Функции мышечных клеток сердца

Клетки сердечной мышцы подразделяется на сократительные кардиомиоци­ты, которые образуют предсердия и желудочки (миокард), и клетки синус­ного узла и проводящей системы сердца, которые генерируют и проводят электрические импульсы в сердце к кардиомиоцитам и не обладают сокра­тительной способностью.

Дигидропиридиновый рецептор сарколеммы и рианодиновый рецептор мембраны саркоплаз­матического ретикулума представляют собой кальциевые ионные каналы и непосредственно связаны между собой кальмодулином (СаМ). Деполяризация сарколеммы t-трубочек вызывает последовательное открытие потенциалзависимых кальциевых ионных каналов сарколеммы и при участии кальмодулина — саркоплазматического ретикулума. Открытие ионных каналов ретикулума вызывает выход ионов Са²⁺ в саркоплазму, что является триггером механизма со­кращения кардиомиоцитов.

Сердечная мышца является поперечно-полосатой, однако ее сократи­тельная способность, в отличие от скелетной мышцы, характеризуется синхронностью сокращения и расслабления всего миокарда. Синхронность сокращения и расслабления сердечных мышечных клеток обусловлена на­личием специализированных плотных контактов между ними, или так на­зываемых нексусов. Плотный контакт представляет собой участок мембра­ны двух кардиомиоцитов, в пределах которого мембраны прилегающих кардиомиоцитов сливаются между собой, эти плотные контакты является местом низкого электрического сопротивления между клетками и пред­ставляют, таким образом, путь электротонического распространения по­тенциала действия от одного кардиомиоцита к другому. Эта структурная особенность сердечной мышцы способствует быстрому распространению электрической активности, т. е. потенциала действия в миокарде. Понятие функциональный синцитий обычно относят к сердечной мышце, чтобы по­казать, что сердце является единым в функциональном отношении орга­ном в результате взаимодействия отдельных сердечных мышечных клеток. Кардиомиоциты объединены в функциональный синцитий благодаря низ­кому сопротивлению нексусов, с помощью которых осуществляются кон­такт между миоцитами и передача потенциала действия от одного миоцита к другому. В результате потенциал действия из центра синоатриального уз­ла достигает всех сердечных мышечных клеток, вызывая сокращение пред­сердий и желудочков

Кардиомиоциты имеют как сходные черты в своем строении со скелет­ными мышечными клетками, так и отличия. Взаимное расположение фи­ламентов актина и миозина в саркомерах придает поперечную исчерчен- ность сердечным мышечным клеткам. Рядом расположенные миоциты от­делены друг от друга на их концах вставочными дисками. Диски являются местом проведения потенциала действия в сердечной мышце. Сердечная мышечная клетка содержит одно ядро; t-система ее сарколеммы примерно в два раза шире, чем в скелетном мышечном волокне, и t-трубочки лока­лизованы ближе к Z-линии саркомеров, саркоплазматический ретикулум контактирует с t-системой и с сарколеммой (рис. 2.39). Саркоплазматиче­ский ретикулум представляет собой замкнутую систему трубочек, ветвя­щихся в пределах кардиомиоцита и содержащих ионы кальция. Саркоплаз­матический ретикулум кардиомиоцитов, как депо ионов Са²⁺, играет ос­новную роль сопряжения процессов возбуждения и сокращения в сердеч­ной мышце.

2.8.1. Электрическая активность клеток сердечной мышцы

2.8.1.1. Потенциал покоя

Потенциал покоя в разных типах сердечных мышечных клеток изменяется в пределах от —60 до —90 мВ: он меньше в атипических клетках проводя­щей возбуждение системы сердца и больше в сократительных сердечных клетках предсердий и желудочков. Механизм происхождения мембранного потенциала покоя в сердечных мышечных клетках является таким же, как и для всех клеток организма, и зависит от высокой внутриклеточной и низкой внеклеточной концентрации ионов калия, а также низкой прони­цаемости саркоплазмы для ионов натрия. Мембранный потенциал сердеч­ных мышечных клеток приближается к равновесному калиевому потенциа­лу (Ej<). Однако потенциал покоя большинства кардиомиоцитов равен -80 мВ. Мышечные клетки синоатриального узла и клетки проводящей систе-

мы сердца имеют меньший, чем кардиомиоциты мембранный потенциал, амплитуда которого находится в пределах —60—70 мВ. Поэтому клетки си­ноатриального узла имеют более низкий порог возбудимости, чем кардио­миоциты, что обусловлено так называемыми внутренними свойствами мембраны синоатриальных клеток.

