Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль ионов натрия, кальция и температуры в генерации потенциалов действия клеток синусно-предсердной области сердца позвоночных

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Роль ионов натрия, кальция и температуры в генерации потенциалов действия клеток синусно-предсердной области сердца позвоночных"

li 3 ■: b 'i- .;

ОРДЕНА ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ НАУК УССР

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ ИМЕНИ А. А. БОГОМОЛЬЦА

На правах рукописи

ГОЛОВКО Владимир Александрович

РОЛЬ ИОНОВ НАТРИЯ, КАЛЬЦИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ В ГЕНЕРАЦИИ ПОТЕНЦИАЛОВ ДЕЙСТВИЯ КЛЕТОК СИНУСНО-ПРЕДСЕРДНОЙ ОБЛАСТИ СЕРДЦА ПОЗВОНОЧНЫХ

03.00.13 — Физиология человека и животных

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Киев — 1991

Работа выполнена в Институте физиологии Коми научного центра Уральского отделения ЛН СССР

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор И. С. МАГУРА доктор медицинских наук, профессор В. Г. ШЕВЧУК доктор медицинских, наук, профессор Р. С. ОРЛОВ

Ведущее учреждение: Институт эволюционной физиологии и биохимии им. II. М. Сеченова АН СССР, Ленинград

Защита состоится 1 марта 1991 г. в ........................ часов па заседании спе

анализированного совета Д^016.15.01 при Институте физиологии им. Л. Л. Do гомольца АН УССР по адресу: 252024, г. Киев-24, ул. Богомольца, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологш им. А. А. Богомольца АН УССР.

Автореферат разослан 30 января 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор биологических наук

3. А. СОРОКИНА-МАРИНА

-и

.,'Ш

..лм» дел

ртаций_д 0БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется тем, что изучение механизмов енерации пейсмекерной активности миокарда составляет фундамен-альную задачу электрофизиологии сердца (Бабский, 1971; Костюк, азов, 1989), но знания о фундаментальной организации и деятельно-ти клеток, задающих ритм сердечных сокращений, фрагментарны. Ве-оятно, поэтому'электрофизиология клеток водителя ритма слабо от-ажена в крупных монографических сводках (Физиология кровообраще-ия,1980; Руководство по кардиологии, 1982). Значение исследований одителя ритма возрастает е связи с применением фармакологических оздейстЕий при синдромах слабости синусно-предсердного узла (Бре-икис, Букаускас, 1981; ЧазоЕ,1984), частота встречаемости которо7 о у населения возрастает.

В генерации пейсмекерной активности участвуют несколько ион-ых токов. Сведения о роли ионов натрия и кальция в генерации ПД леток водителя ритма немногочисленны и противоречивы. Известно, то ионы натрия, которые ответственны за фазу быстрой деполяриза-ии мембраны сократительного миокарда и волокон Пуркине, оказывают ¡лабый эффект на спонтанную диастолическую и быструю деполяризацию леток истинного водителя ритма. Для понимания механизмов генера-[ии ПД необходимо определить участие ионов натрия и кальция в ге-врации отдельных фаз ГЩ. Без знания, например, механизмов генера-ии диастолической деполяризации невозможно разрабатывать проблемы юнного регулирования спонтанной ритмической активности миокарда.

Наиболее полно раскрыть фундаментальное значение той или иной )ункции организма позволяют исследования на представителях разных :лассов животных. В основу работы положен сравнительно-эволюцион-шй метод (Северцов, 1949; Орбели, 1961).

Исследования проведены нами на спонтанно сокращающихся препа-штах сердец позвоночных животных (минога, стерлядь, окунь, плот-ш, лягушка, черепаха, голубь и кролик), стоящих на разных этапах шолюционного развития. Выяснение закономерностей становления фун-гции водителя ритма в эволюции позволяет подойти к задаче модели-гавания генерации ПД клеток истинного водителя ритма сердца чело-¡ека. Моделирование этого процесса остается важным инструментом гзучения функционирования клеток истинного водителя ритма челове-

•г

ка в настоящее время, так как применение других методов возможн только в условиях острого эксперимента -

Важнейшим фактором среда, оказывающим постоянное воздействие на живые организмы, является температура. За последние полеталетш в изучении механизмов адаптации позвоночных животных к температур« достигнуты весомые успехи (31ю1ап(1ег а1., 1953; Ргоааег е1; а1., 1970; Александров, 1975). Однако физиологические возможности температурной адаптации клеток водителя ритма сердца пойкилотермных I гомойотермных животных не ясны. Эти вопросы важны для подбора условий поддержания жизнедеятельности при хирургических вмешательствах и хранении изолированных органов сердечно-сосудистой системы. Изучение воздействий температуры на механизмы генерации ПД клеток синусно-предсердной области различных позвоночных представляв! интерес и в связи с проблемами адаптации сердечно-сосудистой системы к условиям Севера (Рощевский, 1972).

Цель настоящей работы заключается в изучении роли ионов натрия и кальция и температуры е генерации электрической активности клеток водителя ритма сердца позвоночных, стоящих на различных ступенях эволюционного развития.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

1. Измерить и проанализировать основные параметры внутриклеточных потенциалов действия клеток синусно-предсердной области.

2. Разработать быстрый метод для первичной идентификации зоны истинного водителя ритма сердца позвоночных; установить область локализации клеток истинного водителя ритма в сердце круглоротых, земноводных, рептилий и птиц.

3. Установить основные критерии разделения клеток синусно-предсердной области по режиму работы на клетки истинного и скрытого водителей ритма в сердце круглоротых, земноводных, рептилий и птиц.

4. Изучить влияние гипо- и гиперкальциевых сред на генерацию

ПД.

5. Исследовать влияние гипонатриевых растворов на спонтанную электрическую активность клеток синусно-предсердной области.

6. Изучить эффекты ионов Мп2+ и соединения Д 600 - блокаторов

1вдленного, направленного внутрь клеток Иа-Са-тока.

7. Выявить температурные зависимости фаз ПД клеток синусно-гредсердной области в различных ионных средах.

8. С помощью экспериментов на модели оценить вклад токов гонов На, Са и К в генерацию ПД клеток водителя ритма млекопитаю-щх (кролик).

Настоящая работа выполнена в соответствии с планом НИР лабо-затории сравнительной кардиологии Института биологии Коми филиала 1Н СССР и лаборатории физиологической информативности биофизичес-сих полей Института физиологии Коми научного центра УрО АН СССР (Ы Т 01.87.0. 001950).

Научная новизна. Впервые определена роль ионов натрия и каль-щя в генерации отдельных фаз _ЦЦ клеток водителя ритма синусно-цзедсердной области сердца, что позволило обосновать концепцию об гсилении вклада ионов кальция в развитие и становление функции водителя ритма в ряду позвоночных.

Установлено увеличение длительности спайка ПД и снижение пер-зой производной нарастания амплитуда ПД по времени в фазу быстрой деполяризации СУонакс) у клеток водителя ритма в' эволюционном ряду гозвоночных.

Обнаружено, что препараты (полоски) синусно-предсердной обла-зти сердца миноги способны длительно (более 10 ч) сохранять спонтанную активность в растворе Рингера без добавления кальция, тогда сак полоски из сердца кролика в этих условиях проявляют ритмичес-сую спонтанную активность несколько минут.

Выявлено, что клетки истинного водителя ритма синусно-1редсердной области лягушки менее устойчивы к гипокальциевому, чем с гипонатриевому раствору. Параметры клеток истинного водителя ритма сердца теплокровных (голубь, кролик) менялись при действии збоих растворов.

Выялена возможность перехода клеток скрытого водителя ритма 1а режим работы клеток истинного водителя ритма и, наоборот, показаны условия, при которых такой переход осуществлялся.

Определены величины температурного коэффициента скорости из-иенения фаз ПД в диапазоне температуры, при котором сохраняется жтмическая спонтанная активность препаратов. На примере предста-

вителей трех классов-позвоночных (лягушка, черепаха, голубь) пс казано увеличение температурного коэффициента 01О длительности ф! спайка ПД и производной нарастания фазы быстрой деполяризации I по времени е гипокальциевом растворе. Показано, что у холоднокро; ных (минога, стерлядь, окунь, плотва, лягушка, черепаха) вклг ионов кальция в медленный, направленный внутрь клетки ток увелшо вается в 3-4 раза. Представлена схема, обобщающая полный цикл дш жения ионов Ыа, Са и К шутрь клетки водителя ритма и наружу течение генерации ПД.

В методическом плане впервые обоснованы критерии разделеш клеток водителя ритма на истинный и скрытый в сердце круглоротыз земноводных, рептилий и птиц. Предложен тест для первичной иденти фикации в эксперименте клеток истинного водителя ритма в синуснс предсердной области.

