Биение сердца, вероятно, связано с явлением жизни сильнее, чем любое другое понятие или процесс, как в медицинском, так и в переносном смысле. Когда люди обсуждают неодушевленные предметы или даже абстрактные понятия, они используют такие термины, как «У ее предвыборной кампании все еще есть импульс» и «Шансы команды сгруппированы, когда она потеряла своего звездного игрока», чтобы описать, является ли рассматриваемая вещь «живой» или нет. И когда персонал скорой медицинской помощи сталкивается с павшей жертвой, первое, что он проверяет, есть ли у жертвы 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 качать жизненно важную кровь к тканям тела, 70 или около того раз в минуту, 100 000 раз в день на протяжении десятилетий подряд, поразительно изящен в своей работе. Все начинается с того, что называется потенциалом действия, в данном случае сердечным потенциалом действия. Физиологи разделили это событие на четыре отдельных этапа.

Что такое потенциал действий?

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 в одном направлении, тогда как аналогичные «насосы» перемещают другие типы ионов в противоположном направлении, что приводит к ситуации, в которой заряженные частицы «хотят» течь в одном направлении после перемещения в другом, как шар, который «хочет» вернуться к вам, когда вы неоднократно подбрасываете его прямо в воздух. Эти ионы включают натрий (Na +), калий (K +) и кальций (Ca2 +). Ионный кальций имеет чистый положительный заряд, равный двум единицам, в два раза больше, чем у иона натрия или иона калия.

Чтобы получить представление о том, как поддерживается этот градиент, представьте ситуацию, в которой собаки в манеже перемещаются в одном направлении через забор, в то время как козы в соседнем загоне переносятся в другом, причем каждый тип животных намеревается вернуться к место, в котором это началось. Если три козы перемещаются в зону собак на каждые две собаки, перемещенные в зону коз, то тот, кто несет за это ответственность, поддерживает дисбаланс млекопитающих через забор, который является постоянным во времени. Козы и собаки, которые пытаются вернуться в свои предпочтительные места, постоянно «качаются» снаружи. Эта аналогия несовершенна, но предлагает базовое объяснение того, как клеточные мембраны поддерживают электрохимический градиент, также называемый мембранным потенциалом. Как вы увидите, первичными ионами, участвующими в этой схеме, являются натрий и калий.

Потенциал действия - это обратимое изменение этого мембранного потенциала в результате «волнового эффекта» - активация токов, генерируемых внезапной диффузией ионов через мембрану, снижает электрохимический градиент. Другими словами, определенные условия могут нарушить установившийся дисбаланс ионов в мембране и позволить ионам течь в больших количествах в направлении, в котором они «хотят» идти - другими словами, против насоса. Это приводит к тому, что потенциал действия движется вдоль нервной клетки (также называемой нейроном) или сердечной клетки тем же самым общим способом, которым волна будет перемещаться вдоль струны, удерживаемой почти туго на обоих концах, если один конец «щелкнул».

Поскольку мембрана обычно несет градиент заряда, она считается поляризованной, что означает различные крайности (более отрицательно заряженные с одной стороны, более положительно заряженные с другой). Потенциал действия запускается деполяризацией, которая слабо переводится во временное устранение дисбаланса нормального заряда или восстановление равновесия.

Каковы различные фазы потенциала действия?

Существует пять фаз потенциала сердечного действия, пронумерованных от 0 до 4 (ученые иногда получают странные идеи).

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

Фаза 1 - это частичная реполяризация мембраны благодаря быстрому уменьшению прохождения ионов натрия при закрытии быстрых натриевых каналов.

Фаза 2 - фаза плато, в которой движение ионов кальция из клетки поддерживает деполяризацию. Он получил свое название, потому что электрический заряд через мембрану очень мало изменяется в этой фазе.

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

Фаза 4 видит мембрану с ее так называемым потенциалом покоя -90 милливольт (мВ) в результате работы ионного насоса Na + / K +. Значение является отрицательным, потому что потенциал внутри ячейки отрицателен по сравнению с потенциалом за ее пределами, и последний рассматривается как нулевая система отсчета. Это потому, что три иона натрия выкачиваются из клетки на каждые два иона калия, закачиваемых в клетку; Напомним, что эти ионы имеют эквивалентный заряд +1, поэтому эта система приводит к чистому оттоку или оттоку положительного заряда.

Миокард и Потенциал Действия

Так к чему же на самом деле приводит все это ионная накачка и разрушение клеточных мембран? Прежде чем описать, как электрическая активность в сердце переходит в сердцебиение, полезно изучить мышцу, которая сама производит эти удары.