Электрогенный Na⁺/K⁺-Hacoc в кардиомиоцитах участвует в формиро­вании 5—10 % нормальной величины потенциала покоя на мембране кле­ток сердца, что составляет в среднем —10—11 мВ. Это обусловлено тем, что плотность Na⁺/K⁺-АТФазы в области t-трубочек мембраны кардиомио­цитов выше, чем в других участках их сарколеммы. В отличие от скелет­ных мышечных клеток, в кардиомиоцитах физиологическая роль Na⁺/K⁺- насоса является ведущей в поддержании постоянной величины потенциала покоя на мембранах клеток и, следовательно, физиологического уровня их возбудимости. Данное обстоятельноство обусловлено тем, что инактивация натриевых (а также кальциевых) ионных каналов и их способность участ­вовать в генерации потенциала действия в сердечных мышечных клетках зависит от величины максимального потенциала покоя сердечных клеток в диастолу. В клетках сердца одной из важных функций Na⁺/K⁺-Hacoca яв­ляется создание максимальной величины потенциала на мембране сердеч­ных мышечных клеток в диастолу, что исключает колебания потенциала покоя кардиомиоцитов и формирует у клеток постоянный исходный уро­вень возбудимости.

2.8.1.2. Молекулярный механизм потенциала действия в типичных сердечных мышечных клетках

Потенциал действия кардиомиоцитов имеет большую продолжительность: до 200 мс в миоцитах предсердий, до 400 мс в клетках желудочков сердца. Потенциал действия кардиомиоцитов состоит из фазы деполяризации, фа­зы плато и фазы реполяризации (рис. 2.40). Изменение мембранного по­тенциала сердечных мышечных клеток во время генерации в них потен­циала действия обусловлено трансмембранными токами ионов Na⁺, Са²⁺ и К⁺.

Фаза деполяризации потенциала действия в кардиомиоците. Потенциал действия на мембране кардиомиоцита возникает под влиянием возбужде­ния атипичных мышечных клеток проводящей системы сердца. При этом потенциал действия распространяется по проводящей системе сердца до волокон Пуркинье. Между мембранами волокон Пуркинье и кардиомио­цитами имеются плотные вставочные диски, или нексусы. Реверсия потен­циала на мембране волокон Пуркинье электротонически при участии вста­вочных дисков вызывает деполяризацию мембранного потенциала кардио­миоцита до порога возбуждения (£к), который для кардиомиоцитов со­ставляет —60 мВ. С этого момента по закону «все или ничего» в мембране кардиомиоцитов открываются быстрые потенциалзависимые натриевые ионные каналы. Ионы натрия через открытые каналы по концентрацион­ному градиенту устремляются внутрь кардиомиоцита, сдвигая его мем­бранный потенциал в сторону равновесного натриевого потенциала (Е^_а составляет +70 мВ) и происходит перезарядка мембраны сердечных сокра­тительных клеток. Деполяризация сердечных мышечных клеток развивает­ся чрезвычайно быстро, и на мембране кардиомиоцитов за 2 мс потенциал достигает +30 мВ. В фазу деполяризации при открытых быстрых натрие­вых ионных каналах мембраны кардиомиоциты утрачивают свою возбуди­мость (абсолютная рефрактерность), и сократительные клетки миокарда не

Мембранный потенциал (мВ)

Время (мс)

Рис. 2.40. Потенциал действия кардиомиоцтита. В происхождении потенциала дей­ствия кардиомиоцита участвуют натриевые, кальциевые и калиевые ионные токи.

