые щелочью; и LC-II, или Р-фосфорилируемые цепочки. Отдельные миозиновые молекулы, соединяясь задними концами, образуют разнонаправленную, ориентированную вдоль саркомера пару. Эти пары, плотно примыкая боковыми поверхностями друг к другу, формируют толстые нити (см. рис. 6). Головки миозиновых молекул выступают над поверхностью толстых нитей и называются поперечными мостиками, которые осуществляют связь миозина с актином во время процесса сокращения.

Тонкие нити структурно представлены в виде двух скрученных цепочек полимеризированного глобулярного актина (см. рис. 6). Каждая цепочка состоит из 200 молекул - шариков, соединенных ADP, и напоминает вытянутое ожерелье. Полный перекрут этих цепочек осуществляется через 36 - 40 нм, т.е. через 7 молекул - шариков актина. В бороздах по обеим сторонам актиновой спирали располагается в виде ленты белок тропомиозин (Тм), перекрывающий семь актиновых молекул. На концах тропомиозиновых молекул имеется белковый комплекс - тропонин (Тн), состоящий из трех протеинов: тропонина Т (ТнТ) - белка, присоединяющего Тн - комплекс к Тм и актину; тропонина I (ТнI) - белка, ингибирующего Мg - стимулируемую АТРазу актомиозина; тропонина С (ТнС) - белка, чувствительного кСа++ (см. рис. 2).

После высвобождения Са++, т.е. увеличения его концентрации в саркоплазме в результате процессов деполяризации и реполяризации, Са++ активно связывается с ТнС, что ведет к перемещению тропонинового комплекса вместе с концевой частью тропомиозина. Эти перемещения тропомиозина обнажают активные места тонких нитей, на которых происходит взаимодействие поперечных мостиков миозина с актином, ведущее к скольжению актиновой нити вдоль миозиновой толстой нити. Благодаря гексагональной архитектонике шесть тонких актиновых нитей окружают одну толстую миозиновую нить, в свою очередь каждая тонкая нить одновременно контактирует с тремя толстыми миофиламентами по периметру на расстоянии 120° и во многих местах по длине волокна - скользящая актиновая нить не может ни изогнуться, ни отойти в сторону. Биохимия и механика сокращения кардиомиоцита более подробно будут рассмотрены ниже.

Митохондрии и лизосомы

Митохондрии - эллипсоидной формы образования 2-5 мкм на 0,5 мкм в диаметрах, расположены между миофибрилл и тесно связаны с ними. Они составляют до 35 % объема клетки. В них происходит непрерывный синтетический процесс образования АТФ и второго энергосодержащего соединения - креатинфосфата (КрФ). Стенки митохондрий представлены двойной мембраной, внутренний слой которой образует складки, называемые кристы, выступающие внутрь и содержащие энзимы трикарбоксилазного кислотного цикла. Тесное соприкосновение митохондрий, в которых продуцируется АТФ и КрФ, облегчает переход макроэргов от места их продукции к местам утилизации. Более того, митохондрии принимают активное участие в накоплении и перемещении Са++ внутри клетки [R.I.Solaro, 1982].

Лизосомы - ограниченные мембраной везикулы, 0,1 мкм в диаметре, локализуются около полюсов ядра, содержат более 20 латентных, гидролитических ферментов, способных расщеплять биологически значимые соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, жиры. Таким образом, лизосомы принимают участие в клеточном пищеварении крупномолекулярных соединений, попадающих в клетку путем пиноцитоза. При патологических условиях (ишемия), в результате разрушения мембраны, ферменты лизосом лизируют мембрану и другие клеточные компоненты и могут оказывать повреждающее действие на другие интактные клетки.

Ядра и рибосомы

В центре клетки расположено одно, реже два или более ядер овальной формы до 7 - 10 мкм в длину, ориентированы они вдоль кардиомиоцита. В ядре содержатся DNK и в небольшом количестве RNK. Функция ядра - структурное обеспечение миокардиальной клетки, т.е. образование и своевременное обновление всех ее структур. Информационные RNK, синтезированные на матрицах DNK, поступают из ядра в саркоплазму, и здесь в рибосомах на информационных RNK синтезируются белки всех структур кардиомиоцита.

Продолжительность существования мембран, миофибрилл и митохондрий колеблется от 2 до 12 суток, Поэтому замена этих структур вновь синтезированными составляет сущность структурного обеспечения функции кардиомиоцита - необходимого звена для устойчивого функционирования сердца.

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