Научно-практическое значение проведенного исследования:

- ноеизнэ работы и ее теоретическая ценность заключаются развитии сравнительно-эволюционного направления в изучении станоЕ ления функции автоматии сердца. Получены ноше данные о генераци ПД пейсмекерных клеток представителей различных клэссоб позвоноч ных;

- показана роль ионов кальция и температуры в структурно функциональных перестройках ионных каналов как основного принцип адаптации сердечной функции организмов в ходе эволюции;

- для первичной идентификации зоны истинного водителя ритм предложено использовать эффект температуры на электрические и со кратительные свойства синусно-предсердной области, который заклю чается в наличии волновых микросокращений у препаратов теплокров ных при снижении температуры до 1Э°С;

- разработаны подходы к изучению эффектов ионного регулирова ния генерации ПД, которые могут быть использоеэны в качестве тео ретической базы для практических исследований по скринингу кардио тройных препаратов.

Результаты, полученные в данной работе, использованы при чте нии курсов физиологии в Коми государственном педагогическом инсти туте, на кафедрах физиологии человека и животных Сыктывкарского Уральского госуниверситетов и 2-го МОЛГМИ им.Пирогова и лекций п

шолюции клетки в Институте усовершенствования учителей Коми ССР.

Критерии классификации Щ клеток истиного и скрытого водите-гей ритма пойкилотермных животных применяются в Кубанском медин-¡титуте при анализе влияния блуждающих нервов на формирование рит-га сердца. Параметры ПД клеток синусно-предсердной области исполь-!уют в Рижском политехническом университете для моделирования прокосов генерации ПД клеток водителя ритма,

Полученные нами экспериментальные данные могут представлять штерес для эмбриологов и биохимиков, изучающих строение мембран.

Основные положения, выносимые на защиту, следующие:

1) Вклад тока ионов Са в генерации ПД клеток Еодителя ритма зердца возрастает в эволюционном ряду позвоночных от круглоротых цо млекопитающих. Усиление роли ионов Са в инициации электротеской активности сердца гомойотермных состоит в том, что медленные кальциевые токи определяют уровень порогового потенциала.

2) Длительность спайка ЦЦ, от которой зависит продолжительность сокращения миофибрилл, на порядок выше у млекопитающих и рептилий по сравнению с круглоротыми.

3) Клетки Еодителя ритма сердца пойкилотермных менее гетеро-генны по своей устойчивости к изменениям наружной концентрации ионов натрия и кальция, чем клетки Еодителя ритма сердца млекопитающих. .

4) Под воздействием наружной концентрации ионов кальция или температуры в сердце пойкилотермных клетки типа скрытого водителя ритма способны менять режим работы на истинно пейсмекерный. В нормальном растворе режим работы клеток типа скрытого водителя ритма восстанавливается.

5) Разработан и использован в эксперименте тест для обнаружения зоны истинного водителя ритма в препаратах синусно-предсердной области сердца позвоночных.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсувдены на I и II Всесоюзных симпозиумах по сравнительной электрокардиологии (Сыктывкар, 1979, 1985); II, 14, VII, VIII Международных конгрессах по электрокардиологии (Варна, 1975, Балатонфюред, 1977, Глазго, 1978, Лиссабон, 1980, Будапешт, 1981); III Всесоюзном совещании "Теория и практика автоматизации электрокардиологичесих

исследований" (Пущино, 1976); VII научном совещании по эволюцион ной физиологии, посвященном памяти акад.Л.А.Орбели (Ленинград 1978); XII с*езде Всесоюзного физиологического общества им И.П.Па вловв (Алма-Ата, 1979); IX симпозиуме "Биологические проблемы Се вера" (Сыктывкар, 1981); совещании "Теория и практика автоматиза ции электрокардиологических и клинических исследований "(Каунас 1981); VI Всесоюзной конференции по экологической физиологии (Сык тывкар, 1982); научном семинаре ЦНШГ при Каунасском мединститут (1984); заседании Сыктывкарского отделения Всесоюзного обществ физиологов, биохимиков и фармакологов им.И.П.Павлова (Сыктывкар 1975, 1986); нейрофизиологическом семинаре Института физиологии А] УССР (Киев, 1987); на Всесоюзном симпозиуме "Физиология и патофи зиология сердца" (Киев, 1987).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в и: числе монографии - 2, научные статьи - 14, информационные материалы - 17.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методики, основной части (результаты и их обсуждение), заключения и выводов. Основная часть включает шесть глав, в которых приводятся результаты электрофизиологических исследований синусно-предсердной области представителей шести классов позвоночных. Работа изложена на 300 страницах машинописи, иллюстрирована 59 рисунками, 36 таблицами.. Библиография включает 360 наименований.

В первой главе приводится обзор литературы,! котором подробно анализируются данные о структурной и функциональной организации синусно-предсердной области, природе автоматии к процессе генерации ПД. Рассмотрены электрофизиологические исследования по воздействию различных ионных сред, кратко обсуждены вопросы эмбрионального развития водителя ритма сердца. Дан аналиг состояния проблем, изложены исходные идеи и сформулированы задачи.

Глава 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ

Объекты и их препаровка. Все эксперименты выполнены на спонтанно сокращающихся полосках синусно-предсердной области сердца.

1осле декапитации животных быстро извлекали сердце и готовили .пре-тараты, Еключащие синусно-предсердное ' кольцо и синусно-тредсердный клапан.

Раствор Рингера для всех пойкилотермных имел следупций состав (мМ/л) : NaCl - 112, KCl - 1,9, NaHCC>3 - 2,4, СаС12 - 0,9, Электрофизиологическое исследование клеток сердца голубя и кролика проводили в растворе Хенкса (мМ/л): NaCl - 137, KCl - 5,4, СаС12 -1,8, NaH2P03 - 0,7, КН2Р04 - 0,7, MgS04 - 0,83, NaHC03 - 16,7, глюкоза - 10, pH 7,2-7,4.

Снижение натрия в растворах возмещали эквиосмотическим количеством сахарозы. Концентрацию кальция варьировали в следующем порядке; 1,8, 0,9, 0,45, О, 1,8, 3,6/5,4 мМ/л. Препараты находились в растворе с заданной концентрацией в течение 30 мин. Блока-торы добавляли в нормальный раствор в следующих концентрациях: хлористый марганец (0,5-1,0 мМ/л), соединение Д-600 (10-6-10~7 М/л). Для пойкилотермных Еыбрана контрольной температура 20°С, а для гомойотермных - 35°С.

Схема установки. Разработанная нами экспериментальная установка состоит из двух частей: одна служит для поддержания жизнедеятельности препарата, вторая представляет собой измерительную схему.

Потенциалы действия регистрировали внутриклеточно жесткими микроэлектродами с начальным диаметром кончика 0,05-0,40 мкм, измерение проведено под электронным микроскопом, и сопротивлением не ниже 20-65 МОм при заполнении 2,5 М KCl.

Запись ПД производили фотокамерой с экрана осциллоскопа, параллельно сигнал записывали с помощью быстродействующего самописца Н-334 или фоторегистратора ФОР. Нами использован метод вычисления амплитудных и временных параметров ПД (рис.1). Границу между отдельными фазами потенциала устанавливали графически по тангенциальным кривым, что позволило однозначно характеризовать фазы ОД. Это очень важно для выявления видовых особенностей генерации ОД миокарда различных областей сердца.

Статистической обработке подвергали ОД, которые не изменялись по амплитуде в течение двух и более минут возбуждения миокарда в стандартных условиях. Обработку данных проводили на ЭВМ "EC-I040"

иВ О

-20

-ЬО

-60

-ВО

л

"ПГ"

' \ I \

ДМ* \ ДПД10а

ПД >

0/

В

20 О -20

-U0 -ВО

-80 -100

- ов

1 па ПГ \ 'г1- А 1 A f 1

- \ 4 ДМ,„ \\

\ V

ДПДио

ОДПД

Рис.1. Графическое измерение основных амплитудных и временны параметров ПД клеток истинного (А), скрытого (Б) водителей ритма клеток типа предсердных.

О - фаза деполяризации; 2 - фаза плато; 3 - конечная реполя

ризация; 4 - диастолическая деполяризация; ДПД50, ДВДю0 ~ дли тельность ЦЦ на уровне 50 Ж и 100 % реполязации; ОД ЦЦ - общи период генерации ЦЦ.

и IBM/AT по соответствующим программам.Достоверность различий между средними арифметическими находили по t-критерию Стыодента и F-критерин Фишера.

Экспериментальная часть работы включает 166 удачных опытов, в том числе на миногах - 58, трех видах костных рыб - 56, лягушках -36, черепахах - 18, голубях - 35 и кроликах - 19.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Локализация клеток водителя ритма

С помощью микроэлектродной техники установлено, что клетки водителя ритма локализуются в основании синусно-предсердного кольца со стороны венозного синуса в сердце пойкилотермных (минога, стерлядь, окунь, плотва, лягушка, черепаха) и в правом предсердии в месте впадения верхней полой вены у птиц (рис.2). Для первичной идентификации зоны истинного водителя ритма в синусно-предсердной области нами разработан "температурный" тест, суть которого в следующем: при снижении температуры до 0°С у препаратов синусно-предсердной области пойкилотермных Еизуально можно наблюдать появление очага, инициирующего возбуждение, а у гомойотермных при температуре 20°С во время блокады проведения импульсов в предсердии в месте локализации клеток истинного водителя ритма наблюдаются вол-новыэ микросокращения. Сокращения в зоне NSA при гипотермии описаны позже Брауном и сотр. (Brawn et al., 1982) и Гариманом и сотр. (Hariman et al., 1989) для препаратов синусно-предсердной области сердца кролика и морской свинки. Эти авторы также указали на возможность применения охлаждения для быстрого обнаружения места, где находятся клетки, способные спонтанно сокращаться.