В фазу деполяризации (1) открываются потенциалзависимые натриевые каналы и мембран­ный потенциал резко уменьшается за счет входящего натриевого тока. Натриевые каналы че­рез несколько миллисекунд закрываются и открываются потенциалзависимые калиевые ион­ные каналы, что вызывает начало реполяризации мембраны кардиомиоцита (2). Поскольку под влиянием деполяризации открываются потенциалзависимые кальциевые ионные каналы, то входящий кальциевый ток в фазу реполяризации уравновешивает выходящий калиевый ток и возникает фаза плато (3). После закрытия кальциевых ионных каналов выходящий калие­вый ток реполяризует (4) мембранный потенциал до исходного уровня (Em).

способны реагировать даже на сверхпороговое раздражение. Деполяриза­ция в сердечных мышечных клетках прекращается под влиянием двух про­цессов: 1) быстрые натриевые каналы закрываются через несколько мил­лисекунд после открытия; 2) открываются потенциалзависимые калиевые ионные каналы. В результате на мембране кардиомиоцитов начинает до­минировать калиевый ток (1_к). Оба фактора — закрытие быстрых натрие­вых ионных каналов и открытие калиевых каналов — вызывают уменьше­ние положительного потенциала на мембране кардиомиоцитов, и начина­ется фаза реполяризации мембранного потенциала. В кардиомиоцитах в отличие от скелетных мышечных клеток фаза реполяризации имеет отли­чительную особенность — она прерывается фазой плато потенциала дейст­вия, длительность которой обусловливает общее время периода абсолют­ной рефрактерности сердечной мышцы.

Фаза плато потенциала действия в кардиомиоцитах является уникаль­ной особенностью потенциала действия кардиомиоцитов. Фаза плато по­тенциала действия в кардиомиоцитах представляет собой задержку процес­са реполяризации положительного потенциала, обусловленную появлени­ем в этот момент генерации потенциала действия кардиомиоцита входяще­го кальциевого тока. Основной причиной возникновения входящего каль­циевого тока является деполяризация потенциала на мембране сердечных сократительных клеток. Деполяризация потенциала на мембране кардио­миоцитов открывает L-тип потенциалзависимых кальциевых ионных кана­лов. В результате в мембране клеток увеличивается проницаемость для ио­нов Са²⁺, которые по концентрационному градиенту входят внутрь кардио­миоцитов. Кальциевые ионные каналы в мембране кардиомиоцитов оста­ются открытыми в среднем 200 мс (варьирует от 150 до 400 мс) и, таким образом, обусловливают длительность фазы плато. Мембранный потенци­ал в фазу плато сохраняется на относительно постоянной величине, по­скольку входящий кальциевый ток уравновешивается выходящим калие­вым. Время фазы плато обусловливает продолжительность периода абсо­лютной рефрактерности сердечной мышцы, которая у человека является невозбудимой структурой на протяжении порядка 270 мс. Кардиомиоциты имеют абсолютную рефрактерность на протяжении почти всей систолы (0,3 с). Это создает идеальные физиологические условия для проявления сократительных свойств всей сердечной мышцы, которая в этих условиях сокращается по типу одиночного мышечного сокращения и осуществляет, таким образом, выброс крови в аорту и легочные артерии из желудочков сердца.

Фаза реполяризации потенциала действия в кардиомиоцитах. Фаза плато оканчивается в результате закрытия кальциевых ионных каналов и увели­чения калиевого тока. Поэтому выходящий калиевый ток (1_К) снижает по­тенциал на мембране кардиомиоцитов в течение порядка 50 мс до —90 мВ. В фазу реполяризации в кардиомиоцитах уменьшается количество инакти­вированных натриевых ионных каналов и они способны реагировать на сверхпороговые раздражения. Это состояние сердечной мышцы называется относительной рефрактерностью. Когда потенциал на мембране кардио­миоцитов уменьшается до своей исходной величины, закрываются потен­циалзависимые калиевые ионные каналы, а натриевые потенциалзависи­мые ионные каналы переходят в закрытое состояние. С этого момента кар­диомиоциты имеют исходный уровень возбудимости и способны реагиро­вать на очередной импульс, исходящий от клеток проводящей системы сердца.

