Метроном: як керувати розрядами? (продовження)


«Раз, і, два, і, три, і, чотири, і…»
Хто ж в нашому організмі вміє так говорити? І як у нього це виходить?
Початок читайте тут.

Канали, канали і ще раз канали

Стомливі пояснення деталей закінчилися. Повернемось до теми.

Отже, ми з’ясували головне – імпульс дійсно не виникає просто так. Він генерується шляхом відкривання іонних каналів у відповідь на стимул. При чому цей стимул має бути такої величини, щоб відкрити достатню кількість каналів для зміщення мембранного потенціалу до порогових значень, таких, що запустять відкриття наступних і генерацію справжнього потенціалу дії. Але ж наші водії ритму в серці обходяться без будь-яких стимулів. Як їм це вдається?

Пам’ятаєте, ми говорили, що каналів існує величезне різноманіття? Атож. Цих каналів в організмі безліч, і на всі випадки життя. Яка стратегія шикарна, не правда ж? Мати для кожного гостя окремі двері і керувати їх входом та виходом в залежності від різноманітних умов. Так ось, існують такі «двері», які звуться низькопороговими каналами. Раніше ми з’ясовували, що таке поріг для відкриття іонних каналів. Продовжуючи аналогію з входом гостя у дім, можемо уявити, що для того, щоб дістати до кнопки дзвінка, треба стати на поріг. Чим вище буде знаходитись ця кнопка, тим вище має бути поріг. Порогом виступає величина мембранного потенціалу і для кожного типу іонного каналу цей поріг має своє значення (-55мВ на рис.3 для натрієвих). Відповідно низькопорогові канали відкриваються за невеликих зміщень від мембранного потенціалу спокою. Щоб дістати до кнопки цих дверей, достатньо стати на низенький поріг, який не набагато вище від землі (=МПС). Ще однією цікавою властивістю низькопорогових каналів є те, що після акту відкриття/закриття, коли стають неактивними, вони не одразу мають змогу знову відкриватись, а лише після деякої гіперполяризації, яка виводить їх з неактивного стану. А гіперполяризація, окрім тих випадків, про які ми згадували вище, виникає ще й в кінці потенціалу дії, як остання його фаза (рис.3, позначка 3), внаслідок надмірного виходу позитивних іонів калію з клітини.

Отже, що ми маємо? З наявністю низькопорогових каналів генерувати імпульс (або потенціал дії) стає простіше після проходження попереднього імпульсу. Незначні зміни потенціалу – і вже відкриті канали, що, пропускаючи позитивні іони кальцію, деполяризують мембрану. Деполяризують до такого рівня, щоб змогли відкритись інші канали з вищим порогом, які будуть ще більше деполяризувати мембрану – виникне хвиля ПД. В кінці цієї хвилі гіперполяризація переводить низькопорогові канали в готовність відкритись при найближчому зміщенні потенціалу і все повторюється знову.

А якби не було цих низькопорогових кальцієвих каналів (НКК)? Гіперполяризація після кожної хвилі ПД знижувала б збудливість клітини і її можливість генерувати імпульси, адже при таких умовах треба було б впустити набагато більше позитивних іонів всередину, щоб досягти порогу для відкриття каналів, які формують висхідну фазу ПД. А в присутності НКК достатньо невеличкого зсуву мембранного потенціалу до низького порогу, щоб запустити всю ланцюгову реакцію відривання каналів. Тобто, завдяки діяльності низькопорогових каналів, підвищується збудливість у той момент, коли зазвичай вона знижується, і є можливість тут же згенерувати новий імпульс. Вже впізнаєте картинку ритмічності, правда?

Але це ще не все. Поріг у НКК хоч і маленький, а все ж є. То що ж зміщує МПС навіть до такого низенького порогу? Ми ж домовились, що у пейсмекерів ніяких стимулів немає! Так, дійсно. Пейсмекери серця не мають потреби в стимулюванні. Тоді ж щось має замінювати ці стимули і призводити до зміщення МПС? Так, має. І для цього в серці є ще одні канали – смішні. Ні, чесно, вони так і називаються – funny channels (від англ. funny – «смішний», channels – канали). Чим же вони смішні? А тим, що більшість інших потенціалчутливих каналів відкриваються при деполяризації, а ці, зовсім дивний народ, при гіперполяризації мембрани клітини. Інша їх назва – канали, що активуються гіперполяризацією (HCN – hyperpolarization-activated channels). Ось тут і знайшовся пазл до нашої картини. Ці канали якраз починають пропускати позитивно заряджені натрієві іони в кінці хвилі ПД і, тим самим, зміщуючи МП до рівня низького порогу. Врешті решт, весь каскад відкриттів/закриттів циклізується і ритмічно самопідтримується (рис.4).

