1. Фаза 4: мембранный потенциал покоя
2. Фаза 0: подъем-быстрая деполяризация
3. Фаза 1: ранняя реполяризация
4. Фаза 2: плато
5. Фаза 3: конечная быстрая реполяризация
6. Фаза 4: восстановление мембранного потенциала покоя
7. Изменения потенциала действия в разных отделах сердца
8. Различия потенциала действия предсердий и желудочков
9. Внутрижелудочковые различия потенциала действия
10. Список использованной литературы

а) Фаза 4: мембранный потенциал покоя. E_m кардиомиоцитов предсердий и желудочков в покое остается постоянным на протяжении всей диастолы. Е_m покоя формируется за счет разности концентраций ионов с наружной и внутренней поверхностей мембраны, избирательной проницаемости мембраны (проводимости) в отношении различных ионов.

Значительные трансмембранные градиенты концентрации Na⁺, К⁺, Са²⁺, и Cl^- поддерживаются благодаря работе ионных насосов и ионных обменников (табл. 2).

В физиологических условиях и в состоянии покоя мембрана наиболее проницаема для К⁺ и относительно непроницаема для других ионов. Когда клетка находится в состоянии покоя, наибольшей мембранной проводимостью обладают К⁺ (g_K в 100 раз выше, чем g_Na), потому что в покое значительное количество К⁺-каналов открыто, тогда как Na⁺-каналы и Са²⁺-каналы в основном закрыты.

Таким образом, наибольший вклад в Е_m покоя вносят К⁺. Поэтому результирующий Е_m почти всегда равен потенциалу реверсии К⁺ (Е_m приравнивается к Е_K). Е_m покоя немного менее отрицательный, чем Е_K, потому что клеточная мембрана незначительно проницаема для других ионов.

В физиологических условиях в кардиомиоцитах предсердий, пучка Гиса, волокон Пуркинье и желудочков за поддержание потенциала покоя на уровне Е_K ответственны К⁺-каналы внутреннего выпрямления (Kir), пропускающие выходящий ток К⁺ внутреннего выпрямления (I_K1).

Каналы Kir обеспечивают избирательное перемещение К⁺ в клетку наряду с выраженным потенциал-зависимым спадом выхода К⁺ (т.е. снижением выходящего тока) при деполяризации мембраны. I_K1 является выпрямляющим и регулирует токи К⁺, которые могут изменять уровень Е_m.

При более отрицательном Е_m проводимость I_K1 намного больше, чем таковая для каких-либо других токов. Таким образом это сдерживает Е_m покоя на уровне, близком к потенциалу реверсии К⁺ (Е_K). Плотность I_K1 в кардиомиоцитах желудочков намного выше, по сравнению с предсердиями, что является особенностью этих клеток и защищает их от деполяризации мембраны в диастолу, а также от пейсмейкерной активности.

В кардиомиоцитах СА-узлов и АВ-узлов I_K1 почти отсутствует, что обусловливает наличие у них относительно большего потенциала диастолической деполяризации, по сравнению с кардиомиоцитами предсердий и желудочков (табл. 3). Выходящие токи К⁺ препятствуют деполяризации мембраны (сохраняя разность потенциалов на одном уровне) и иногда этот эффект называют эффектом фиксации потенциала.

Особым свойством токов через каналы Kir является необычная зависимость выпрямления от внеклеточной концентрации К⁺. В частности, с повышением уровня внеклеточного К⁺ соотношение тока I_K1 к напряжению смещается почти одновременно с Е_K и ведет к феномену перехода ("crossover", зависимость скорости открытия канала от потенциала, из экспоненциальной — в линейную).

Важное следствие этого феномена — повышение проводимости К⁺ при потенциалах, более положительных, чем точка перехода, вместо ожидаемого ослабления в результате его возрастающей внеклеточной концентрации.

Е_m покоя также поддерживается Na⁺-K⁺ аденозинтрифосфатазой (АТФазой) (K⁺/Na⁺-насосом), благодаря чему обеспечивается определенный трансмембранный градиент концентрации Na⁺ и К⁺. В физиологических условиях K⁺/Na⁺-насос переносит 2 К⁺ в клетку и 3 Na⁺ из клетки против их градиентов концентрации с затратой одной молекулы АТФ.

Поскольку стехиометрия движения ионов не равна 1:1, К⁺/Na⁺-насос является электрогенным и генерирует перемещение положительных зарядов из клетки (т.е. выходящий ток). При повышении частоты сердечных сокращений повышается частота перекачивания ионов К⁺/Na⁺-насосом для поддержания градиентов ионов на должном уровне. Таким образом, при каждой деполяризации происходит регуляция внутриклеточного входа Na⁺ и потери К⁺.

Во время поляризации и гиперполяризации E_m потенциал-зависимые Са²⁺-каналы закрыты, поэтому Са²⁺ напрямую не участвует в поддержании Е_m. Однако изменения во внутриклеточной концентрации свободного Са²⁺ могут влиять на другие значения проводимости мембраны. Повышение внутриклеточного уровня Са²⁺ может вызывать активацию Na⁺/Са²⁺-обменника (I_Na-Ca), который переносит 3 Na⁺ против 1 Са²⁺.

Направление перемещения этих ионов будет зависеть от внеклеточной и внутриклеточной концентраций Na⁺ и Са²⁺ и разности Е_m. Этот ионный обменник при E_m покоя и спонтанном высвобождении Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума обеспечивает массивный вход Na⁺, и, вероятно, вызывает временную деполяризацию мембраны.

б) Фаза 0: подъем-быстрая деполяризация. Если кардиомиоциты предсердий, желудочков или волокон Пуркинье возбуждаются при действии электрических стимулов от соседних клеток, их мембрана из Е_m покоя (приблизительно -85 мВ) переходит в состояние деполяризации. При этом активируются Na⁺-каналы, которые в состоянии покоя клетки находятся в инактивированном состоянии, т.е. не способны к быстрому перемещению большого количества Na⁺ в клетку (входящий I_Na) по элетрохимическому градиенту.

Возбужденная вследствие повышенной проходимости для Na⁺ мембрана больше не ведет себя как калиевый электрод (будучи проницаемой исключительно для К⁺), но больше сходна с натриевым электродом, и Ет смещается в сторону E_Na (см. табл. 2). Если возбуждающий стимул приводит к деполяризации мембраны и значение Е_m выходит за пределы порогового уровня и активируются Na⁺-каналы (приблизительно при -65 мВ), активированный I_Na становится регенеративным и больше не зависит от инициирующего деполяризацию стимула.

Вследствие этого, вход Na⁺ приводит к дальнейшей деполяризации мембраны, что еще больше увеличивает проводимость для Na⁺ и приводит к еще большему току Na⁺ в клетку (т.е. становится «регенеративным»).

В физиологических условиях одновременно с активацией Na⁺-каналов начинается и их инактивация (закрытие каналов), но поскольку инактивация происходит немного медленнее активации, каналы остаются некоторое время (менее 1 мсек) открытыми в фазе 0 потенциала действия для проведения I_Na, после чего закрываются.

Кроме того, вход Na⁺ повышает положительный заряд с внутренней стороны мембраны и приводит к ослаблению движущей силы для перемещения Na⁺. Когда значение мембранного потенциала достигает E_Na, вход Na⁺ прекращается.

Скорость деполяризации во время фазы 0 (т.е. максимальная скорость изменения напряжения во времени [dV/dt_max]) можно соотнести со скоростью и количеством входящих Na⁺ и показателем скорости проведения для распространяющегося потенциала действия (см. далее).

Порог активации I_CaL составляет от -30 до -40 мВ. Хотя I_CaL активируется во время фазы 0 регенеративной деполяризацией, вызванной быстрым I_Na, I_CaL намного меньше, чем максимальный I_Na. Более того, амплитуда I_CaL не является максимальной на уровне пика потенциала действия вследствие зависимой от времени естественной активации I_CaL, также, как и слабая движущая сила (Е_m - Е_Ca) для I_CaL.

Таким образом, I_CaL вносит небольшой вклад в потенциал действия, пока быстрый I_Na не будет инактивирован после завершения фазы 0. В результате этого I_CaL приводит к плато потенциала действия, что может быть зарегистрировано в кардиомиоцитах предсердий, желудочков, пучка Гиса и волокон Пуркинье. С другой стороны, I_CaL играет существенную роль в подъеме потенциала действия кардиомиоцитов с медленным ответом в частично деполяризованных клетках, в которых инактивированы быстрые Na⁺-каналы.

в) Фаза 1: ранняя реполяризация. Фаза 1, ранняя реполяризация, следует за фазой 0. Во время фазы 1 мембрана быстро реполяризуется, доходя до 0 мВ (ранняя фаза), что связанно как с инактивацией I_Na, так и с одновременной активацией некоторых выходящих токов. За фазу 1 ответственен главным образом временный выходящий ток К⁺ (I_to). I_to быстро активируется (менее 10 мсек) при деполяризации и затем быстро инактивируется (от 25 до 80 мсек для быстрого компонента I_to [I_to,f], и от 80 до 200 мсек для медленного компонента I_to [I_to,s]).

Реполяризация мембраны частично обусловлена входом К⁺ через каналы I_to, таким образом, формируется быстрая реполяризация (фаза 1) потенциала действия и устанавливается начальный уровень плато (фаза 2) (см. рис. 1). Кроме того, ранней реполяризации, вероятно, также способствует выходящий ток Na⁺ через Na⁺/Ca²⁺-обменник, работающий в реверсивном режиме.

г) Фаза 2: плато. Фаза 2 (плато) представляет собой точный баланс между деполяризирующими входящими токами (I_CaL) и небольшой остаточный компонент I_Na) и реполяризующими выходящими токами (сверхбыстро активируемый [I_Kur], быстро активируемый [I_Kr], и медленно активируемый [I_Kr] К⁺ токи задержанного выпрямления) (см. рис. 1).

Фаза 2 — наиболее продолжительная фаза потенциала действия, продолжающаяся от десятков (в предсердиях) до сотен миллисекунд (в пучке Гиса, волокнах Пуркинье и желудочках). Плато является уникальной фазой среди фаз потенциала действия всех возбудимых клеток и представляет собой фазу входа в клетку Са²⁺. Эта фаза наиболее четко отличает потенциал действия кардиомиоцита от коротких потенциалов действия поперечно-полосатых мышечных волокон и нейронов.

Деполяризация мембраны инициирует активацию I_CaL, который в основном ответственен за плато потенциала действия и определяет продолжительность этой фазы. I_CaL также является связующим звеном между деполяризацией мембраны и сокращением кардиомиоцита. Са²⁺-каналы L-типа активируются при деполяризации мембраны до уровня потенциала положительнее -40 мВ. I_CaL достигает максимума при Е_m, равном от 0 до +10 мВ и имеет тенденцию к реверсии при от +60 до +70 мВ с последующей куполообразной формой кривой на графике, отражающей взаимодействие ток-напряжение.

В фазу 2 также вносят незначительный вклад Na⁺-каналы. Некоторые Na⁺-каналы после фазы 0 потенциала действия не могут инактивироваться, длительно открываются, или их повторное открытие происходит через разные, продолжительные латентные периоды, в пределах сотен миллисекунд времени, что приводит к небольшому входу I_Na (менее чем 1% максимума I_Na). Этот следовый или «поздний» I_Na (I_NaL)/ наряду с I_CaL способствует поддержанию плато потенциала действия.

Деполяризация мембраны также приводит к активации I_Kr и I_Ks. I_Kr при этом активируется относительно быстро (в пределах 10 мсек), что способствует диффузии К⁺ из клетки по электрохимическому градиенту. Однако вслед за этим происходит очень быстрая потенциал-зависимая инактивация. Таким образом, лишь небольшое количество ионных каналов остаются открытыми, тогда как большинство остается в неактивированном состоянии, и они не способны к проведению возбуждения. Быстрая потенциал-зависимая инактивация ограничивает выходящий положительно заряженный ток через каналы и, таким образом, способствует поддержанию плато потенциала действия.

Плато потенциала действия необходимо для сокращения кардиомиоцита и предотвращает его преждевременное возбуждение. В конце фазы 2 потенциал становится менее положительным и каналы быстро восстанавливаются после инактивации. Такой процесс приводит к прогрессирующему увеличению амплитуды I_Kr во время фаз 2 и 3 потенциала действия с максимумом выходящего тока перед конечной фазой быстрого спада.

Также в поддержание фазы 2 вносит вклад I_Ks, который приблизительно в 10 раз больше, чем I_Kr. I_Ks активируется при деполяризации мембраны от -30 мВ и выше, и постепенно усиливается во время плато, т.к. скорость его активации крайне мала, медленнее, чем у других токов К⁺. В действительности, стабильная амплитуда I_Ks достигается только при очень продолжительной деполяризации мембраны.

Таким образом, вклад I_Ks в общий реполяризующий ток в фазу плато является наиболее поздним, особенно при продолжительном потенциале действия. Важно отметить, что хотя активация I_Ks происходит медленно относительно длительности потенциала действия, инактивация I_Ks происходит также медленно. I_Ks усиливается при повышении частоты сердечных сокращений, т.к. при укороченной диастоле происходит замедление инактивации каналов и она становится неполной. Так, при коротком потенциале действия многие каналы I_Ks остаются открытыми, что способствует ускорению реполяризации.

Таким образом, I_Ks играет значительную роль в частотно-зависимом укорочении длительности потенциала действия кардиомиоцита.

I_Kur выявлен в предсердиях, но не обнаружен в желудочках человека, таким образом, этот ток является преобладающим током задержанного выпрямления, который поддерживает реполяризацию предсердий и лежит в основе укороченного потенциала действия в предсердиях. Во время деполяризации в пределах фазы 2 I_Kur быстро активируется и проявляет внешнее выпрямление, однако медленно инактивируется в течение происходящего потенциала действия.

Незначительный вклад во время фазы 2 вносят Na⁺/Ca²⁺-обменник, работающий в прямом режиме (3 входящих Na⁺ против 1 выходящего Са²⁺) и Na⁺/К⁺-насос.

Важно подчеркнуть, что во время фазы 2 проводимость для всех ионов падает до довольно низких уровней. Таким образом, чтобы вызвать сходные изменения E_m, необходимо меньшее изменение тока при уровне потенциала, близкого к плато, чем при уровне потенциала, близкого к потенциалу покоя. Вследствие внутреннего выпрямления I_K1 (т.е. спада потенциал-зависимого выходящего тока и, таким образом, снижения выходящего тока) во время деполяризации мембраны проводимость для К⁺ во время плато падает, несмотря на значительные движущие силы, связанные с электрохимическим градиентом К⁺, во время фаз 0, 1, 2 потенциала действия.

Это свойство позволяет мембране деполяризироваться вслед за активацией Na⁺-каналов, замедлять реполяризацию мембраны и поддерживать более продолжительный потенциал действия кардиомиоцита. Также это обеспечивает энергетическую эффективность для генерации потенциала действия.

д) Фаза 3: конечная быстрая реполяризация. Фаза 3 представляет собой фазу быстрой реполяризации, которая возвращает Е_m к его значению в состоянии покоя. Фаза 3 происходит в результате повышающейся проводимости для выходящего быстро активируемого К⁺ тока задержанного выпрямления и выходящего медленно активируемого К⁺ тока задержанного выпрямления (I_Kr и I_Ks соответственно), токов внутреннего выпрямления К⁺ (I_K1 и токи К⁺, активируемые ацетилхолином [I_KACh]), и зависимая от времени инактивация I_CaL (см. рис. 1).

Конец реполяризации во время фазы 3 представляет собой выход К⁺ через каналы I_K1, которые открываются при потенциале -20 мВ.

е) Фаза 4: восстановление мембранного потенциала покоя. Во время потенциала действия Na⁺ и Са²⁺ входят в клетку, что приводит к деполяризации мембраны. Несмотря на быструю реполяризацию мембраны вследствие выхода К⁺, необходимо восстановление трансмембранного градиента концентрации до исходного уровня. Этому способствует Na⁺/К⁺-АТФаза (K⁺/Na⁺-насос, через который 2 К⁺ входят в клетку, а 3 Na⁺ выходят), а также Na⁺/Са²⁺-обменник (I_Na-Ca, который переносит 3 Na⁺ в обмен на 1 Са²⁺).

Снижение Са²⁺ в цитозоле во время диастолы достигается путем его выведения через Na⁺/Са²⁺-обменник, а также благодаря обратному захвату Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум при активации кальциевой помпы Са²⁺-АТФазы сарко/эндоплазматического ретикулума (SERCA). В условиях покоя кардиомиоциту человека для деполяризации, сокращения, расслабления и восстановления требуется приблизительно 600 мсек.

ж) Изменения потенциала действия в разных отделах сердца. В кардиомиоцитах, локализованных в различных областях сердца, наблюдается значительная разница в уровнях экспрессии ионных каналов, что отражается на продолжительности и форме потенциала действия. Потенциалы действия в кардиомиоцитах предсердий и желудочков имеют различные характеристики, также как и потенциалы действия в кардиомиоцитах миокарда желудочков в эндокардиальном, срединном и эпикардиальном слоях (см. рис. 2).

з) Различия потенциала действия предсердий и желудочков. Кардиомиоциты желудочков в покое, по сравнению с кардиомиоцитами предсердий, поддерживают более гиперполяризованный E_m (приблизительно -85 мВ по сравнению с -80 мВ, соответственно). Кроме того, у кардиомиоцитов желудочков потенциал действия более длительный, плато происходит при более деполяризованном Е_m (приблизительно +20 мВ) и кривая фазы 3 реполяризации круче по сравнению с таковой у кардиомиоцитов предсердий (см. табл. 3).

Различия морфологии потенциалов действия кардиомиоцитов предсердий и желудочков связаны главным образом с различиями в плотности ионных токов и экспрессии ионных каналов (особенно К⁺-каналов) этих кардиомиоцитов. Плотность токов I_Kr и I_Ks в предсердиях и желудочках сходная, тогда как I_Kur определяется только в предсердиях у человека. В действительности, во время реполяризации предсердий у человека преобладает ток задержанного выпрямления I_Kur, тогда как I_Kr и I_Ks вносят небольшой вклад в реполяризацию мембраны.

Кроме того, в кардиомиоцитах предсердий плотность I_to в 2 раза выше по сравнению с таковой в кардиомиоцитах желудочков. Экспрессия подтипов I_to (I_to,f и I_to,s) в сердце также различается. В предсердиях у человека экспрессируется в основномподтип I_to,f. Тогда как в желудочках больше экспрессируется I_to,s, а I_to,f — меньше по сравнению с предсердиями.

Значительно более высокая плотность I_to,f, наряду с экспрессией I_Kur, способствует усилению ранней фазы реполяризации и приводит к большему снижению потенциала до уровня плато и укорочению длительности потенциала действия в кардиомиоцитах предсердий по сравнению с желудочками.

В кардиомиоцитах желудочков намного выше плотность I_K1 по сравнению с предсердиями, и это объясняет резкое падение потенциала в фазу реполяризации в кардиомиоцитах желудочков (тогда как более значительный I_K1 играет большую роль в активации конечной фазы реполяризации) и менее выраженную фазу в кардиомиоцитах предсердий. Кроме того, более высокий уровень экспрессии каналов I_K1 лежит в основе гиперполяризованного E_m в покое в кардиомиоцитах желудочков, а также защищает кардиомиоциты желудочков от чрезмерной пейсмейкерной активности.

Некоторые другие К⁺-каналы характерны для предсердий и потенциально вносят значительный вклад в потенциалы действия кардиомиоцитов предсердий, но не желудочков. К ним относятся I_KACh, двухпористые К⁺-каналы (К_2P) и низкопроводные К⁺-каналы, активируемые Са²⁺ (SK).

и) Внутрижелудочковые различия потенциала действия. Потенциал действия различается в разных слоях миокарда, между левым и правым желудочком, от верхушки к основанию желудочков.

Трансмуральные различия желудочковой реполяризации обеспечиваются тремя основными типами кардиомиоцитов: эпикардиальным, срединным и эндокардиальным слоями миокарда. Эти различия определяют волнообразную форму потенциалов действия. Выраженными различиями морфологии кардиомиоцитов этих трех слоев являются выемка фазы 1 и форма «пик и купол» потенциала действия кардиомиоцитов эпикардиального и срединного слоев, по сравнению с кардиомиоцитами эндокардиального слоя. Длительность потенциала действия у кардиомиоцитов эндокардиального слоя больше, чем у кардиомиоцитов эпикардиального слоя. Самый длинный потенциал действия у кардиомиоцитов срединного слоя миокарда.

Особая выемка фазы 1 в потенциале действия волнообразной формы кардиомиоцитов эпикардиального слоя определяется региональными различиями в плотности I_to в миокардиальной стенке. Плотность I_to намного выше в эпикардиальном и срединном слоях миокарда желудочков по сравнению с эндокардиальным слоем. В желудочках экспрессируются как I_to,f так и I_to,s, при этом I_to,f имеет большую значимость в эпикардиальном и срединном слоях по сравнению с эндокардиальным слоем, тогда как I_to,s присутствует главным образом в эндокардиальном слое и клетках волокон Пуркинье.

Отчетливая I_to-зависимая выемка фазы 1 потенциала действия в кардиомиоцитах эпикардиального слоя, по сравнению с эндокардиальным слоем желудочков, формирует трансмуральный электрический градиент во время ранней реполяризации, что регистрируется на электрокардиограмме (ЭКГ) как волна J или элевация точки J.

Некоторые экспериментальные исследования на препаратах ткани убедительно свидетельствуют о наличии субпопуляции клеток в срединном слое миокарда (называемых М-клетками), которые отличаются особенными электрофизиологическими характеристиками. Однако эксперименты на здоровом сердце не подтвердили факт наличия этих клеток. Предполагаемые М-клетки, по-видимому, имеют более длительный потенциал действия, распространяющийся вдоль миокардиальной стенки, что в значительной степени объясняется более слабым током I_Ks, но более сильными поздними токами I_Na и токами через Na⁺/Ca²⁺-обменники в этих клетках.

Таким образом, предполагают, что М-клетки служат электрофизиологической основой трансмуральной желудочковой дисперсии реполяризации и волны Т на поверхностной ЭКГ, причем пик волны Т (на препаратах ткани) совпадает с концом реполяризации кардиомиоцитов эпикардиального слоя, а конец волны Т совпадает с окончанием реполяризации М-клеток. Эти клетки, по-видимому, играют важную роль в аритмогенезе при различных патологических состояниях, таких как удлиненный QT и синдром Бругада, вторичных по отношению к повышению трансмуральных градиентов реполяризации. Однако роль этих клеток при физиологических условиях остается противоречивой.

Помимо трансмурального градиента потенциала действия, который существует между тремя слоями миокарда в левом и правом желудочках, длительность потенциала действия в кардиомиоцитах правого желудочка (ПЖ) в целом короче, и морфология «пик и купол» более выражена по сравнению с левым желудочком (ЛЖ). Эти различия соотносят с повышенной плотностью I_to в кардиомиоцитах правого желудочка по сравнению с левым.

Также имеются доказательства различий в потенциалах действия в желудочках в направлении от основания к верхушке. По-видимому, продолжительность потенциала действия короче у кардиомиоцитов в основании ЛЖ по сравнению с верхушкой. Вероятно это объясняется более значительными I_to и I_Ks в кардиомиоцитах верхушки по сравнению с основанием.

- Также рекомендуем "Особенности потенциала действия кардиомиоцитов с медленным ответом"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 7.3.2026