2.8.1.3. Механизм возникновения пейсмекерной активности в клетках синоатриального узла

Частота сокращения сердечных мышечных клеток предсердий и желудоч­ков сердца обусловлена частотой генерации потенциалов действия клетка­ми синусного узла. Синоатриальный узел расположен в задней стенке пра­вого предсердия в месте его соединения с верхней полой веной и состоит из небольших сердечных мышечных клеток, которые не способны сокра­щаться.

Пейсмекерные потенциалы. Мембранный потенциал клеток синоатриаль­ного узла равен примерно —60 мВ. В интервале времени между генерацией потенциалов действия (в фазу диастолы сердца) мембранный потенциал синоартриальных мышечных клеток постепенно уменьшается до критиче­ского уровня деполяризации (порядка —40 мВ). Медленная деполяризация мембранного потенциала синоатриальных мышечных клеток, поскольку она совершается в фазу диастолы сердца, называется спонтанной диастоли­ческой деполяризацией и заканчивается генерацией пейсмекерного потен­циала при достижении критического уровня деполяризации этих клеток (рис. 2.41).

Механизм возникновения пейсмекерного потенциала в синоатриальных мышечных клетках связан с ролью натриевого, калиевого и кальциевого ионных токов. Два ионных тока (7_№+ и 1_Са2+) направлены внутрь клеток си­ноатриального узла и вызывают деполяризацию их мембраны. Наибольшее

Мембранный потенциал (мВ)

⁰ 200 ^{400 600 800}

Время (мс)

Рис. 2.41. Основные ионные токи калия, натрия и кальция, участвующие в генера­ции пейсмекерного потенциала и потенциала действия клеток синоатриального узла.

Внутренним свойством мембраны пейсмекерных клеток синоатриального узла является ее спонтанная деполяризация, которая, достигая критического уровня (Ек), вызывает на ее мем­бране генерацию потенциала действия. Стрелками обозначено направление входящих токов (натрия, Кальция) и выходящего калиевого тока в период спонтанной деполяризации мембра­ны и генерации потенциала действия клетки синоатриального узлаатри. Длина стрелок услов­но отражает величину трансмембранных токов этих ионов. СДД — спонтанная диастолическая деполяризация.

значение в появлении пейсмекерного потенциала имеет входящий натрие­вый ток через специфические натриевые каналы, которые открываются ре­поляризацией мембраны синоатриальных мышечных клеток. Финальная фаза пейсмекерного потенциала, т. е. приближение его амплитуды к кри­тическому уровню деполяризации мембраны в клетках синоатриального узла, связана с открытием Т-типа потенциалзависимых кальциевых ион­ных каналов и появлением входящего кальциевого тока. Входящие натрие­вый и кальциевый токи (спонтанная деполяризация) противодействуют выходящему калиевому току, который гиперполяризует мембрану синоа­триальных мышечных клеток (см. рис. 2.41). В этих условиях под влияни­ем токов ионов Na⁺ и Са²⁺ деполяризация мембраны синоатриальных мы­шечных клеток достигает критического уровня деполяризации и в клетках синоатриального узла генерируется очередной потенциал действия, кото­рый распространяется по проводящей системе сердца и является раздра­жителем для сократительных сердечных клеток сердца.

Частота генерации потенциалов действия в синоатриальных мышечных клетках зависит от скорости деполяризации пейсмекерного потенциала. В отсутствии влияний со стороны вегетативной нервной системы на клетки синоатриального узла, частота генерации потенциалов действия составляет в среднем 2 в секунду (120/мин).

Клетки, расположенные в центре синоатриального узла, имеют боль­шую скорость развития пейсмекерного потенциала и высокую частоту ге­нерации потенциалов действия. Клетки периферических областей узла имеют более медленные изменения пейсмекерных потенциалов, но боль­шее число миофиламентов. Таким образом, это обусловливает постепен­ный переход в свойствах миоцитов от пейсмекерных клеток центральной области синоатриального узла к свойствам, присущим сократительным предсердным мышечным клеткам. Частота сокращения сердца в покое (порядка 70 в минуту) обусловлена тормозным действием блуждающего нерва на пейсмекерные клетки центральной области синоатриального узла.

2.8.2. Молекулярный механизм сокращения кардиомиоцитов

Механизм сокращения сердечных мышечных клеток в основном иденти­чен таковому в скелетных мышечных клетках. Ионы Са²⁺ являются «клю­чом» к сокращению миокарда, поскольку они выполняют связующую функцию между деполяризацией мембраны кардиомиоцитов, вызванной распространяющимся потенциалом действия по их поверхности, и укоро­чением саркомеров в сократительных клетках сердца. Концентрация ионов Са²⁺ в саркоплазме невозбужденного кардиомиоцита составляет 0,1 пМ/л (менее 10^-7 М/л). Во время деполяризации мембраны сарколеммы и t-сис- темы кардиомиоцитов внутриклеточная концентрация ионов Са²⁺ достига­ет 1—10 мкмМ/л (более 10^-6 М/л) в результате появления входящего каль­циевого тока.

Увеличение ионов кальция в саркоплазме кардиомиоцитов активирует так называемую сократительную машину сердца. Взаимодействие ионов Са²⁺ с тропонином, когда изменяется положение тропомиозина, закры­вающего места связывания на актиновом филаменте для поперечных мос­тиков миозина, является центральным процессом в электромеханическом сопряжении, как в скелетной мышце, так и в сердечной. В кардиомиоцитах ионы кальция связываются с субъединицей С тропонина тропомиозиново­го комлекса. Связывание ионов Са²⁺ с тропонином С уменьшает плотность электростатической связи тропонина Т и тропомиозина относительно тон­ких филаментов и тропомиозиновый комплекс, смещаясь с перифериче­ской части глобулярного актина в зону контакта двух белковых нитей спи­рали актинового филамента, открывает на нем места связывания головок поперечных мостиков миозина с актином. В отличие от скелетной мыш­цы, в кардиомиоцитах концевая 1ЧН₂-область тропонина С содержит толь­ко одно место связывания ионов Са²⁺. Поэтому, даже при максимальной концентрации ионов Са²⁺ в цитозоле кардиомиоцитов, не происходит пол­ной активации ионами Са²⁺ тропонина С, что не приводит к открытию всех мест связывания поперечных мостиков с актиновыми филаментами. Это создает потенциальные условия в кардиомиоцитах для дополнитель­ной активации сократительной способности сердечной мышцы уже непо­средственно в процессе сокращения миокарда. Например, под влиянием циклических процессов «замыкание—сокращение—размыкание» попереч­ных мостиков миозина дополнительно увеличивается связывание ионов Са²⁺ с тропонином С. Сила сокращения, генерируемая поперечными мос­тиками миозина в кардиомиоцитах сердца, прямо зависит от внутрикле­точной концентрации ионов Са²⁺ во время фазы плато потенциала дей­ствия.

В электромеханическом сопряжении сердечных мышечных клеток уча­ствуют два рецепторных белка: потенциалзависимый дигидропиридиновый рецептор мембраны t-трубочек и рианодиновый рецептор мембраны сарко­плазматического ретикулума. Оба белка являются медленными кальциевы­ми ионными каналами. Деполяризация мембраны кардимиоцитов при рас­пространении по их мембране потенциала действия открывают потенциал­зависимые кальциевые ионные каналы мембраны t-трубочек. Ионы каль­ция по концентрационному градиенту поступают внутрь кардиомиоцитов и связываются с кальмодулином, расположенным на рианодиновом рецепторе или кальциевом ионном канале саркоплазматического ретикулума. Белок кальмодулин открывает кальциевые ионные каналы саркоплазматического ретикулума, и концентрация ионов Са²⁺ в саркоплазме повышается до по­роговой (примерно 1 мкМ/л). Кальмодулин осуществляет взаимодействие в кардиомиоцитах между дигидропиридиновыми рецепторами мембраны t- трубочек и рианодиновыми рецепторами мембраны саркоплазматического ретикулума, за счет его активации внеклеточными ионами Са²⁺. Поэтому в сократительных клетках сердца процесс элеткромеханического сопряжения обусловлен ионами Са²⁺ внеклеточной среды. Электромеханическое сопря­жение в кардиомиоцитах отсутствует при пониженной концентрации ионов Са²⁺ в интерстициальной среде, несмотря на нормальное их содержание в саркоплазматическом ретикулуме кардиомиоцитов.

