Фазы потенциала сердечной деятельности

Биение сердца, вероятно, связано с феноменом жизни сильнее, чем любая другая концепция или процесс, как с медицинской, так и с метафорической точки зрения. Когда люди обсуждают неодушевленные предметы или даже абстрактные концепции, они используют такие термины, как «Ее избирательная кампания все еще имеет пульс "и" Шансы команды равны, когда она потеряла своего звездного игрока ", чтобы описать, является ли рассматриваемая вещь" живой "или нет. И когда сотрудники скорой медицинской помощи сталкиваются с упавшей жертвой, первое, что они проверяют, - есть ли у пострадавшего пульс.

Причина, по которой сердце бьется, проста: электричество. Однако, как и многие другие вещи в мире биологии, точный и скоординированный способ, которым электрическая активность заставляет сердце перекачивать кровь. жизненно важная кровь к тканям тела, около 70 раз в минуту, 100000 раз в день в течение десятилетий подряд, удивительно элегантна в своем операция. Все начинается с чего-то, что называется потенциал действия

Клеточные мембраны имеют так называемый электрохимический градиент через фосфолипидный бислой мембраны. Этот градиент поддерживается белковыми «насосами», встроенными в мембрану, которые перемещают некоторые типы ионов (заряженных частиц) через мембрану за один направление, в то время как аналогичные «насосы» перемещают другие типы ионов в противоположном направлении, что приводит к ситуации, в которой заряженные частицы «хотят» течь в одном направлении после того, как он был перемещен в другом, как мяч, который продолжает «хотеть» вернуться к вам, когда вы неоднократно бросаете его прямо в воздуха. Эти ионы включают натрий (Na⁺), калий (K⁺) и кальций (Ca²⁺). Ион кальция имеет чистый положительный заряд в две единицы, что вдвое больше, чем у иона натрия или иона калия.

Чтобы понять, как поддерживается этот градиент, представьте ситуацию, в которой собаки в манеже перемещаются в одном направлении через в то время как коз из соседнего загона несут в другом, причем каждый вид животных намеревается вернуться в то место, где они начал. Если три козы перемещаются в зону для собак на каждые две собаки, перемещенные в зону для коз, то любой отвечает за это, поддерживая дисбаланс млекопитающих через забор, который постоянно время. Козы и собаки, которые пытаются вернуться на свои любимые места, постоянно «выкачиваются» наружу. Эта аналогия несовершенна, но предлагает базовое объяснение того, как клеточные мембраны поддерживают электрохимический градиент, также называемый мембранным потенциалом. Как вы увидите, основными ионами, участвующими в этой схеме, являются натрий и калий.

An потенциал действия является обратимым изменением этого мембранного потенциала в результате «волнового эффекта» - активации токи, генерируемые внезапной диффузией ионов через мембрану, снижают электрохимические градиент. Другими словами, определенные условия могут нарушить установившийся дисбаланс мембранных ионов и позволить ионам течь в большом количестве в том направлении, в котором они «хотят» двигаться - другими словами, против насоса. Это приводит к перемещению потенциала действия вдоль нервной клетки (также называемой нейроном) или сердечной клетки в таким же образом волна будет двигаться по струне, почти натянутой с обоих концов, если один конец "щелкнул".

Поскольку мембрана обычно несет градиент заряда, она считается поляризованной, что означает характеризуются разными крайностями (более отрицательно заряжены с одной стороны, более положительно заряжены другой). Потенциал действия запускается деполяризацией, которая слабо переводится во временную отмену нормального дисбаланса зарядов или восстановление равновесия.

Существует пять фаз сердечного потенциала действия, пронумерованных от 0 до 4 (иногда у ученых возникают странные идеи).

Фаза 0 деполяризация мембраны и открытие «быстрых» (т. е. высокопоточных) натриевых каналов. Поток калия также уменьшается.

Фаза 1 является частичной реполяризацией мембраны благодаря быстрому уменьшению прохождения ионов натрия по мере закрытия быстрых натриевых каналов.

Фаза 2 это фаза плато, при котором движение ионов кальция из клетки поддерживает деполяризацию. Он получил свое название потому, что электрический заряд на мембране в этой фазе меняется очень мало.

Фаза 3 реполяризация, так как натриевые и кальциевые каналы закрываются, а мембранный потенциал возвращается к исходному уровню.

Этап 4 видит мембрану с так называемым потенциалом покоя -90 милливольт (мВ) в результате работы ионного насоса Na + / K +. Значение отрицательное, потому что потенциал внутри ячейки отрицателен по сравнению с потенциалом за ее пределами, и последний считается нулевой системой отсчета. Это связано с тем, что три иона натрия выкачиваются из ячейки на каждые два иона калия, накачанных в ячейку; Напомним, что эти ионы имеют эквивалентный заряд +1, поэтому эта система приводит к чистому оттоку или оттоку положительного заряда.

Так к чему же на самом деле приводят вся эта перекачка ионов и разрушение клеточных мембран? Прежде чем описывать, как электрическая активность сердца преобразуется в сердцебиение, полезно исследовать мышцу, которая сама производит эти биения.

Сердечная мышца - это один из трех видов мышц в организме человека. Два других - это скелетные мышцы, которые находятся под произвольным контролем (например, двуглавая мышца вашего плеча) и гладкие. мышца, которая не находится под сознательным контролем (пример: мышцы стенок кишечника, которые перемещаются при переваривании пищи вдоль). Все типы мышц имеют ряд общих черт, но клетки сердечной мышцы обладают уникальными свойствами, чтобы удовлетворять уникальные потребности своего родительского органа. Во-первых, начало «биения» сердца контролируется особыми сердечными миоцитами или клетками сердечной мышцы, называемыми клетки кардиостимулятора. Эти клетки контролируют ритм сердцебиения даже при отсутствии внешних нервных импульсов, это свойство называется авторитмичность. Это означает, что даже при отсутствии сигнала нервной системы сердце теоретически могло бы продолжать биться, пока присутствовали электролиты (то есть вышеупомянутые ионы). Конечно, частота сердечных сокращений, также известная как частота пульса, значительно различается, и это происходит благодаря дифференциальное воздействие из ряда источников, включая симпатическую нервную систему, парасимпатическую нервную систему и гормоны.

Сердечную мышцу еще называют миокард. Он бывает двух типов: сократительные клетки миокарда и проводящие клетки миокарда. Как вы, возможно, догадались, сократительные клетки выполняют работу по перекачиванию крови под влиянием проводящих клеток, дающих сигнал к сокращению. 99 процентов миокардиальных клеток относятся к сократительной разновидности, и только 1 процент предназначен для проведения. Хотя это соотношение справедливо и оставляет большую часть сердца доступной для работы, это также означает, что дефект в клетках, образующих Органу может быть трудно обойти систему сердечной проводимости, используя альтернативные пути проводимости, из которых многие. Проводящие клетки обычно намного меньше сократительных клеток, потому что им не нужны различные белки, участвующие в сокращении; им нужно только вовлекаться в точную реализацию потенциала действия сердечной мышцы.

Фаза 4 клеточного потенциала сердечной мышцы называется диастолическим интервалом, потому что этот период соответствует диастоле, или интервалу между сокращениями сердечной мышцы. Каждый раз, когда вы слышите или чувствуете биение сердца, это означает, что сокращение сердца прекращается, что называется систолой. Чем быстрее ваше сердце бьется, тем большую часть цикла сокращения-расслабления оно проводит в систолу, но даже когда вы тренируетесь на полную и увеличиваете частоту пульса до 200. диапазона, ваше сердце все еще находится в диастоле большую часть времени, что делает фазу 4 самой длинной фазой сердечного потенциала действия, которая в общей сложности длится около 300 миллисекунд (три десятых доли секунды). второй). Пока существует потенциал действия, никакие другие потенциалы действия не могут быть инициированы в той же части сердечной клетки. мембрана, что имеет смысл - однажды начавшись, потенциал должен быть в состоянии завершить свою работу по стимуляции миокарда. сокращение.

Как отмечалось выше, во время фазы 4 электрический потенциал на мембране имеет значение примерно -90 мВ. Это значение относится к сократительным клеткам; для проводящих ячеек оно ближе к –60 мВ. Ясно, что это не стабильное равновесное значение, иначе сердце просто никогда бы не билось. Вместо этого, если сигнал снижает отрицательность значения через сократительную клеточную мембрану примерно до -65 мВ, это вызывает изменения в мембране, которые облегчают приток ионов натрия. Этот сценарий представляет собой систему положительной обратной связи в том смысле, что нарушение мембраны, которое толкает ячейка в сторону положительного значения заряда вызывает изменения, которые делают интерьер еще больше положительный. Когда через них проникают внутрь ионы натрия. потенциалзависимые ионные каналы в клеточной мембране миоцит переходит в фазу 0, и уровень напряжения приближается к своему максимуму потенциала действия, составляющему около +30 мВ, что соответствует общему скачку напряжения от фазы 4 около 120 мВ.

Фаза 2 потенциала действия также называется фазой плато. Как и фаза 4, она представляет собой фазу, в которой напряжение на мембране стабильно или почти стабильно. Однако, в отличие от фазы 4, это происходит в фазе уравновешивающих факторов. Первый из них состоит из поступающего внутрь натрия (приток, который не совсем сузился до нуля после быстрого притока в фазе 0) и поступающего внутрь кальция; другой включает три типа внешних выпрямительные токи (медленный, средний и быстрый), все они имеют движение калия. Этот выпрямительный ток - это то, что в конечном итоге отвечает за сокращение сердечной мышцы, поскольку этот отток калия инициирует каскад, в котором ионы кальция связываются с активными участками сократительных белков клетки (например, актин, тропонин) и уговаривают их действие.

Фаза 2 заканчивается, когда входящий поток кальция и натрия прекращается, в то время как выходящий поток калия (ток выпрямителя) продолжается, подталкивая клетку к реполяризации.

Потенциал действия сердечных клеток по-разному отличается от потенциалов действия нервов. Во-первых, и что самое главное, он намного длиннее. По сути, это фактор безопасности: поскольку потенциал действия сердечных клеток больше, это означает, что что период, в котором возникает новый потенциал действия, называемый рефрактерным периодом, также длиннее. Это важно, потому что это обеспечивает плавный контакт сердца, даже когда оно работает с максимальной скоростью. Обычные мышечные клетки лишены этого свойства и поэтому могут участвовать в том, что называется тетанические схватки, что приводит к спазмам и тому подобное. Когда скелетные мышцы ведут себя так, это неудобно, но было бы смертельно опасно, если бы миокард поступал так же.