В зоне водителя ритма сердца пойкилотермных принято выделять клетки типа предс-ердных (сократительных, без спонтанной деполяризации) и пейсмекерных (с диастолической деполяризацией). Пейсме-керные клетки у млекопитающих часто разделяют на клетки, работающие в режиме истинного и скрытого водителей ритма, но критерии разделения остаются предметом дискуссии (Opt'hof et al., 1985,1986; Shlbata, Giles, Pollack, 1985; Kreltner, 1985). В качестве

I I

0.2с Кролик

А

г{ ^

---Ъ)

гв/с1

1\

Ланцетник

0.5с Оболочник

J

основного параметра используют максимальную скорость нарастания ЦЦ (V к ). которая варьирует от 2 до 12 В/с. Для пойкилоТермных вопрос об идентификации клеток водителя ритма по режиму работы является открытым.

На основании исследований влияния различных ионных сред и температуры на генерацию ПД клетками синусно-предсердной области сердца у представителей различных класов пойкилоте'рмных и гомойо-термных животных мы пришли к выводу, что, рассматривая VoMaKc в качестве основного параметра, необходимо иметь в виду и другие важные критерии: устойчивость к гипонатриеЕЫМ и гипокальциевым растворам, ионам марганца, температуре, тетродотоксину; время инициации Еозбудения, скорость диастолической деполяриза1Ции. В соответствии с этим к клеткам истинного водителя ритма пойкшгатермных относятся клетки с ^иакс) от 2 (черепаха) до 7 В/с (минога) при 20°С, сохраняющие спонтанную активность в гипонатриевых растворах (50-75 % NaCl), но блокируемые ионами марганца (0,5-1,0 мМ/л). У птиц' к клеткам истинного водителя ритма следует относить 'клетки с VouaKc от 4 до 7 В/с. К клеткам, работающим в режиме истинного водителя ритма, у млекопитающих относятся клетки с VOMaKC 3 В/с, устойчивые к тетродотоксину (Ю-^ М/л) и имеющие низкую амплитуду ПД, высокую скорость диастолической деполяризации.

Электрофизиологические характеристики клеток синусно-предсердной области

Амплитудные параметр! ПД. Вопрос о величине амплитудных параметров ПД позвоночных и отличия между ними неоднократно обсуждали в литературе (Hoffman, Cranefield, 1962; Kuriyama et al., 1965;

Рлс.2. Локализация и мембранные потенциалы клеток водителя ритмам позвоночных.

I - венозный синус; 2 - предсердие; 3 - синусно-предсердный узел. Калибровка одинакова для всех холоднокровных животных -50 мВ; 0,5 с; 2 В/с.

-II- > А

Shibata, Giles, Pollack, 1985; Opt'hof et al., 1987).

Нами систематизированы имеющиеся сведения о величине трансмембранных ПД сердца млекопитающих и человека. Обращает внимание тот факт, что даже для наиболее исследованных об'ектов (кролик) разные авторы приводят величины ЦЦ, варьирующие от 55 до 75 мВ. Мы полагаем, что величины амплитудных параметров ЦЦ синусно-предсердной области разных классов позвоночных сходны (табл.1,2). В пользу такого заключения могут свидетельствовать некоторые факты. Еиакс клеток синусно-предсердной области опредляется равновесным калиевым потенциалом (Noma, Irlsawa, 1975; Courtney, Sokolove, 1981), следовательно, природа Енакс одинакова у представителей всех классов позеоночных. По-видимому, существует определенная физиологическая норма, в пределах которой возможно варьирование величины максимального диастолического потенциала. Этот диапазон составляет около 15-20 мВ. Следует также. иметь в виду, что на амплитуду ДЦ в конкретных опытах могут влиять параметры препарата, размеры и форма кончина микроэлектрода, частота и амплитуда спонтанных сокращений и пространственное распределение клеток водителя ритма в синусно-предсердной области. Поэтому большую ценность представляют данные, полученные на разных видах с использованием единой методики. К сожалениюю, таких данных мало.

Опт'хоф и сотр. (Opt'hof et al., 1987) представили данные, полученные на четырех видах млекопитающих. Клетки, работающие в режиме истинного водителя ритма NSA морской свинки, кролика, кошки и свиньи, не отличались по величине Е и ПД. Что касается пой-

иакс

килотермных животных, то сопоставление двух-трех еидов проводили в нескольких работах. Карияма и сотр. (Kuriyama, et al., 1960) обнаружили различия в длительности ПД клеток предсердияя золотой рыбки, лягушки и тритона. По данным Хемптана (Hemptinne, 1978) длительность спайка ПД желудочка лягушки была меньше, чем у черепахи. Лукьянов и сотр. (1983) не обнаружили различий в амплитудных параметрах трех видов костных рыб (треска, линь, карп).

В таблицах I и 2 обобщены данные об основных характеристиках клеток истинного, и скрытого водителей ритма и клеток типа пред-сердных у представителей различных классов позвоночных, исследо-

Т а б л и ц а I

Характеристики клеток истинного водителя ритма в синусно-предсердной области позвоночных

Вид Е , макс мВ ОВ, мВ пд, мВ ОД. мВ дадюо мс у4' мВ/с одпд, мс V • Ъ макс В/с 7з, В/с

Минога, п=34 -76*3 7-2 83*3 15*1 140*10 17*2 990-60 4,1*0,7 1,2*0,1

Стерлядь, п=13 -65-2 2*1 68*2 6*1 б190*Ю . 11*1 740*80 3,3*0,7 0,41*0,02

Плотва, п=13 -55*3 6*2 61*3 Ю±1 270*10 29*3 610*60 1,5*0,8" а 0,80*0,06

Окунь, п=19 - 64-3 5-2 69*3 9,4*1 230*20 25*4 610*50 а1,7*0,2 0,39*0,03

Лягушка, и=22 -68*2 7-2 75*3 13*2 в 520*40 14*2 1430*100 а2,3*0,1 а 0,42*0,04

Черепаха, п=15 -59*3 10*1 69-2 6*1 В1100*50 4,1*0,3 2600*200 1,6*0,3 а0,21*0,05

Й^с)54 -56*1 13*1 69*3 7,4-0,3 190* 25 7,4*1,0 1190*400 2,6*0,2 0,83*0,05

Кролик, -п=27 (при 36°С) -59*1 4*2 63=4 14-5 а 230*10 70*6 430*30 2,0*0,3 0,3*0,03

а Р < 0,05 б Р<0,01 в Р<0,001

Таблииа2

Характеристика клеток скрытого водителя ритма в синусно-предсердной

области позвоночных

Вид Емакс' мВ ОВ, мВ ПД, мВ ОД, мВ дад100 мс одпд, мс v о макс В/с у з, В/с У4, мВ/с

Окунь,п =27 -66±2 1,4±1 68±3 9*1 270-30 610^70 4,3±0,4 0,53^0,08 32^4

Плотва, п=18 -70±2 П±2 - 8±1 240^20 - 9,0±1 0,52^0,08 16±2

Лягушка, п=62 -72±2 Н±1 83±3 7±1 в 480-30 П30±60 6,9±0,4 а 0,40^0,0Ьа8,2^0,4

, Черепаха, п=40 -60±4 а 20^2 80±4 5±1 01000^40 2600^150 П±1 8 0,23±0,01а3, 1^0,4

К ГолубЬд п=ю ' при 20вС Кроликд п=20 при 25 С -65±1,3 -5412 15^2 4±3 82-2 %8±4 5^0,3 7±1 280-30 ^100^50 1800^200 850^70 б,8±1,3 5,3±2 0,7±0,03 3,2±0,2 0,3±0,09 16-2

а Р < 0,05 в Р<0,001

ванных в наших опытах, Анализируя эти результаты, мы пришли к выводу, что достоверные различия между видами по величнам Еиако, тотенциала превышения и спонтанной деполяризации отсутствуют. Некоторое варьирование данных, полученных на рыбах, связано с разной устойчивостью клеток тинусно-предсердной области к температуре. Гак, например, средние величины ЦЦ и потенциала превышения при 20° С у плотвы были выше, чем у окуня.

Длительность фаз потенциала. У представителей различных клас-:ов пойкилотермных величина ДПД50 и ДПД1СГ, возрастала на порядок в ряду: оболочник, минога, стерлядь, .окунь, лягушка и черепаха (рис.2) т.е. длительность спайка у пойкилотермных, была ниже чем у 5олее молодых видов. Б пользу мнения о закономерном увеличении длительности спайка ЦЦ от древних к эволюционно более молодым вицам косвенно могут свидетельствовать данные авторов, которые зарегистрировали увеличение ДПД100 и Чоилкс в предсердии крыс, кошек и {роликов (Cavoto et al., 1974; Sheridan, 1980; Toda, 1960). Если сравнивать ДПД100 у близких по массе пойкилотермных (стерлядь, íepenaxa) и гомойотермных (голубь, морская свинка), то можно заметить, что величина этого параметра у пойкилотермных выше, чем у "омойотермных.

Классическими являются представления о том, что частота сер-хечных сокращений млекопитающих находится в обратной зависимости зт размеров тела, т.е. она ниже у животных с более высокой массой тела. Мы сопоставили частоту сердечных сокращений у близких по jacce пойкилотермных и гомойотермных при температуре 20 и 35°С. ¡ейстЕИтельно теплокровные с одинаковой массой тела имели близкую шстоту сердечных сокращений. Пойкилотермные, по-видимому, не под-шняются этому закону.

Максимальная скорость нарастания ПД в фазу деполяризации. У наследованных нами видов пойкилотермных Уоми.г снижалось достовер-ю в эволюционном ряду: минога, стерлядь, лягушка, черепаха (рис.3), т.е. виды, которые появились раньше, характеризуются бо-гое высокой скоростью нарастания ПД в фазу деполяризации. Следует зтметить, что V может отличаться и у различных видов млекопитающих. Голландские исследователи установили, что Уожахс коррели-ювала с массой тела и частотой спонтанных сокращений (Opt'hof et

Шт, с

Wr

10

и а в «4 и

off

07

мп, В/с

!

о7

об

о 5

о 4

оЗ

о 2

-I-1_I_I_I_I_L.

О/

I*

Ol

Ь

о7

04

°5

о 2

XZZZZZICE2J ES 50 150

250

m v vi

350 *50 5S0 млм.мя

Рис.3. Возраст геологической эры (ось абсцисс) появления н дов (по: Attenborough, 1984) и усредненные характеристики (о ординат) клеток водителя ритма сердца позвоночных.

А - изменение длительности ПД; Б .- первая производная ампл туда фазы быстрой деполяризации по времени; В - время спонтанн» активности полосок миокарда. I - оболочник; 2 - минога; 3 - сте лядь; 4 - лягушка; 5 - черепаха; 6 - голубь; 7 - кролик.

о

и

al., 1987).

Скорость реполяризации. Как подробно рассмотрено в обзоре литературы (глава I), мы придерживаемся гипотезы Кеньена и Гиббон-са (Kenyon, Gibbons, 1979), согласно которой наиболее вероятными переносчиками заряда в течение фазы реполяризации являются К*. О суммарном токе в выходящем направлении в течение фазы реполяризации позволяет судить производная изменения амплитуды ЦЦ во времени. Наибольшие значения этого параметра получены на миноге и плотве (1,2 и 0,8 В/с), наименьшие (0,21 В/с) значения зарегистрированы у клеток синусно-предсердной области сердца черепахи. У остальных позвоночных этот параметр составлял 0,39-0,43 В/с. Наибольшие различия (в семь раз) мевду vOMaICC и отмечены у стерляди и черепахи, наименьшие (в два раза) - у плотвы. Полученные нами данные позволяют думать о существовании рвзличнОй проводимости К-каналов.

Скорость диастолической деполяризации. Анализ этого важого показателя пейсмекерных клеток у представителей разных классов позвоночных показал, что V^ изменяется в широких пределах от 4 (черепаха) до 25-30 мВ/с (плотва, окунь). В последующих главах мы оценим изменения этого параметра в разных ионных средах.

Влияние ионов натрия на генерацию ЦЦ

Имеющиеся в литературе сведения дают основания полагать, что в миокардиальных клетках функциональное значение" Na-K-Hacoca и Na-Ca-обменного механизма больше, чем в нервной ткани или скелетной мускулатуре. Поэтому одной из задач наших исследований является оценка вкдада ионов натрия в генерацию фаз ЦЦ клеток синусно-предсердной области. В гипонатриевой среде (50-75 % NaCl) проведены эксперименты на препаратах сердца представителей трех классов позвоночных: лягушке (амфибии), голубе (птицы), кролике (млекопитающие ).

Сопоставим изменения амплитуда ЦЦ, длительности и первых производных нарастания амплитуда ЦЦ по времени (табл.3). У лягушки перфузирование полосок синусно—предсердной области гипонатриевыми растворами вызывало деполяризацию мембраны, величина ове ршута при атом не изменялась. У голубя и кролика, наоборот, величина

ТаблинаЗ

Влияние растворов с различным содержанием Иа* (мМ/л) на генерацию ПД клетками водителя

ритма лягушки, голубя и кролика

Вид, состав раствора П а р а м е Р р ы

Емакс' мВ ов, мВ мдц, мВ мс ДВДюо« мс чдд, мс V о макс' В/с V В/с V мВ/с

?

Лягушка (контроль) -68^2 7±2 13±1 ЗЮ±25 530±40 ' 910*80 2,4*0,1 0,40*0,03 15*2

(75% наС1) ■%8±3 11-1 »[9±2 190±20 Э320±30 ®720*50 2,6*0,4 0,40±0,1 %6*5

(5056 НаСП £60±4 Ю±3 Зз,2±0,4 - а700±Ю0 1200±200 2,8*0,5 2±0,1 6 5*2

истинный водитель ритма

Голубь (контроль) -57^2 6,б±1,1 12±1 52^3 92^5 180*20 4,6±0,3 1,6±0,1 56*6

(75% %С1) -63±2 б_7±з 12-1 52±б 99±6 90*6 5,1±1 1,4*0,4 б[36±15

скрытый водитель ритма

Голубь (контроль) -72-1 Ю±1 9±1 44±з' 79^5 240*30 30±4 1,8*0,1 38*6

(75% иаСП -73-5 7±3 9*1 68*4 ^50±30 %0±15 1,4*0,2 ' а63*11

Кролик (контроль) -59±1 4,4*2,1 230±Ю 220±20 2,0±0,3 0,4*0,08 70*6

(75% нвС1) -58±5 -15±4 - - %б0±20 210*10 1.2±0,1 0,36*0,04 %7*3

а Р<0,05 б Р<0,01

овершута снижалась, а Е-акс оставалась неизменной. Амплитуда медленной диастолической деполяризации у лягушки при 75 % NaCl в растворе повышалась с 13 до 19 мВ, в растворе с 50 % NaCl резко снижалась до 3,2 мВ. У голубя не зарегистрировано изменение этого параметра. У лягушки в растворе с 75 Ж NaCl длительность ДПД100 и диастолической деполяризации уменьшалась, а скорость диастолической деполяризации ЧСС повышалась. Противоположный эффект по направленности длительности фаз ПД, V^ и ЧСС зарегистрирован у лягушки в растворе с 50 Ж NaCl. У препаратов голубя и кролика в гипонатриевых растворах наблюдали некоторую тенденцию к увеличению длительности пика ПД на 8-10 %. У голубя длительность диастолической деполяризации достоверно уменьшалась, а у кролика этот параметр не изменялся, тогда как скорость диастолической деполяризации снижалась в 2 раза у обоих еидов.

Во всех экспериментатах у клеток истинного и скрытого водителей ритма зарегистрировали двухфазное изменение амплитуды ПД, ДПД100, Vo||aKc и V^. Сначала наблюдали повышение амплитуды ПД, умейыпение длительности ПД и увеличение скорости диастолической деполяризации. Через 10-20 мин величина этих параметров становилась ниже, чем в нормальном растворе.

У лягушки клетки с V выше 10 В/с отличались меньшей

окахс ,

устойчивостью к недостатку Na в растворе. Сравнение влияния гипонатриевых растворов на клетки истинного м скрытого водителей ритма в целом свидетельствует о меньшей разнице в эффектах у этих двух типов клеток, чем в сердце голубя. Один неожиданный результат - неизменность величины потенциала превышения у клеток сердца голубя, работающих в режиме скрытого водителя ритма, при изменении наружной концентрации ионов натрия. Клетки синусно-предсердной области сердца голубя отличались от других исследованных нами видов и тем, что V^ возрастала по сравнению с контролем. У лягушки и кролика этот параметр через 15-20 мин экспозиции в гипокальцие-вом растворе снижался.

Полученные данные подтверждают функционирование Na-Ca-обменного механизма и участие Na-K-Hacoca в генерации фазы диастолической деполяризации. Вместе с тем они свидетельствуют об особенностях функционирования этих механизмов у представителей

различных классов.

Двухфазный характер изменения параметров ЦЦ (амплитуда, ДПД100, Уо, V,) пейсмекерных клеток можно о(3'яснить тем, что в первые минуты пребывания препаратов в гипонатриевом растворе в клетки миокарда входит больше ионов Са, что приводит к возрастанию медленного, направленного внутрь тока повышению У4.. и \илкс• При функционировании Иа-Са-обменного механизма при вхождении в клетку 3-4-х ионов Ка наружу выходит один ион Са (Уазаог!;, Нои^ег, 1972; Вепп1п£ег, 1976). Понижение Ша+]о может приводить к увеличению вывода Иа+ из клетки и соответственно к кратковременному увеличению потока Са2+ внутрь -клетки. Через 10-15 мин, когда градиент концентрации Иа+ установится на новом уровне, амплитуда ПД, У^ и У>накс уменьшаются. При возвращении препаратов в контрольный раствор эффект обратим.

Способность пейсмекерных клеток сердца голубя длительное время удерживать в гипонатриевых растворах высокую амплитуду ПД, V и V. мы об'ясняем большими запасами Са2+ в межклеточном

опеке 4

пространстве, чем у клеток лягушки и кролика.

Наблюдаемое вслед за под'емом снижение амплитуды ПД, ДЩ,^, Уо и У^ клеток водителя ритма сердца лягушки мы связываем с истощением запасов Иа2"1" в межклеточном постранстве. Поскольку это приводит к замедлению У4 и уменьшению длительности МДЦ, то можно предполагать замедление функционирования Ыа-К-насоса в течение первой фазы двухфазного изменения параметров ЦЦ пейсмекерных клеток при помещении препаратов в гшюнатриевый раствор.

Первую фазу двухфазной реакции у кролика и вторую фазу у голубя в гипонатриевых растворах удалось зарегистровать только в отдельных опытах. Это об'ясняется тем, что ЦЦ на препаратах кролика регистровали спустя 20-30 мин,.когда амплитуда и частота спонтанных сокращений уже резко снижались. На препаратах сердца голубя чаще всего удавалось регистрировать ЦЦ в первые 5 мин экспозиции в гипонатриевом растворе.

Таким образом, растворы с пониженной Ша+1о вызывали'в клетках водителя ритма синусно-предсердной области сердца лягушки, голубя и кролика кратковременное повышение амплитуды ЦЦ и Уомакс с последующим снижением этих параметров.

Влияние ионов кальция на генерацию ПД

Среди ионов, составляющих внутреннюю среду организма, кальцию принадлежит особое место. Благодаря своим физико-химическим особенностям и структуре, ионы кальция, наряду с электрогенной функцией, регулируют проницаемость мембраны, связываются со сложными биоорганическими молекулами, образующими различные внутриклеточные структуры, и вызывают в них конформационные изменения (Костюк, Чазов, 1989). Существует несколько систем транспорта Са2+ в клетке: Na-Ca-обменный механизм, АТФ-зависимая кальциевая помпа. Кроме того, кальций может диффундировать вдутрь клетки по градиенту концентрации (Tunstall et al., 1986; Miura, Kimura, 1989).

У клеток истинного водителя ритма сердца направленный наружу Na-Ca-ток участвует в генерации первой трети фазы диастолической деполяризации. Последующие две трети диастолической деполяризации обусловлены направленным внутрь Na-Ca-током (Giles, van Geneken, 1987). Обобщение проведенного нами исследования по влиянию гипока-льциевого раствора на генерацию ПД пейсмекерными клетками показало, что амплитудные параметры ПД изменялись при снижении [Са2+]в от 0,9-1,8 до 0 мМ/л. При этом величина потенциала превышения снижалась и у пойкилотермных, и у гомойотермных жиеотных. Максимальный диастолический потенциал повышался у голубя, снижался у миноги. В гиперкальциевом растворе потенциал превышения, как правило, возрастал, - снижался, а величина спонтанной деполяризации

практически не изменялась (табл.4).

Полученные данные согласуются с предстатвлениями об участии ионов кальция в генерации фазы быстрой деполяризации (Noma, Irisa-wa, 1976; Ruiz-Ceretti, 1976). Снижение наружной концентрации ионов кальция приводит к уменьшению направленного внутрь Na-Ca-токв, о чем свидетельствует снижение величины потенциала превышения и V

г «знаке

Уменьшение длительности диастолической деполяризации при снижении или повышении ССа2+1о у миноги, лягушки и черепахи в 1,5-3,0 раз по сравнению с контролем предполагает увеличение частоты спонтанных сокращений. Изменение наружной концентрации кальция вызыва-

Таблица4

о.

Влияние растворов с различным содержанием Са (»Л/л) на генерацию ПД клетками водителя

ритма сердца позвоночных

Конпентрация ®макс ОБ, вдд, Д%>, дадюо мдц, у о макс» у4,

М/л мВ мВ мВ мс мс мс В/с В/с мВ/с

Минога

0,9 контроль 0,45, 0 ,п=37 о =15 о =10 -83±2 -76±8 -70±2 •И±1 12^2 ¿6*1 10±1 9±0,4 8±1 - 200±20 190±15 170420 14004110 14004150 10304110 4,140,7 9,240,5 541 1.240.1 0,8040,07 0,7040,08 16,440,02 21420,2 26,0*0,4

Лягушка

2,6, 1,8, а =14 п =37 -62±2 -60±2 8±2 2±1 1342 9±1 260±20 250420 470440 530*30 750*50 '700*50 2,840,5 2,240,2 0,3240,03 0,3240,03 1840,4 1240,3

0,9 контроль^ 0 а =22 п =12 п =14 -68±2 -63±3 -67*3 7-2 5-2 13±1 15±1 12±1 ЗЮ±25 а210420 1804ДО Ч е р 530±40 560±50 400±30 е п а х а 910480 810470 620450 2,440,1 3,640,9 1,940,4 0,4040,03 0,3440,03 0,3440,03 1542 1943 1942

2,7, 1,8 п =20 п =10 -63^2 -60^2 24*2 18±3 6,0^0,5 841 1200±290 31204440 6,841,3 7,041,2 0,23*0,02 I,9*0,02 2,140,03

Таблица 4 (окончание)

Концентрация уЦ/л ®макс* ыВ ОВ, мВ над, мВ мс дод100. кс мдц, мс • v о макс' В/с > В/с V мВ/с

0,9 контроль,» =72 -60*2 12*1 6,0*0,3 1100*240 1470*310 3,0*0,6 0,19*0,01 . 4,1*0,

0,45, а =46 -62*2 13*1 6,0*0,7 - 1220*70 3950*400 3,0*0,1 0,26*0,02 1,5*0,

0 п =19 -76*2в 0,1*4,2 5,0*0,4 - 1500*300 1080*100 9*3 0,23*0,01 4,6*0,

Голубь

0,9, а =41 -65*2 2*3 11*1 62*6 110*40 215*40 4,6*0,6 1,4*0,2 51*14

1,8 контроль, а =71 -57*2 6,6*1,1 12*1 52*3 92*5 180*20 4,6*0,3 1,6*0,1 59*9

3,6, п =72 -62*1 6*1 13*1 42*2 а 76*2 140*25 6,4*0,5 1,5*0,1 92*18

Кролик

0,45, а =12 -54*3 -5*3 - - 220*10 220*10 0,9*0,1 0,40*0,04 51*7

1,8, а =27 -59*1 4,4*2,1 - - 230*10 220*20 2,0*0,3 0,4*0,08 70*6

3,6, п =12 ¿48*1 "13*1 - - 250*10 130*10 2,1*0,3 - 92*7

а Р < 0,05

б Р<0,01

в Р<0,001

jio неоднозначный эффект на длительность пика ПД, который определяет продолжительность сокращения миофибрилл клеток миокарда. Уменьшение длительности пика ЦЦ наблюдали в гипокальциевом растворе у миноги, лягушки и кролика. Обратную реакцию зарегистрировали у клеток синусно-предсердной области сердца черепахи. На полосках сердца голубя не установлено достоверных отличий. Физиологическое значение возрастания длительности пика ДЦ в гипокальциевых растворах заключается в том, что снижение [Са2+Зо уменьшает силу сокращения клеток миокарда. Поддержание необходимого минутного сердечного выброса может осуществляться за счет увеличения продолжительности сокращения или за счет повышения ЧСС. Если обратиться к нашим данным, то можно заключить, что у животных (лягушка, черепаха, кролик), стоящих на более высоких ступенях эволюционной лестницы, присутствуют обе компенсаторные реакции, которые протекает одновременно. У миноги имеет место только повышение ЧСО.

В гиперкальциевом растворе длительность пика ПД и длительность диастолической деполяризации, как правило, снижались, что должно приводить к повышению ЧСС. In vivo такая ситуация маловероятна, так как существуют механизмы выведения избытка кальция, ■ не связанного саркоплазматическим ретикулюмом и гликокаликсом.

Существенное значение для понимания эффектов кальция на генерацию ПД имеет рассмотрение производной нарастания амплитуды фаз ПД по времени. В перше минуты при помещении препаратов в' гипокальциевый раствор Чашлхс повышалась, а затем снижалась у всех исследованных видов. Эти факты подтверадают вывод о том, что ионы кальция участвуют в генерации фазы быстрой деполяризации клеток водителя ритмакролика (Noma, Irisawa, 1976; Kokubun et al., 1982). Что касается других видов, то нам известны данные, полученные на клетках предсердия и желудочка лягушки (Benninger et al., 1976) и морской свинки (Robinson, Sleator 1977). Отсутствие Са2+ в омывающем растворе приводило к снижению величины овершута и удлиняло пик ПД клеток предсердия. Урата и Гото (Urata, Goto, 1982) обсуждают две возможные причины удлинения пика ДЦ: подавление направленного наружу калиевого тока (lj,) и задержка направленного наружу тока неизвестной природы (1к). Ошима (Oshlma, 1969) на желудочке лягушки обнаружил повышение уровня порогового

потенциала, сопротивления мембраны, увеличение длительности диастолической деполяризации и снижение уровня плато, Спонтанная активность в гипокальциевых растворах прекращалась через 20 мин, но эффект был обратим. Фукуда и сотр. (Fukuda et al., 1984) представили данные о влиянии раствора без добавления кальция на генерацию ЦЦ клеток венозного синуса сердца лягушки. Эти данные показали, что амплитуда ПД снижается, длительность диастолической деполяризации уменьшается, а длительность пика ЦЦ увеличивается. Авторы заключили, что клетки венозного синуса, работающие в режиме водителя ритма, более устойчивы к гипокальцйевым растворам по сравнению с клетками рабочего миокарда предсердия, которые прекращали генерировать ПД раньше. Более того, они-приходят к выводу, что клетки Еодителя ритма способны генерировать ПД в бескальцибЕом растворе. Следует однако заметить, что продолжительность экспозиции в гипокальциевом растворе в этих опытах не превышала 60-ти мин. Наши наблюдения показали, что прекращение спонтанной генерации ПД наступает на 70-90-й мин экспозиции, а по визуальным наблюдениям спонтанные сокращения подавляются на 50-60-й мин при 20°С. У препаратов голубя генерация ПД клетками, работающими е режиме истинного водителя ритма, в синусно-предсердной области прекращалась на 15-20-й мин омывания бескальциеЕым раствором, а у миноги - продолжалась свыше 12 ч. Это может служить одним из доказательств усиления роли медленных Na-Са-каналов в генерации ПД клеток водителя ритма в эволюции позеоночных. Об этом же свидетельствуют эффекты, вызываемые блокаторами медленного направленного Енутрь тока. При воздействии ионов марганца (0,5-1,0 мМ/л) и соединения Д 600 (I мкМ/л) клетки водителя ритма сердца кролика быстрее прекращали генерировать Щ, чем у голубя, черепахи и лягушки,

В сЕете представленных доказательств интересно рассмотреть влияние наружной концентрации Са2+ на скорость реполяризации и спонтанной деполяризации. В гипокальциевом растворе V^ имеет тенденцию к снижению у Есех исследованных видов за исключением кролика. Согласно гипотезе Бреди, Вудбури (Brady, Woodbury, 1960), фаза реполяризации обусловлена выходом ионов калия из клетки. Если это так, то снижение V^ свидетельствует об участии ионов калия в регу-

ляции направленного наружу калиевого тока.

Одним из факторов, определяющих ЧСС, является величина скорости диастолической деполяризации. Изучение влияния ионов кальция на V4 имеет принципиальное значение, так как позволяет подойти к целенаправленному регулированию ЧСС. В настоящее время у большинства исследователей не вызывает сомнения участие Са-тока с друщми малыми токами (d^, lj., if) в генерации фазы спонтанной деполяризации (Noma et al., 1980; Yanagihara et al., 1980). Дискутируется вопрос о том, в какую из частей диастолической деполяризации, вклад ионов Са-тока - наибольший. У кролика гипокальциевый раствор приводил к уменьшению V4 на 30 %, гиперкальциевый - к увеличению приблизительно на 30 % по сравнению с контролем.

В основу обобщенной схемы возможного участия токов калия, натрия и кальция в генерации ПД двух типов пейомекерных потенциалов, различающихся по длительности пика ПД, положены полученные нами экспериментальные данные о влиянии ионов натрия, кальция и блокаторов Na-Са-тока на генерацию ЦЦ у представителей различных классов позвоно.чных, результаты моделирования электрической актив-кости клеток водителя ритма, а также сведения других авторов iYjinaglhara et al., 1980; Brown, DiFrancesco, 1980). У видов с длительностью пика ПД 0,1-0,3 с (минога, окунь, плотва) доля Са-;ока в генерации ПД мала. Не исключено, что он участвует в ак-тивапии миофибрилл, но не выходит из клетки. У клеток водителя ритма с ДПД100 от 0,5 до 0,8 с (лягушка, черепаха, кролик) фаза . быстрой деполяризации генерируется с участием Са-тока, который входит по медленным направленным внутрь каналам. Выход кальция каким-то образом сказывается на выходе ионов калия, а вероятнее всего Са-ток у этих видов заканчивается позже, т.е. уже в начале реголяризации. Пока не ясно, является ли длительное плато следствием задержки вхождения кальция или оно вызвано кальциевой зависимостью выхода калия.

Итак, развитие (становление) водителя ритма в эволюции позвоночных сопровождалось изменением чувствительности пейсмекерных клеток к наружной концентрации ионов ка-шая, что связано, вероятно, со структурно-функциональной перестрой; i ионных каналов.

Влияние температуры на генерацию пейсмекерных ЦЦ

В этом разделе обобщены данные о влиянии температуры на амплитудные и временные параметры ЦЦ клеток синусно-предсердной области сердца, пойкилотермных и гомойотермных животных. Температура как важнейший фактор среды, оказывающий постоянное воздействие на живые организмы, имеет особую значимость в определении уровня жизнедеятельности у пойкилотермных животных. Возможности ионного и температурного регулирования функции клеток водителя ритма актуальны для идентификации зон истинного и скрытого водителей ритма, кардиостимуляции, в кардиохирургии и при консервации органов и тканей.

В физиологии водителя рйтма влияние температурного фактора исследовано недостаточно полно. Известны работы, выполненные в основном на препаратах сердца лягушки и кролика (Uchiyama, 1962; Marshall, 1957). Установлено, что ЧСС с повышением температуры возрастала экспоненциально. При этом у интактных амфибий и кролика она была в 1,3-1,5 раз выше по сравнению с изолированным сердцем. В отличие от амфибий и кролика у миноги и костных рыб изолированные препараты сердца сокращались быстрее, чем у интактных животных.

Частота спонтанных сокращений зависит от длительности фаз ЦЦ и первых производных амплитуды фаз ЦЦ по времени. Из имеющихся в литературе данных (Burgen, Terroux, 1953; Hollander, Webb, 1955; Marshall, Willes, 1962) можно заключить, что величина потенциала покоя сократительных клеток предсердия гомойотермных остается постоянной в широком диапазоне температуры (25-37°С). и уменьшается при повышении температуры до 40°С или снижении ее до 2О?С. В отношении величины ЦЦ и овершута имеются противоречивые сведения. Одни авторы не обнаруживали изменений этих параметров в интервале температуры 25-37°С (Marshall, Willes, 1962), другие указывали на понижение амплитуды ЦЦ и овершута при понижении температуры от 37 до 25°С (Hollander, Webb, 1955). На желудочке сердца рыб, лягушки волокнах Пуркине козленка показано, что изменение длительности ПД происходит в основном за счет фазы плато (Coraboeuf, Weidmann, 1954; Gargoull, Coraboeui, 1957; Illanes et al., 1970). На клетках

желудочка кролика зарегистрировано изменение длительности ПД за счет фазы конечной реполяризации (Samson et al., 1977). В приведенных работах обращают внимание различия в методике поддержания жизнедеятельнсоти препаратов и, в первую очередь, разная скорость изменения температуры и время экспозиции при каждой температуре. Поэтому особую ценность приобрели данные, полученные на различных об'ектах в одинаковых условиях.

При анализе данных по влиянию температуры на генерацию ПД клеток водителя ритма у представителей различных классов позвоночных животных, мы сделали попытку ^ыяснить следующее: I) какому закону подчиняются изменения ЧСС, длительность фаз и первые производные .амплитуда фаз ПД по времени; 2) имеются ли межвидовые различия .зависимости амплитудных и временных парамтеров ПД от температуры.

У исследованных нами видов животных различали диапазоны температуры, в которых сохранялась ритмическая спонтанная активность полосок синусно-предсердной области сердца (табл.5). Мы провели анализ температурнойзависимости ЧСС и основных параметров ПД (длительность фаз ЦЦ, ДПД100, VojtaKc, V3, V^) по шести основным регрессиям. Находили коэффициенты линейной, экспоненциальной, гиперболической, степенной, логарифмической и параболической регрессий. Оценку значимости коэффициентов регрессии проводили по критерию Стьвдента, проверку адекватности модели - по критерию Фишера. Проводили также оценку тесноты группировки точек около кривой регрессии. Хотя зависимость изученных параметров от температуры можно адекватно описать всеми рассматриваемыми регрессиями за исключением параболической, средние арифметические значения при фиксированных значениях температуры наиболее тесно группировались около экспоненциальной кривой. Несколько неожиданным оказалось то, что данные, - полученные на препаратах плотвы и голубя, несколько лучше описывались уравнениями линейной регрессии.

Коэффициент в уравнении экспоненты показывает степень зависимости ЧСС от температуры. Судя по полученным данным, влияние температуры на ЧСС миноги и стерляди выражено в большей степени, чем, например, у лягушки. Среди пойкилотермных животных наибольшую частоту при всех температурах зарегистрировали у миноги, наименьшую -

Таблица 5

Влияние температуры на ЧСС полосок синусно-предсердной области разщх видов позвоночных

у у = А.еох

Вид Темп^атура*,

А Ъ о

Минога 0-25 10,0 0,-092 5,8

Стерлядь 0-24 8,4 0,112. 5,2

Плотва 0-25 16,0 0,100- 30,2

Лягушка 1-37 9,0 0,074 8,6

Черепаха 2-40 4,2 0,074 7,2

Голубь 20-46 7,1 0,089 74,9

Кролик 21-43 21,0 0,051 36,0

Диапазон температуры, в котором сохранялась ритмическая спонтанная активность препаратов.

Примечание. А и Ь - коэффициенты уравнения экспоненты; о -среднее квадратичное отклонение.

у черепахи.

Универсальным показателем, который наиболее часто используют для выражения температурной зависимости процессов является температурный коэффициент 01О. Мы рассчитали температурный коэффициент для ЧСС препаратов синусно-предсердной области исследованных видов животных. Величина 01О_2О У пойкилотермных еидов варьировала в пределах от 1,5 (ланцетник) до 4,1 (лягушка), у остальных видов - находилась в пределах 2-3, что свидетельствует о преобладании метаболической основы в реализации функции ЧСС. Следует иметь ввиду, что ошибка величины 01О, которая представляет собой соотношение скоростей процессов при двух температурах, различающихся на 10°, складывается из ошибок их определения. Для ЧСС ошибка 01О не превышает 10 %. Незакономерные изменения 01О в широком интервале температуры, по-видимому, связаны с изменением сос-

тояния мембраны и кинетических характеристик ионных каналов.

В обстоятельных исследованиях В.М.Покровского и сотр. (1984 установлено, что температурный предел устойчивого функционировали миокарда при охлахДбнии гомойотермных животных (кошка, собака наступает при 25°С. При снижении температуры от 25 до 2CfC нарастали процессы дезинтеграции, что, по мнению исследователей, обусловлено денервацией миокарда и развитием синусно-предсердной i предсердно-желудочковой блокады. Согласно нашим данным, спонтанна! ритмическая активность у препаратов кролика прекращалась при 20,5-0,2°С.

Многие авторы рассматривают температуру 20°С как критическун для гомойотермных. Установлено, что при температуре 20°С происходят изменения в липидном слое мембран, которые индуцируют конфор-мационные сдвиги в мембранных белках. Эти изменения контролируют протекание ферментативных реакций с участием транспортных АТФаг (Na, К, СА-АТФазы) (Walllck et al.,1978; Bhatnagar et al., 1984).

Согласно современным представлениям, гипотермия вызывает повышение внутриклеточной ССа2+]1. В результате для компенсации снижения ЧСС усиливается сила сокращения. Данная идея основывается на фактах, обнаруженных в опытах с волокнами Пуркине (Deitmar, Ellis, 1978). Нами установлено, что гипокальциевый раствор оказывал более сильное влияние на ЧСС полосок сердца миноги и лягушки при 5°С, чем при 20°С. В бескальциевом растворе охлаждение препаратов меньше влияло и на скорость диастолической деполяризации, чем в нормальном растворе Рингера. У клеток, работающих в режиме скрытого водителя ритма, ДПД10й при понижении температуры имела больший температурный коэффициент в гипокальциевом растворе по сравнению с нормальным (015_5 = 2 против Q1g_5 = 1,3-1,5 соответственно). Эти факты' позволяют предположить, что не только сократительная функция миокарда, но и генерация ПД сильнее зависят от [Са2+]о при гипотермии.

Температура является одним из факторов, способствующих изменению режима функционирования клеток на истинно пейсмекерный. В опытах с охлаждением полосок синусно-предсердной области сердца окуня, лягушки и черепахи удалось зарегистрировать у одной и той же клетки резкое увеличение амплитуды ПД и возрастание

в личина Q10 максимальной скорости нарастания ЦЦ у клеток, работающих в режиме скрытого водителя ритма, была выше, чем у клеток, работающих в режиме истинного водителя ритма.

Процессы температурной акклимации пойкилотермных сказываются ia электрогенезе фазы быстрой деполяризации и фазы конечной репо-шризации ПД. У животных с более высокой температурой акклимации фи охлаждении препаратов амплитуда ПД уменьшалась за счет величи-ш овершута, изменялись длительность фазы быстрой реполяризации, зазы конечной реполяризации и Чоылкс - Известны также различия в гакратительных характеристиках миокарда животных, обитающих в раз-шчных климатических зонах, а также сезонные изменения (Ведерни-сов, Орлов, 1972; Jakobs, South, 1976).

Эти факты отражают приспособление возбудимых клеток к ус-ювиям среды путем изменения свойств мембран. Согласно данным З.М.Кребса (1983), главные эволюционные адаптации, сезонные аккли-гации включают изменения липидного состава мембран. Индуцированные шпидами изменения конформаций белков затрагивают работу АТФаз-шх реакций, участвующих в транспорте ионов.

ВЫВОДЫ

I. Становление функции водителя ритма сердца в эволюционном )яду связано с возрастанием роли ионов кальция в генерации ПД кле-'ок водителя ритма:

- у позвоночных от круглоротых до млекопитающих уменьшается ¡ремя, в течение которого сохраняется способность клеток генериро-¡ать ПД в бескальциевом растворе;

- установлено закономерное возрастание длительности пика ПД ta уроше 100 % реполяризации в ряду: минога, стерлядь, окунь, [ягушка, черепаха, голубь, кролик;

- максимальная скорость нарастания ПД по времени, ха->актеризующая величину суммарного направленного внутрь клетки нат-ий-кальциевого тока, снижается;

- устойчивость клеток водителя ритма к действию марганца -¡локатору медленного Ca-Na-токэ - снижается в ряду пойкилотермных т миноги до черепахи.

2. На основании изучения внутриклеточных ЦЦ установлены критерии разделения клеток синусно-предсердной области сердца кругло-ротых, 8м£ибий, рептилий и птиц на истинный и скрытый водители ритма. К клеткам, работающим в режиме истинного водителя ритма, отнесены клетки с ^оыахс от 2 до 7 В/с, сохраняюще активность е гипонатриевых растворах и блокируемые ионами марганца.

3. Клетки, работающие в режиме истинного водителя ритма, проявляют более высокую чувствительность к наружной концентрации ионов кальция, чем клетки скрытого водителя ритма, тогда как последние реагируют на уменьшение концентрации ионов натрия в перфу-зируемом растворе. х

4. Ионы кальция являются не только носителями медленного направленного внутрь тока, но и участвуют в регуляции электрической активности клеток водителя ритма. В бескальциевом растворе на полосках синусно-предсердной области сердца черепахи зарегистрировано изменение режима работы клеток водителя ритма с латентного на истинно пейсмекерный.

5. Генерация ЦЦ клетками истинного водителя ритма при понижении температуры прекращается позже, чем клеток предсердного типа. Наблюдающиеся при этом волновые микросокращения в месте расположения клеток истинного водителя ритма целесообразно использовать для экспресс идентификации зоны локализации водителя ритма.

6. Влияние температуры на частоту спонтанных сокращений полосок миокарда, длительность фаз ЦЦ и первые .производные нарастания амплитуды ЦЦ по времени подчиняется экспоненциальному закону у всех исследованных видов.

7. Влияние температуры на длительность фаз пика ЦЦ и первые производные амплитуды ПД по времени выражено слабее при перфузиро-вании препаратов гипокальциевым раствором по сравнению с нормальным раствором Рингера.

8. На основании анализа данных физиологических опытов и результатов экспериментов на модели оценен вклад ионов № и Са в генерацию отдельных фаз ПД клеток водителя ритма сердца позвоночных.

9. Впервые установлена зона локализация клеток, работающих в рейиме истинного и скрытого водителей ритма в синусно-предсердной

области миноги, лягушки, черепахи и голубя. Наиболее удобным для изучения механизмов генерации ПД являются препараты синусно-предсердного кольца сердца черепахи и синусно-предсердной области сердца голубя.

10. Скорость диастолической деполяризации у представителей разных классов позвоночных варьировала в широких пределах' от 4 (черепаха) до 30 В/с (окунь, плотва).

11. Установлен двухфазный характер изменения параметров ПД (амплитуды, ДПД100, V^) пейсмекерных клеток при действии гипонатриевых и гипокальциевых растворов.