Открытие кальциевых ионных каналов саркоплазматического ретикулу­ма в кардиомиоцитах при участии белка кальмодулина вызывает выход этих ионов в межфибриллярное пространство кардиомиоцитов.

Наибольшая активация сокращения кардиомиоцитов происходит при концентрации ионов Са²⁺ в саркоплазме порядка 10 мкМ/л. В кардиомио­цитах имеет место так называемое Са²⁺-индуцированное высвобождение ио­нов Са²⁺, проявляющееся в том, что во время фазы плато потенциала дей­ствия ионы Са²⁺ входят в саркоплазму кардиомиоцитов через медленный кальциевый ионный канал дигидропиридинового рецептора. Далее ионы Са²⁺ связываются с медленным рианодиновым рецептором мембраны сар­коплазматического ретикулума. При этом открытие одного Са²⁺-канала яв­ляется сигналом для открытия других кальциевых каналов эндоплазмати­ческой сети. В результате из саркоплазматического ретикулума в цитоплаз­му кардиомиоцитов поступает нарастающее количество ионов Са²⁺, что су­щественно увеличивает силу сокращения сердечной мышцы.

2.8.3. Молекулярный механизм расслабления кардиомиоцитов

Их расслабление происходит во время фазы реполяризации потенциала действия и вызывается снижением внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺. Процесс расслабления кардиомиоцитов обусловлен остановкой вхо­дящего кальциевого тока и прекращением высвобождения ионов Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума. Основным механизмом расслабления миокарда является первично активный транспорт ионов Са²⁺ из саркоплаз­мы клеток в саркоплазматический ретикулум при участии Са²⁺-АТФазы кардиомиоцитов. Ионы Са²⁺ выводятся из саркоплазмы кардиомиоцитов в интерстициальную среду с помощью Ка⁺/Са²⁺-обменника. В результате их концентрация в межфибриллярном пространстве становится ниже порога активации тропонина С и тропонин-тропомиозиновый комплекс закрыва­ет места связывания на актиновых филаментах для поперечных мостиков миозина. Миокард расслабляется, что соответствует фазе диастолы сердеч­ного цикла.

Ключевым регулятором расслабления миокарда является белок мембра­ны саркоплазматического ретикулума фосфоламбан. Фосфорилирование фосфоламбана при участии вторичного посредника цАМФ ускоряет гидро­лиз АТФ, активирует кальциевый насос саркоплазматического ретикулума, повышает сродство ионов Са²⁺ к Са²⁺-АТФазе, увеличивая скорость актив­ного транспорта ионов Са²⁺ из саркоплазмы внутрь саркоплазматического ретикулума. Благодаря функции фосфоламбана сродство ионов кальция и кальциевого насоса в кардиомиоцитах идентично таковому в быстрых ске­летных мышечных волокнах, в которых отсутствует этот белок. Фосфолам­бан увеличивает кальциевую чувствительность Са²⁺-АТФазы саркоплазма­тического ретикулума при взаимодействии адреналина или норадреналина с Pi-адренорецепторами мембраны кардиомиоцитов. Положительный ино­тропный эффект, возникающий при стимуляции этого типа рецепторов адреналином или норадреналином, проявляется в активации как сокраще­ния миокарда, так и расслабления. Сила сокращения сердечной мышцы возрастает при увеличении скорости выхода ионов Са²⁺ из саркоплазмати­ческого ретикулума в саркоплазму и связывания с тропонином С. Расслаб­ление миокарда прямо зависит от скорости депонирования ионов Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум при участии фосфоламбана.

2.8.4. Медиаторный контроль сокращения кардиомиоцитов

В физиологических условиях механизмы сокращения сердечных мышеч­ных клеток контролируются адрено- и холинорецепторами, расположен­ными на мембране кардиомиоцитов.