Сердечная (сердечная) мышца является одним из трех видов мышц в организме человека. Двумя другими являются скелетные мышцы, которые находятся под произвольным контролем (например, бицепс ваших рук) и гладкие мышцы, которые не находятся под сознательным контролем (пример: мышцы в стенках кишечника, которые двигают переваривающуюся пищу). Все типы мышц имеют много общего, но клетки сердечной мышцы обладают уникальными свойствами для удовлетворения уникальных потребностей своего родительского органа. С одной стороны, начало «биения» сердца контролируется специальными миоцитами сердца или клетками сердечной мышцы, которые называются клетками кардиостимулятора. Эти клетки контролируют частоту сердечных сокращений даже при отсутствии внешнего нервного воздействия, а это свойство называется ауторитмией. Это означает, что даже при отсутствии информации от нервной системы сердце теоретически могло бы биться до тех пор, пока присутствуют электролиты (то есть вышеупомянутые ионы). Конечно, частота сердечных сокращений, также известная как частота пульса, значительно варьируется, и это происходит благодаря разным данным, поступающим из ряда источников, включая симпатическую нервную систему, парасимпатическую нервную систему и гормоны.

Сердечная мышца также называется миокардом. Он бывает двух типов: сократительные клетки миокарда и проводящие клетки миокарда. Как вы, возможно, догадались, сократительные клетки выполняют работу по перекачке крови под воздействием проводящих клеток, которые доставляют сигнал к сокращению. 99 процентов клеток миокарда имеют сократительную разновидность, и только 1 процент посвящен проводимости. Хотя это соотношение справедливо оставляет большую часть сердца доступным для выполнения работы, это также означает, что дефект в клетках, образующих сердечную проводящую систему, может быть трудным для обхода органа с использованием альтернативных проводящих путей, которых всего очень много. Проводящие клетки, как правило, намного меньше, чем сократительные клетки, потому что они не нуждаются в различных белках, участвующих в сокращении; они должны быть вовлечены только в точное выполнение потенциала действия сердечной мышцы.

Что такое фаза 4 деполяризации?

Фаза 4 потенциала клеток сердечной мышцы называется диастолическим интервалом, поскольку этот период соответствует диастоле или интервалу между сокращениями сердечной мышцы. Каждый раз, когда вы слышите или чувствуете удар сердца, это конец сокращения сердца, которое называется систолой. Чем быстрее бьется ваше сердце, тем выше доля цикла сокращения и расслабления, которое оно тратит на систолу, но даже когда вы тренируетесь всесторонне и увеличиваете частоту пульса до 200, ваше сердце все еще находится в диастоле большую часть времени. делая фазу 4 самой длинной фазой потенциала сердечного действия, которая в целом длится около 300 миллисекунд (три десятых секунды). В то время как потенциал действия находится в процессе, никакие другие потенциалы действия не могут быть инициированы в той же части мембраны сердечной клетки, что имеет смысл - после начала, потенциал должен быть в состоянии завершить свою работу по стимулированию сокращения миокарда.

Как отмечено выше, во время фазы 4 электрический потенциал через мембрану имеет значение около -90 мВ. Это значение относится к сократительным клеткам; для проводящих ячеек оно ближе к −60 мВ. Ясно, что это не стабильное значение равновесия, иначе сердце просто никогда не билось бы вообще. Вместо этого, если сигнал понижает 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, что нарушение мембраны, которое толкает ячейку в направлении положительного значения заряда, вызывает изменения, которые делают внутреннюю часть еще более положительной. С приливом внутрь ионов натрия через эти управляемые напряжением ионные каналы в клеточной мембране миоцит входит в фазу 0, и уровень напряжения приближается к своему максимуму потенциала действия около +30 мВ, что представляет собой полное отклонение напряжения от фазы 4 около 120 мВ.

Что такое фаза плато?

Фаза 2 потенциала действия также называется фазой плато. Как и фаза 4, она представляет собой фазу, в которой напряжение на мембране является стабильным или почти таким же. В отличие от случая в фазе 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 выпрямительных токов (медленный, промежуточный и быстрый), каждый из которых характеризуется движением калия. Этот ток выпрямителя является тем, что в конечном счете отвечает за сокращение сердечной мышцы, поскольку этот отток калия инициирует каскад, в котором ионы кальция связываются с активными участками на клеточных сократительных белках (например, актин, тропонин) и приводят их в действие.

Фаза 2 заканчивается, когда поступающий поток кальция и натрия прекращается, а выходящий поток калия (ток выпрямителя) продолжается, подталкивая клетку к реполяризации.

Причуды потенциала действия сердечной клетки

Потенциал действия сердечной клетки отличается от потенциалов действия в нервах различными способами. С одной стороны, и самое главное, это намного дольше. Это, по сути, фактор безопасности: поскольку потенциал действия сердечной клетки больше, это означает, что период, в котором возникает новый потенциал действия, называемый рефрактерным периодом, также больше. Это важно, потому что оно обеспечивает плавное контактирование сердца, даже когда оно работает на максимальной скорости. Обычные мышечные клетки не обладают этим свойством и, таким образом, могут участвовать в так называемых тетанических сокращениях, приводящих к судорогам и тому подобному. Это неудобно, когда скелетные мышцы ведут себя так, но это было бы смертельно, если бы миокард сделал то же самое.