Биенето на сърцето вероятно е свързано с феномена на живота по-силно от която и да е друга концепция или процес, както в медицински, така и в метафоричен план. Когато хората обсъждат неодушевени предмети или дори абстрактни понятия, те използват термини като „Нейната предизборна кампания все още има пулс "и" Шансовете на отбора се изравниха, когато загуби своя звезден играч ", за да опише дали въпросното нещо е" живо "или не. И когато спешният медицински персонал се натъкне на паднала жертва, първото нещо, което те проверяват, е дали жертвата има пулс.
Причината, поради която сърцето бие, е проста: електричество. Подобно на толкова много неща в света на биологията, обаче, прецизният и координиран начин, по който електрическата активност захранва сърцето да помпа жизненоважна кръв към тъканите на тялото, 70 или повече пъти в минута, 100 000 пъти на ден в продължение на десетилетия, е чудесно елегантна в своята операция. Всичко започва с нещо, наречено потенциал за действие, в този случай сърдечен потенциал за действие. Физиолозите са разделили това събитие на четири отделни фази.
Какво е потенциал за действие?
Клетъчните мембрани имат така наречения електрохимичен градиент през фосфолипидния бислой на мембраната. Този градиент се поддържа от протеинови "помпи", вградени в мембраната, които движат някои видове йони (заредени частици) през мембраната в едно посока, докато подобни "помпи" движат други видове йони в обратна посока, което води до ситуация, в която заредените частици "искат" да текат в едната посока, след като е прехвърлена в другата, като топка, която продължава да „иска“ да се върне при вас, докато многократно я хвърляте право в въздух. Тези йони включват натрий (Na+), калий (K+) и калций (Ca2+). Калциевият йон има нетен положителен заряд от две единици, два пъти по-голям от натриевия или калиевия йон.
За да придобиете представа за това как се поддържа този градиент, представете си ситуация, при която кучетата в детска кошара се преместват в една посока през ограда, докато козите в съседна кошара се носят в другата, като всеки тип животно възнамерява да се върне на мястото, в което е започна. Ако три кози са преместени в зоната за кучета за всеки две кучета, преместени в зоната за кози, тогава кой да е е отговорен за това е поддържането на дисбаланс на бозайници през оградата, който е постоянен време. Козите и кучетата, които се опитват да се върнат на предпочитаните от тях места, непрекъснато се „изпомпват“ навън. Тази аналогия е несъвършена, но предлага основно обяснение за това как клетъчните мембрани поддържат електрохимичен градиент, наричан още мембранен потенциал. Както ще видите, основните йони, участващи в тази схема, са натрий и калий.
An потенциал за действие е обратима промяна на този мембранен потенциал в резултат на "ефект на пулсации" - активиране на токовете, генерирани от внезапната дифузия на йони през мембраната, понижават електрохимичните градиент. С други думи, определени условия могат да нарушат стационарния мембранен йонен дисбаланс и да позволят на йоните да текат в голям брой в посоката, в която „искат“ да вървят - с други думи, срещу помпата. Това води до потенциал за действие, движещ се по нервна клетка (наричана още неврон) или сърдечна клетка в един и същ начин, по който вълната ще се движи по струна, държана почти опъната в двата края, ако единият край е „щракна“.
Тъй като мембраната обикновено носи градиент на заряд, тя се счита за поляризирана, т.е. характеризира се с различни крайности (по-отрицателно заредени от едната страна, по-положително заредени от другият). Потенциалът за действие се задейства от деполяризация, която се превръща слабо във временно отмяна от нормалния дисбаланс на заряда или възстановяване на равновесието.
Какви са различните фази на потенциал за действие?
Има пет фази на сърдечно действие, номерирани от 0 до 4 (учените понякога получават странни идеи).
Фаза 0 е деполяризация на мембраната и отваряне на "бързи" (т.е. високо поточни) натриеви канали. Потокът на калий също намалява.
Фаза 1 е частична реполяризация на мембраната благодарение на бързото намаляване на натриево-йонното преминаване при затваряне на бързите натриеви канали.
Фаза 2 е плато фаза, при който движението на калциеви йони извън клетката поддържа деполяризация. Той получава името си, защото електрическият заряд през мембраната се променя много малко в тази фаза.
Фаза 3 е реполяризация, тъй като натриевите и калциевите канали се затварят, а мембранният потенциал се връща на изходното ниво.
Фаза 4 вижда мембраната при нейния така наречен потенциал на покой от -90 миливолта (mV) в резултат на работата на Na + / K + йонната помпа. Стойността е отрицателна, тъй като потенциалът вътре в клетката е отрицателен в сравнение с потенциала извън нея и последната се третира като нулева референтна рамка. Това е така, защото три натриеви йона се изпомпват от клетката за всеки два калиеви йона, изпомпвани в клетката; припомнете си, че тези йони имат еквивалентен заряд +1, така че тази система води до нетен изтичане или изтичане на положителен заряд.
Миокардът и потенциалът за действие
И така, до какво всъщност води всичко това изпомпване на йони и разрушаване на клетъчната мембрана? Преди да опишете как електрическата активност в сърцето се превръща в сърдечен ритъм, е полезно да изследвате мускула, който сам произвежда тези удари.
Сърдечният (сърдечен) мускул е един от трите вида мускули в човешкото тяло. Другите два са скелетни мускули, които са под доброволен контрол (пример: бицепсите на горната част на ръцете) и са гладки мускул, който не е под съзнателен контрол (пример: мускулите в стените на червата, които се движат, смилайки храната заедно). Всички видове мускули споделят редица прилики, но сърдечните мускулни клетки имат уникални свойства да обслужват уникалните нужди на своя родителски орган. Първо, започването на „биенето“ на сърцето се контролира от специални сърдечни миоцити или сърдечно-мускулни клетки, наречени пейсмейкър клетки. Тези клетки контролират темпото на сърдечния ритъм дори при липса на външен нервен принос, свойство, наречено авторитмичност. Това означава, че дори при липса на вход от нервната система, сърцето на теория все още би могло да бие, докато присъстват електролити (т.е. гореспоменатите йони). Разбира се, темпото на сърдечния ритъм - известно още като честота на пулса - варира значително и това се случва благодарение на диференциални данни от редица източници, включително симпатиковата нервна система, парасимпатиковата нервна система и хормони.
Нарича се още сърдечен мускул миокард. Предлага се в два вида: контрактилни клетки на миокарда и проводящи клетки на миокарда. Както може би предположихте, съкратителните клетки вършат работата по изпомпване на кръв под въздействието на проводящите клетки, които доставят сигнала за свиване. 99 процента от миокардните клетки са от контрактилен сорт и само 1 процент са посветени на проводимостта. Докато това съотношение правилно оставя по-голямата част от сърцето на разположение за извършване на работа, това също означава, че дефект в клетките, образуващи сърдечната проводимост може да бъде трудно за органа да заобиколи, използвайки алтернативни проводими пътища, които съществуват само така много. Провеждащите клетки обикновено са много по-малки от контрактилните клетки, тъй като нямат нужда от различните протеини, участващи в свиването; те трябва да участват само в вярно изпълнение на потенциала за действие на сърдечния мускул.
Какво е Фаза 4 деполяризация?
Фаза 4 от потенциала на сърдечния мускул се нарича диастоличен интервал, тъй като този период съответства на диастола или интервала между контракциите на сърдечния мускул. Всеки път, когато чуете или почувствате ударите на сърцето си, това е краят на свиването на сърцето, което се нарича систола. Колкото по-бързо бие сърцето ви, толкова по-висока част от неговия цикъл на контракция-релаксация прекарва в систола, но дори когато тренирате изцяло и изтласквате пулса си в 200 обхват, сърцето ви все още е в диастола през повечето време, превръщайки фаза 4 в най-дългата фаза на сърдечния потенциал за действие, която общо трае около 300 милисекунди (три десети от второ). Докато е в действие потенциал за действие, не могат да бъдат инициирани други потенциали за действие в същата част на сърдечната клетка мембрана, което има смисъл - след като започне, потенциалът трябва да може да завърши работата си по стимулиране на миокарда свиване.
Както беше отбелязано по-горе, по време на фаза 4 електрическият потенциал през мембраната има стойност около -90 mV. Тази стойност се отнася за контрактилни клетки; за проводящи клетки е по-близо до -60 mV. Ясно е, че това не е стабилна равновесна стойност, иначе сърцето просто никога няма да бие. Вместо това, ако даден сигнал намали отрицателността на стойността през контрактилната клетъчна мембрана до около -65 mV, това предизвиква промени в мембраната, които улесняват притока на натриеви йони. Този сценарий представлява система за положителна обратна връзка в това нарушение на мембраната, която изтласква клетка в посока на положителна стойност на заряда поражда промени, които правят интериора още повече положителен. С навлизането навътре на натриеви йони през тях захранвани с напрежение йонни канали в клетъчната мембрана миоцитът навлиза във фаза 0 и нивото на напрежение се доближава до максимума си на потенциал за действие от около +30 mV, което представлява общо отклонение на напрежението от фаза 4 от около 120 mV.
Какво представлява фазата на платото?
Фаза 2 от потенциала за действие се нарича още фаза плато. Подобно на фаза 4, тя представлява фаза, в която напрежението през мембраната е стабилно или почти така. За разлика от случая във фаза 4 обаче, това се случва във фазата на уравновесяващи фактори. Първият от тях се състои от навлизащ навътре натрий (притокът, който не е съвсем стеснен до нула след бързия приток във фаза 0) и навлизащ навътре калций; другият включва три вида навън токове на изправител (бавно, междинно и бързо), всички те се отличават с движение на калий. Този ток на изправителя е това, което в крайна сметка е отговорно за свиването на сърдечния мускул, тъй като този калиев излив инициира каскада, при която калциевите йони се свързват с активните места на клетъчните съкратителни протеини (например актин, тропонин) и ги насочват към действие.
Фаза 2 завършва, когато вътрешният поток на калций и натрий престане, докато външният поток на калий (токът на изправителя) продължава, тласкайки клетката към реполяризация.
Странности на потенциала за действие на сърдечните клетки
Потенциалът за действие на сърдечните клетки се различава от потенциалите за действие в нервите по различни начини. Първо, и най-важното е, че е много по-дълго. Това по същество е фактор за безопасност: Тъй като потенциалът на сърдечните клетки за действие е по-дълъг, това означава че периодът, в който възниква нов потенциал за действие, наречен огнеупорен период, също е по-дълъг. Това е важно, защото осигурява плавно контактуващо сърце, дори когато работи с максимална скорост. Обикновените мускулни клетки нямат това свойство и по този начин могат да се включат в това, което се нарича тетанични контракции, водещи до спазми и други подобни. Неудобно е, когато скелетните мускули се държат по този начин, но би било смъртоносно, ако миокардът направи същото.