Из трех типов адренорецепторов (а_1А, а_1В и a_1D) в сердце человека до­минирует а_1А тип, а также Р-адренорецепторы. Стимуляция (^-адреноре­цепторов увеличивает сократимость кардиомиоцитов и в целом ~ силу сердечных сокращений. Влияние стимуляции адренорецепторов на силу сокращения сердечной мышцы называется инотропным эффектом (лат. inos — сила). Молекулярный механизм инотропного эффекта норадренали­на, вызванный стимуляцией cq-адренорецепторов, опосредован активацией системы G-белков (семейство Gq/_n, обозначаемое как семейство Gh для сердца человека) с последующим образованием в кардиомиоцитах инози- тол-3-фосфата и диацилглицерола. Эти вторичные посредники через риа­нодиновые рецепторы мембраны саркоплазматического ретикулума увели­чивают активность кальциевых ионных каналов, что повышает концентра­цию ионов кальция в саркоплазме кардиомиоцитов и усиливает силу их сокращения. Кроме того, стимуляция cq-адренорецепторов увеличивает кальциевый ток через сарколемму внутрь кардиомиоцитов из внеклеточ­ной среды, а также чувствительность сократительных миофиламентов к ионам Са₂₊. Функция а₂-адренорецепторов в контроле физиологических свойств кардиомиоцитов человека связана с пресинаптическим торможе­нием выделения норадреналина из нервных окончаний, иннервирующих сердце.

Из трех типов p-адренорецепторов в сердце человека идентифицирова­ны р_г и р₂-адренорецепторы. Молекулярный механизм стимуляции сокра­щения миоцитов в сердце человека при участии р_г и р₂-адренорецепторов осуществляется при участии семейства Gs-белка, который повышает внут­риклеточное содержание аденилатциклазы и вторичного посредника цАМФ. Это ведет к стимуляции фосфорилирования внутриклеточных бел­ков при участии протеинканазы А, включая L-тип кальциевых ионных ка­налов мембран t-системы. В результате открытия кальциевых ионных ка­налов увеличивается содержание этих ионов в саркоплазме и, как следст­вие, возрастает сократимость сердечной мышцы (положительный инотроп­ный эффект). В различных тканях организма человека идентифицировано пять генов, контролирующих синтез мускариновых М,—М₅ рецепторов. При этом в сердце человека, локализован М₂ тип холинорецепторов. Взаимо­действие ацетилхолина с М₂ (а также М₄) типом холинорецепторов через семейство Gi/Go белков угнетает аденилатциклазу миоцитов и уменьшает активность калиевых и кальциевых ионных каналов, активируя фосфоли­пазу Д₂, фосфолипазу D и протеинкиназы. В результате снижается ско­рость развития пейсмекерного потенциала в клетках синоатриального узла и уменьшается сократимость миокарда. Ацетилхолин через М₂ холиноре- цепторы уменьшает сократимость кардиомиоцитов, если исходный уро­вень их сократимости был повышен под влиянием стимуляции р-адрено- рецепторов.

II РЕГУЛИРУЮЩИЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Организм человека представляет собой сложную саморегулирующуюся иерархическую систему, которая обменивается с окружающей средой ве­ществом, энергией и информацией. В ходе непрерывного взаимодействия со средой организм проявляет себя как реактивная система, приспосабли­вающая свои физиологические процессы к меняющимся условиям среды для уравновешивания с ней (гомеостазис), и одновременно как активная система, изменяющая среду в собственных целях и для удовлетворения своих потребностей (поведение). Как в том, так и в другом случае необхо­дима интеграция всех иерархических уровней организации живой системы: молекулярного, субклеточного, клеточного, тканевого, органного. Согла­сование биофизических, биохимических и физиологических процессов, происходящих в тканях и органах, а также приспособление этих процессов к изменяющимся условиям внешней среды осуществляют регулирующие и управляющие системы организма: нервная и эндокринная.

Под регуляцией в физиологии понимается активное управление функ­циями биологической системы (вплоть до организма в целом и его поведе­ния) с целью поддержания оптимального уровня ее жизнедеятельности и приспособления системы к меняющимся условиям внешней среды.

Изменение параметров функций при поддержании их в границах гомео­стазиса происходит на каждом уровне организации или в любой иерархи­ческой системе за счет саморегуляции, т. е. внутренних для системы меха­низмов управления жизнедеятельностью. Так, например, уменьшение кро­воснабжения ткани ведет к образованию в ней химических веществ, рас­ширяющих артерии и восстанавливающих тем самым приток крови. Такие механизмы саморегуляции получили название местных.

Для осуществления функций организма в целом необходимы взаимо­связь и взаимозависимость функций составляющих его систем. Поэтому наряду с внутренними механизмами саморегуляции систем в организме должны существовать и внешние для каждой из них механизмы регуляции, соподчиняющие и координирующие деятельность систем. Например, для реализации функции перемещения тела человека в пространстве необходи­мо изменение деятельности не только скелетных мышц, но и кровообра­щения, дыхания, обмена веществ и т. п. Изменения параметров этих функций реализуются под влиянием сформировавшейся в процессе эволю­ции специализированной системы регуляции функций.

Однако и организму в целом присуща саморегуляция жизненных про­цессов, позволяющая осуществлять приспособление к меняющимся усло­виям существования. Организм является самоорганизующейся системой, т. е. сам выбирает и поддерживает значения огромного числа параметров функций, меняет их в зависимости от собственных потребностей, что по­зволяет ему обеспечивать наиболее оптимальный характер функциониро­вания. Так, например, при низких температурах внешней среды организм снижает температуру поверхности тела (чтобы уменьшить теплоотдачу), повышает скорость окислительных процессов во внутренних органах и мышечную активность (чтобы увеличить теплообразование). Одновремен­но реализуется и адаптивное поведение — человек утепляет жилище, меня­ет одежду (для увеличения теплоизолирующих свойств), причем делает это даже заранее, опережающе реагируя на изменения внешней среды.

Основой физиологической регуляции является передача и обработка ин­формации. Под термином «информация» следует понимать все, что несет в себе отражение фактов или событий, которые произошли, происходят или могут произойти. Информация содержит количественные характеристики определенных параметров внешней и внутренней среды организма, поэто­му особую важность имеет ее объем. Примером способа количественного выражения информации, принятого в информатике как науке и исполь­зуемого в организме, является двоичная система. Единицей количества в таком случае является бит, характеризующий информацию, получаемую при выборе одного из двух одинаково вероятных состояний, например да—нет, все—ничего, быть—не быть и т. п. Материальным носителем ин­формации является сигнал, в форме которого и передается информация. Это могут быть как физические, так и химические сигналы, например электрические импульсы, форма молекулы, концентрация молекул и т. д. В тех случаях, когда регуляторным сигналом являются электрические им­пульсы (нервные потенциалы), регуляция функций осуществляется нерв­ной системой. В случаях, когда регуляторный сигнал представлен химиче­скими молекулами, находящимися в жидкостях внутренней среды, регуля­цию называют гуморальной. Она осуществляется либо тканевыми метабо­литами, либо специальной эндокринной системой.

Центральная нервная система обеспечивает согласованное взаимодейст­вие органов и частей организма, участвующих в той или иной его реакции на воздействие среды, и формирует поведение, направленное на удовле­творение потребностей и преобразование среды. Центральная нервная сис­тема постоянно получает информацию об изменениях среды и может не­медленно запускать в ответ на них врожденный комплекс стандартных приспособительных реакций — рефлексов, проявляющихся мышечными сокращениями или секрецией желез.

Сокращениями скелетных мышц управляет соматическая нервная сис­тема, посредством которой регулируются не только рефлекторные мышеч­ные реакции, но и произвольные сокращения мышц, необходимые для ак­тивного взаимодействия человека со средой. Вегетативная нервная система иннервирует гладкие мышцы внутренних органов, сердце и железы внеш­ней секреции; она осуществляет нервную регуляцию параметров внутрен­ней среды организма. Регуляторная функция вегетативной нервной систе­мы в отличие от соматической непосредственно не контролируется созна­нием и осуществляется непроизвольно. Однако нервные центры головного и спинного мозга координируют активность соматической и вегетативной нервной системы и согласуют друг с другом их ответные реакции.