Отже, провідна система містить клітини-пейсмекери (водії ритму), що здатні ритмічно і автономно генерувати імпульси, шляхом відкривання і закривання цілого набору іонних каналів, пропускаючи крізь них іони. Особливість пейсмекерних клітин — наявність в них таких типів іонних каналів, які зміщують потенціал спокою до порогового відразу після того, як клітина досягне останньої фази збудження, що дозволяє безперервно генерувати потенціали дії. Завдяки цьому, наше серце так само ритмічно і автономно скорочується, під дією імпульсів, розповсюджених по всьому м’язу провідною системою. При чому власне скорочення серця (систола) припадає на фазу швидкої деполяризації та реполяризації клітин пейсмекерів, а розслаблення (діастола) на повільну деполяризацію (рис.4). Ну а загальну картину всіх електричних процесів в серці ми спостерігаємо на електрокардіограмі — ЕКГ (рис.5).

Калібровка метроному

Як і будь-який механічний прилад, метроном можна налаштувати. Так само як музиканти можуть відрегулювати частоту відстукувань метронома, так і серце можна налаштувати на швидший або повільніший ритм. Таким музикантом-налаштовувачем виступає вегетативна нервова система, а її регуляторною ручкою в сторону збільшення є адреналін, та ацетилхолін в сторону зменшення. Цікаво, що зміна частоти серцевих скорочень відбувається в основному завдяки вкороченню або подовженню діастоли. І це досить логічно, адже час роботи серцевого м’язу доволі важко пришвидшити. Набагато легше скоротити час його відпочинку. Оскільки, діастолі відповідає фаза повільної деполяризації, то і регуляція має здійснюватись шляхом впливу на механізми її утворення (порівняйте рис.4 та рис.6).

І справді, так і виходить. Як ми обговорювали вище, повільна деполяризація забезпечується діяльністю низкопорогових кальцієвих та активованих гіперполяризацією натрієвих каналів. Реакція на сигнальних передавачів «наказів» вегетативної нервової системи (симпатичної і парасимпатичної) відзеркалюється саме на цих каналах, хоча і не тільки.

Адреналін, речовина, під впливом якої наше серце починає калатати як скажене, через певний каскад реакцій (рис.7,a) відкриває додаткові кальцієві і натрієві канали, окрім тих, що вже відкриті самостійно. Таким чином, заходить ще більше позитивних іонів всередину і деполяризація швидше зсуває мембранний потенціал до відповідного порогу для генерації
імпульсу. Час повільної деполяризації вкорочується і ПД генеруються частіше. До речі, відкриття нових каналів можливе завдяки їх властивостям бути чутливими не тільки до мембранного потенціалу, а ще й керуватися зсередини так званими вторинними месенджерами (таких як цАМФ – англ. cAMP). цАМФ якраз і синтезується у відповідь на приєднання адреналіну до свого рецептора на мембрані клітини (рис.7,a).

Інший тип реакції спостерігається при приєднанні ацетилхоліну до свого рецептора на мембрані клітин. Ацетилхолін – помічник парасимпатичної нервової системи, яка на відміну від симпатичної дозволяє нам розслабитись, уповільнити своє серцебиття і спокійно насолоджуватись життям. Так от, активований ацетилхоліном мускариновий рецептор від’єднує від себе складову частинку (G-білок), яка в сою чергу пригнічує відкриття низькопорогових кальцієвих каналів та відкриває калієві канали (рис. 7, b). Це призводить до того, що всередину заходить менше позитивних іонів (кальцію) і додатково виходять ті позитивні іони, що в ній є (калію). Назовні мембрани стає більше позитивного заряду, а всередині негативного. Відбувається гіперполяризація і сповільнення фази деполяризації. В решті решт, імпульси генеруються значно повільніше (рис.7, b).

Відтак, наші пейсмекери, хоч і володіють автономністю, та все ж здатні підкорюватись певним «наказам» з боку головного керівника – нервової системи, – підлаштовуватись під нагальні потреби організму.

Руйнувати — не будувати

Щоб зрозуміти, наскільки важливі організму ті чи інші його елементи, вчені навчились їх «вимикати». Наприклад, блокування низькопорогових кальцієвих каналів одразу призводить до помітних порушень ритму: на ЕКГ, записаних на серці таких піддослідних тварин, помітні подовження інтервалу між скороченнями (рис.8А), а також спостерігається зниження частоти пейсмекерної активності (рис.8Б). Пейсмекерам важче зсунути мембранний потенціал до порогових значень. А якщо «вимкнути» канали, які активуються гіперполяризацією? У цьому випадку у ембріонів мишей взагалі не формується «зріла» пейсмекерна активність (автоматизм). Нажаль, вле такий ембріон помирає на 9-11 день свого розвитку, як тільки серце робить перші спроби скорочуватись самостійно. Виходить, що описані канали відіграють критичну роль у функціонуванні серця, і без них, як то кажуть, ніяк.

Ось така невеличка історія про маленьких гвинтиків, пружиночок та важелів, які будучи елементами одного складного механізму забезпечують злагоджену роботу нашого метроному – водія ритму серця. Залишається лише поаплодувати тому, хто змайстрував такий диво-прилад, що служить нам вірою і правдою кожного дня, без наших на те зусиль!

Джерела

Стаття вперше була опублікована на сайті «Біомолекула» російською мовою.

Обговорення

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *