Мембранная теория биоэлектрических явлений - электрокардиографическая диагностика
ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ
Клиническая электрокардиография ставит своей задачей изучение связи между электрофизиологических- и клинико-анатомическим состоянием сердечной мышцы. Дополнительно к другим методам клинического исследования электрокардиография позволяет получить информацию, полезную для клинической диагностики. Такая задача требует, с одной стороны, знания сущности электрофизиологии сердца, а с другой — знакомства в каждом отдельном случае с клинической картиной болезни. Изучение взаимосвязи между электрофизиологией и функциональным, а также клинико-анатомическим состоянием сердца и составляет предмет электрокардиографической Диагностики.
За 60 лет существования электрокардиографического метода исследования теоретические проблемы, касающиеся вопроса происхождения зубцов и интервалов, вылились в две основные концепции: 1) мембранная теория биоэлектрических явлений- 2) концепция сердечного диполя.
Еще в конце прошлого столетия (1896) Ю. В. Чаговцем была сформулирована физико-химическая теория природы биоэлектрических явлений. Опираясь на теорию электролитической диссоциации Аррениуса, автор разработал теорию, согласно которой наблюдаемые в живой ткани электрические токи являются диффузионными, возникающими вследствие ионных сдвигов. Разная концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов в различных участках ткани, создающая в итоге появление разности потенциалов, обусловливается различной подвижностью ионов. образующихся в ходе изменения обмена веществ (анионов и катионов).
Мембранная теория Bernstein (1912) явилась дальнейшим развитием идей Ю. В. Чаговца. О приоритете Ю. В. Чаговца в применении физикохимической теории происхождения биоэлектрических явлений сообщает в своем руководстве английский физиолог Starling (1931).
МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Теория возникновения биоэлектрических явлений, разработанная Bernstein (1912), заключается в следующем. Покоящаяся клеточная мембрана вдоль внутренней поверхности накапливает негативные ионы, а позитивные ионы — вдоль наружной поверхности. Каждый положительный заряд спарен и уравновешен своим антагонистом — отрицательным зарядом. Пара
зарядов, максимально близких друг к другу, но обладающих противоположным знаком, образует дуплет или электрический диполь.
Покоящаяся клеточная мембрана с ее двойным слоем зарядов, или диполей, находится в фазе поляризации (рис. 9, а). Чувствительный гальванометр, присоединенный к электродам, лежащим на поверхности покоящейся клетки, не реагирует вследствие наличия высокого сопротивления клеточной мембраны.
Рис. 9. Схема электрической активности изолированного мышечного волокна (объяснения в тексте).
Если приложить импульс возбуждения к какой-нибудь точке клеточной мембраны, то в этой точке сопротивление клеточной мембраны уменьшается и наступает обмен зарядов: положительные заряда диполя диффундируют внутрь клетки и нейтрализуют свой отрицательный компонент — наступает фаза деполяризации (рис. 9, б). Этот процесс последовательно распространяется на поверхности живой клетки и таким образом возникает движение зарядов от положительного к отрицательному, подобно тому как от положительного полюса электрической батареи ток течет к отрицательному полюсу. На поверхности изолированного мышечного волокна происходит количественный переход от потенциала * с более высоким уровнем к потенциалу с более низким уровнем. Сила, под влиянием которой происходит обмен электролитов, именуется электродвижущей силой.
Обычно обозначаемой начальными буквами ЭДС- последняя представляет собой разность потенциалов между двумя зарядами диполя. Как мы указывали, локальная деполяризация приводит к деполяризации соседнего участка поляризованной мембраны, которая в свою очередь создает условия для деполяризации другого участка- так происходит до тех пор, пока импульс возбуждения не охватит всю клетку и дальше весь клеточный комплекс (рис. 9в). Во время деполяризации мембранный ток течет на поверхности клетки таким образом, что позитивные компоненты диполя оставляют авангард фронта движения зарядов (см. рис. 9, б). Позитивные компоненты диполя возвращаются внутрь клетки, но уже позади фронта, где меняют отрицательные заряды на положительные. Таким образом, получается как бы подвижная дипольная система. При движении процесса деполяризации на поверхности мембраны положительный полюс ориентирован в направлении покоящегося участка мембраны, а отрицательный — в направлении уже деполяризованного участка. На границе между отрицательными и положительными полюсами диполя проходит так называемая нулевая линия, по которой происходит взаимная нейтрализация зарядов (рис. 9, г). Здесь разность потенциалов отсутствует, т. е. имеется нулевой потенциал.
*В биологической литературе часто применяют обозначение «потенциал» вместо «разность потенциалов». Следует подчеркнуть, что всюду, где говорится о потенциалах, подразумевается разность потенциалов между двумя точками.
Максимальное взаимодействие между компонентами диполя происходит по линии их соединения, по так называемой дипольной оси (рис. 9, г). Точка пересечения линии нулевого потенциала и дипольной оси называется дипольным центром, разделяющим два одинаковых, но противоположных заряда (рис. 9, г). Момент полной деполяризации всей мышечной клетки характеризуется тем, что внутриклеточная среда полностью изменила негативный заряд на позитивный, а поверхность мембраны, наоборот, из ранее позитивной стала негативной (рис. 9, в). Этот момент характеризуется отсутствием разности потенциалов и предшествует фазе реполяризации, которая начинается на том же участке, где впервые начался процесс деполяризации, но с той разницей, что во время реполяризации мембранный ток имеет движение совершенно противоположное, а именно в своем движении отрицательные заряды диполей идут впереди положительных (рис. 9, д). Процесс реполяризации продвигается по поверхности деполяризованной клетки таким образом, что внутриклеточная среда становится отрицательной, а наружная среда — положительной. С окончанием фазы реполяризации также возникает нулевой потенциал и вновь возвращается исходное состояние поляризации клетки (рис. 9, е).
Таким образом, мышечное волокно (рис. 9, ж) может быть полностью поляризовано (1) или же полностью (5) либо частично (2) деполяризовано. В первых двух случаях разность потенциалов исчезает.
Трансмембранный потенциал. С усовершенствованием микроэлектродов стало возможным измерение разности потенциалов между острием электрода, помещенным внутрь клетки, и электродом, лежащим на ее поверхности вблизи первого. Измерения можно производить как во время фазы «покоя» мышечного волокна, так и во время его возбуждения. Полученные при этом две величины определяют соответственно «трансмембранный потенциал покоя» и «трансмембранный потенциал действия». Когда оба микроэлектрода находятся на поверхности покоящейся клетки, световой луч осциллографа записывает нулевую линию (рис. 10А). Если же одним из электродов проколоть клеточную мембрану, то в момент прокола возникает резкое смещение луча иа экране осциллографа книзу от нулевой линии, обнаруживая при этом потенциал «покоя» клетки порядка 90 мв. Если же острие микроэлектрода прокалывает клетку насквозь и выходит с противоположной стороны, то луч осциллографа вновь возвращается в исходное нулевое положение. Различие в положении луча до и после введения микроэлектрода внутрь клетки определяет величину разности потенциалов между внутренней и внешней средой клетки, так называемый трансмембранный потенциал покоя клетки. Если же при этих условиях подвергнуть мышечное волокно раздражению, то в результате активности волокна возникает быстрое пикообразное колебание, поднимающееся примерно на +30 мв над нулевой линией- за пикообразным колебанием следует плато и нисходящее колебание. Это обращенное в одну сторону (монофазное) колебание представляет собой трансмембранный потенциал действия.
Рис. 10А. Трансмембранный потенциал изолированной мышечной клетки (модифицировано по Weidman, 1956).
Верхняя кривая - электрограмма. Монофазная кривая АБВГ —трансмембранный потенциал действия. Слева — величина потенциала.
а — стадия поляризации клетки- б — стадия деполяризации клетки: в — стадия ионного равновесия (полная деполяризация)- г — стадия реполяризации- д — стадия поляризации клетки- о—о — нулевая линия Справа вверху — электроды помещены на поверхность клетки- отсутствие разности потенциалов отображается нулевой линией о—о- справа внизу — ток покоя при внедрении микроэлектрода внутрь клетки. Разность потенциалов между внутренней и внешней средой клетки приводит к отрицательному колебанию 0—А, отображающему ток «покоя» клетки
На рис. 9 видно, что во время фазы «покоя» внутренняя среда клетки имеет знак —. Вовремя фазы возбуждения во внутренней среде клетки происходит изменение полярности (с — на +), так называемая реверсия потенциала.
Таким образом, трансмембранный потенциал действия (рис. 10А) состоит из трех основных моментов: начального быстрого колебания, соответствующего комплексу QRS электрограммы, плато (Б`В), соответствующего сегменту RS—Т, конечного колебания (В Г), соответствующего зубцу Т электрограммы. В монофазной кривой АБВГ отрезок О—Б (пик или «спайк») соответствует фазе деполяризации, после чего начинаются 4 фазы реполяризации.
В зависимости от изменения скорости выхода положительных ионов из клетки различают наиболее раннюю быструю (спуск кривой после вершины спайки), медленную (плато), конечную и диастолическую части реполяризации.
Чем быстрее происходит изменение трансмембранного потенциала, тем больше амплитуда соответствующего комплекса электрокардиограммы. Это правило объясняет различие в амплитудах зубцов электрокардиограммы. Амплитуда зубца Т будет приближаться к амплитуде зубца P
если процессы реполяризации будут совершаться так же быстро, как и Деполяризации.
Следует отметить, что различные ткани сердца обладают в норме различной формой и различными временными отношениями фаз трансмембранного потенциала (рис. 10Б).
Рис. 10Б. Трансмембранный потенциал желудочка (А), предсердия (J5) и соответствующие 4 фазы реполяризации (из Hoffman и Cranfield).
О — начальный быстрый подъем колебания — деполяризация- I — наиболее ранняя фаза реполя- р из а ции- 2 — медленная фаза реполяризации («плато»), 3 — конечная фаза реполяризации, 4 — диастолический период.
Согласно мембранной теории Bernstein, потенциал действия рассматривается как результат деполяризации мембраны, поэтому считалось, что величина трансмембранного потенциала покоя равняется величине потенциала действия. Однако при измерении обоих видов потенциала отмечено приращение потенциала действия на +30 мв по отношению к потенциалу покоя. Такие результаты получил Hodgkin (1951, 1952) при исследовании потенциалов гигантского аксона кальмара.
Объяснению причины приращения потенциала действия способствовала электрохимическая теория происхождения «токов действия сердца» (Hodgkin, 1951- Weidmann, 1951- Curtis, Cole, 1950- Huxley, 1959- Corabosuf, 1960).
Электрохимическая теория основана на гипотезе о возникновении разности потенциалов вследствие неравномерного распределения неорганических ионов по обеим сторонам клеточной мембраны (так называемого градиента концентраций ионов), в особенности ионов калия (К`) и натрия (Na"). Внутри клетки ионы К+ имеют более высокую концентрацию, чем во внеклеточной среде (примерно в 30 раз). Наоборот, концентрация Na+ в 10 раз более высока во внеклеточной среде. Разность концентраций между внутриклеточным калием (Кг) и внеклеточным калием (Ке).