. 12. Выявлена способность пейсмекерных клеток пойкилотермных животных изменять режим работы в условиях согревания полосок или выведения Са2+ из перфузата, что повышает надежность генерации и проведения инициирующего импульса.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Монографии

1. Головко В.А., Клюшина И.В., Прошева В.И. Механизмы генерации и проведения возбуждения в сердце позвоночных животных. - Сыктывкар, 1978. - 77 с. (Рук. деп. в ВИНИТИ 12 июня 1978, N 1904-78 Деп.).

2. Головко В.А. Влияние ионов и температуры на ритм сердца. -Л.: Наука. 1989. - 152 с.

II. Научные статьи

3. Головко В.А. Величина и длительность фазы реполяризации трансмембранных потенциалов миокарда предсердия плотвы // Биологические исследования на Северо-Востоке Европейской части СССР. -Сыктывкар, 1975. - С. I16-120.

4. Головко В.А., Рощевский М.П. Потенциалы действия мышечных клеток истинного водителя ритма в синоатриальной области миокарда стерляди и окуня при температурных воздействиях // ДАН СССР, 1977. -Т.232. - N 5. - C.I208-I2I0.

5. Golovko VA, Roschevsky MP- Efiects of changes temperature on the transmembrane potentials and spontaneous rhythm of the SA muscle cells of teleost fishes // Adv. Cardiol. (Basel), 1977. -Vol. 9. - N 7. - P. 24-25.

6. Головко В.А., Рощевский М.П. Влияние температурной аккли-мации рыб на потенциалы действия предсердного типа мышечных клеток сердца // Экология , 1978. - N 2. - С. 37-43.

7. Golovko VA, Roschevsky MP. Peculiarities of generation of •the pacemaker transmembrane potantials of fish heart sinoatrial cells .// Modern electrocardiology /Ed. Z. Antaloczy. - BudapestAmsterdam, 1978. - P. 83-84.

8. Golovko VA Roschevsky MP Electrophysiological evidence of the conducting cell existence in the sinoatrial fish heart region // Progress in Electrocardiology / Ed. PW Macfarlane. - London : Pitman Medical, 1979. - P.447-450.

9. Головко В.А. Пейсмекерная активность клеток синусно-предсердной области сердца миноги, стерляди и голубя // Сравнительная электрокардиология. - Л.: Наука, 1981. - С.31-34.

10. Головко В.А. Действие ионов кальция на электрическую активность клеток синусно-предсердного узла голубя при разных температурах // Сравнительная электрокардиология. - Л.: Наука, 1981. -С.55-57.

11.Generation and conduction of excitation in the vertebrate heart / MP Roschevsky, DN Shmakov, VA Golovko et al. // New Fronties of Electrocardiology / Eds. P. de Padua, P Macfarlane. - London: Research Studies Press, 1981. - P.75-79.

12. Golovko VA. Calcium specificity of action potentials. Generation of the cells of sinoatrial region in the heart of lamprey and turtle // Electrocardiology'81 / Eds. Z. Antaloczy, I. Preda. - Budapest, 1982. - P.15-18.

13. Головко В.А. Роль ионов кальция при генерации потенциалов действия клетками водителя ритма синусно-предсердной области сердца черепахи//Физиол. ж. СССР, 1982. - Т. 768. - N 3. - С.379-384.

14. Головко В.А. Особенности генерации внутриклеточных потенциалов мышечных клеток венозного синуса сердца миноги // ДАН СССР, 1982. - Т. 263. - С.1506-1509.

15. Головко В.А. Эффекты ионов натрия и кальция на потенциалы клеток водителя ритма сердца лягушки // Физиол. ж СССР, 1986. - Т. 72. - N 7. - С.933-939.

16. Golovko VA, TIpans 10. Modelling of the effects of -Na+ and Ca2+ Ions on the generation of action potentials by r^bSit heart true pacemaker cells // Gen. Physiol. Biophys., 1986. - Vol.5. - N 6. - P.617-624.

Информационные материалы

17. Головко В.А., Рощевский М.П. Влияние изменяющихся температур на трансмембранные потенциалы и спонтанный ритм сино-атриальных мышечных клеток костистых рыб: Резюме II Международного конгресса по электрокардиологии. - Варна, 1975. - С.36-37.

18. Головко В.А. Влияние температуры на параметры внутриклеточных потенциалов миокардиальных клеток сино-атриаль- ного кольца стерляди и окуня: Тез. докл. III Всесоюзн.совещ. "Теория и практика автоматизации электрокардиол. исслед.". - Пущино, 1976. - С.7-9.

19. Golovko VA, Roschevsky MP. Specialities of generation of the pacemaker transmembrane potentials of fish heart sinoatrial cells: Abstr IV Intern. Congr. on Electrocardiol. Balatonfured.,

1977. - P.25-26.

20. Golovko VA, Roschevsky MP. Electrophysological evidence of the conducting cell existence in the sinoatrial fish heart region: Abstr. 5th Intern. Congr. on Electrocardiol. - Glasgow,

1978. - P.A-5.

21. Головко В.А., Рощевский М.П. Изменения в пейсмекерной активности мышечных клеток сино-атриальной области сердца стерляди и окуня при температурных воздействиях:- Тез. докл. VII науч. совещ. по эволюц. физиол., посвящ. памяти акад. Л.А.Орбели. - Л., 1978. - С.66.

22. Голоеко В.А. Пейсмекерная активность клеток синусовой области сердца миноги, стерляди и голубя // Проблемы сравнительной электрокардиологии. - Сыктывкар, 1979. - С.23.

23. Генерация и проведение возбуждения в сердце рыб, птиц и

млекопитающих / М.П.Рощевский, Д.Н.Шмаков, В.А.Головко и др.: Тез. докл. XIII с'езда Всесоюзн. физиол. об-ва. - Л.: Наука, 1979. -Т.2. - С.НО.

24. Generation and conduction of excitation in the heart / MP Roschevsky, DN Smakov, VA Golovko et al.:Abstr. 7th Intern. Congr. on Electrocardiol. - bisboa, 1980. - P.195.

25. Головко В.А. Исследование генезиса ПД в синусно-предсердной области сердца миноги, черепахи и голубя при воздействиях температуры // Биол. проблемы Севера: Тез, докл. симпоз. Ч. II. - Сыктывкар, 1981. - С.83.

26. Головко В. А. Воздействие ионов кальция на генезис потенциалов действия клеток синусно-предсердной области сердца черепахи // Теория и практика автоматизации .электрокардиол. и клинических исслед.: Тез. докл. - Каунас, 1981. - С.257-260.

27. Golovko VA. Calcium speciality of action potentials generation of the cells of sinoatrial region in the of lamprey and turtle: Abstr. 8th Intern. Congr. on Electrocardiol. - Budapest, 1981. - P.66.

28. Головко В.А. Температурные коэффициенты длительности фаз потенциалов действия клеток синусно-предсердной области сердца пойкилотермных // Общие проблемы экол. физиологии: Тез. докл. -Сыктывкар, 1982. - С.18-19.

29. Физиологическое моделирование сердечной деятельности / М.П.Рощевский, Д.Н.Шмаков, В.И.Прошева, И.В.Клюшина, В.А.Головко //• Отчет по программе сотрудничества стран-членов СЭВ и СФРЮ по проблеме "Исслед. в области биол. физики". - Пущино, 1982. -C.IV3-6.

30. Головко В.А. Электрофизиология водителя ритма в эволюции позвоночных // Достижения сравнительной электрокардиологии: Тез. докл. - Сыктывкар, 1985. - С.27.

31. Головко В.А. Воздействие наружной концентрации ионов натрия и кальция на генерацию потенциалов, действия клетками водителя ритма сердца голубя и кролика: Тез. докл. XII Мевдунар. конгр. по электрокардиол. - Минск, 1985. - С.184-185.

32. Головко В.А., Прошева В.И. Функциональные свойства клеток синусногпредсердного узла м предсердно-желудочкового клапана в

сердце голубя // Физиология патофизиология сердца и коронарного кровообращения: Тез. докл. - Киев, 1Э87. - С.44-45.

33. Antonova N., Golovko Y. Computer simulation of Iglcurrent role in the generation oi true pacemaker action potentials: Abstr. XVII Intern. Cdngr. on Electrocardiol. - Florence, 1990. - P.17.

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

ДПД100. ДПД50 - длительность спайка потенциала действия на уровне 100 или 50 % реполяризации, с или мс ~ максимальный диастолический потенциал, мВ

макс

ПД - потенциал действия, мВ

ЧСС - частота спонтанных сокращений, мин"1 + ?+

[Na [Са1о - концентрация свободных ионов натрия и кальция вне клетки, мМ/л NSA - синусно-предсердный узел VoMaKC - максимальная скорость нарастания ПД в фазу быстрой деполяризации, В/с V3 - скорость фазы конечной реполяризации, В/с V4 - скорость диастолической деполяризации, В/с или мВ/с

Выражаю сердечную признательность и благодарность своему постоянному консультанту академику М.П.Рощевскому и коллективу лаборатории сравнительной кардиологии Института физиологии Коми НЦ УрО. АН СССР. Автору оказывали дружескую помощь и консультации коллеги из Сыктывкара, Ленинграда, Каунаса, Киева, Москвы и Свердловска.