или отношение Кi/Кe служит причиной того, что ионы калия стремятся диффундировать во внеклеточную среду. Обратная тенденция имеется у иона натрия, склонного диффундировать внутрь клетки. Однако в фазе «покоя» клетки диффузия ионов не происходит, так как клеточная мембрана, представляющая собой своего рода электрическое сито, непроницаема для ионов Na+. Влияние концентрационного градиента на диффузионную способность нейтрализуется благодаря электростатическим силам, которые удерживают ионы в стадии поляризации (рис. 10А,с). ЭДС потенциала покоя зависит от концентрации К+ внутри клетки и во внеклеточной среде. В покое проницаемость клеточной мембраны для К+ намного выше, чем для других ионов. Поэтому изменение градиента концентрации К+ должно повлечь за собой изменение потенциала покоя. При прохождении импульса проницаемость мембраны для ионов натрия значительно увеличивается по сравнению с проницаемостью для ионов калия (примерно в 500 раз). Наступающая при этом диффузия ионов натрия внутрь клетки (рис. 10А, б) является причиной того, что потенциал получает положительное значение. Трансмембранный потенциал действия оказывается выше трансмембранного потенциала покоя. Диффузия ионов натрия вызывает деполяризацию мембраны, продолжающуюся до тех пор, пока не будет достигнут максимум спайка. С этого момента начинается замедление диффузии, благодаря чему происходит снижение спайкового потенциала.
Рис. 11. Влияние некоторых ингибиторов на фазу реполяризации.
А — влияние хлористого никеля (по НесЫ, 1951)- а — до обработки миелинового нерва жабы хлористым никелем- б — возникновение длинного плато после обработки — влияние дигитоксина- а — нормальное плато электрограммы лягушки до опыта, б — исчезновение плато после введения в полость желудочка дигитоксина
С переходом спайка в плато прекращается дальнейший приток ионов натрия внутрь клетки. Эта фаза полного ионного равновесия отображается в форме плато Б`В (рис. 10А, в).
С этого момента начинает возрастать проницаемость мембраны для ионов калия. Увеличивающаяся диффузия калия во внеклеточную среду постепенно возвращает мембранный потенциал к исходному значению (рис. 10А, г). Другими словами, реполяризация продолжается до тех пор, пока не будет достигнута стадия поляризации клетки. Таким образом, на основании электрохимической теории утверждают, что трансмембранный потенциал покоя и трансмембранный потенциал действия обусловлены наличием двух попеременно господствующих источников ЭДС. Одним источником является наличие концентрационного градиента калия, определяющего трансмембранный потенциал покоя, нарушение которого происходит при изменении концентрации калия во внеклеточной жидкости. Другим источником является наличие концентрационного градиента натрия. Диффузия ионов натрия внутрь клетки приводит к возникновению трансмембранного потенциала действия. Обе ЭДС имеют противоположные направления.
Опыты на животных и изолированных тканях с применением микроэлектродов показывают, что изменения клеточного градиента К+ и Na+ вызывают непосредственное изменение элементов электрограммы.
Некоторые отравляющие вещества (2,4-динитрофеиол, натрий цианид, хлористый никель и т. п.) замедляют выделение Na24 из деполяризованной ткани. Hecht (1951) после обработки миелинового нерва жабы хлористым никелем получил резкое удлинение плато вследствие уменьшения концентрации внеклеточного калия (рис, 11, А). Введение дигитоксина в полость желудочка сердца лягушки приводит к полному исчезновению плато в связи с уменьшением концентрации внутриклеточного калия (рис. 11, б). На значение натрия для деполяризации мышцы указал Overton, который, погрузив мышцу в перфузат, не содержащий натрия, отметил, что мышца в этом случае утрачивает возбудимость. За последние 10 лет изучены с помощью микроэлектродов клеточные потенциалы различных областей сердца (предсердий, желудочков, специфической проводящей системы сердца, эмбриональных тканей и т. п.). Несмотря на то, что биопотенциалы сердца изучаются уже в течение столетия, многое продолжает оставаться невыясненным. Особенно интересен вопрос, каким образом объясняется внезапное увеличение проницаемости ионов натрия через клеточную мембрану. Полагают, что этот феномен связан с освобождением ацетилхолина, накапливающегося в покоящейся клетке. Как только импульс охватил клетку, освобождается ацетилхолин и его свободный эфир изменяет специфический белок клеточной мембраны, вследствие чего последняя приобретает свойство повышенной проницаемости для ионов натрия. Под влиянием холинэстеразы ацетилхолин быстро инактивируется, благодаря чему исходная структура белка восстанавливается, и мембрана вновь становится непроницаемой для ионов натрия.
