УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2008, том 39, № 3, с. 3-28
УДК 612.6
РОЛЬ КАЛЬЦИЯ В РЕАКЦИИ СЕРДЦА НА МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
© 2008 г. Д. В. Кондратьев1' 2, В. Е. Казанский1' 3, Ä. Г. Камкин1' 4
1 Кафедра фундаментальной и прикладной физиологии Российского государственного медицинского университета, Москва 2 Department of Physiology, Martin-Luther-University of Halle, Halle/Saale, Germany 3 Institute of Pharmacology, Humboldt-University, Berlin, Germany 4 Institute of Physiology, Humboldt-University, Berlin, Germany
В статье рассматривается роль Ca2+ в четырех возможных механизмах ответа сердечной мышцы на механическое воздействие. Во-первых, анализируется роль Ca2+ в изменении сократительной функции миокарда при механическом воздействии. Во-вторых, обсуждаются прямые доказательства перераспределения внутриклеточных ионов, происходящих при аксиальном растяжении одиночных кардиомиоцитов. Приводятся экспериментальные доказательства, которые связывают роль Ca2+ и механического воздействия. В-третьих, рассматриваются изменения электрической активности в ответ на механическое воздействие. В-четвертых, рассматривается роль Ca в экспрессии и секреции протеинов, активируемых механическим воздействием.
1. ВВЕДЕНИЕ
Са2+ - это важнейший регулятор процессов, протекающих на клеточном уровне в сердце. Например, при электромеханическом сопряжении есть связь между входящим током Са2+ через каналы ¿-типа во время потенциала действия, высвобождением Са2+ из внутриклеточных Са2+-хра-нилищ и связыванием Са2+ с тропонином С (ТпС). Этот процесс запускает образование поперечных мостиков, определяющих генерацию силы сокращения.
Исходя из понимания вопроса, какую важную роль играет Са2+ во многих процессах физиологии клетки, представляет интерес исследование и обсуждение его роли в механизмах, которые модулируются механическим воздействием. Эта связь действительно существует. В данной статье рассматривается роль Са2+ в четырех возможных механизмах ответа сердечной мышцы на механическое воздействие. Во-первых, обсуждается роль Са2+ в изменении сократительной функции миокарда при механическом воздействии. Во-вторых, приводятся прямые доказательства перераспределения внутриклеточных ионов, происходящие при аксиальном растяжении одиночных кардиомиоцитов. Мы попытаемся привести и обсудить экспериментальные доказательства, которые связывают роль Са2+ и механического воздействия. Далее, рассматриваются вопросы, затрагивающие изменения электрической активности клеток сердца в ответ на механическое воздействие. В заключение рассматривается роль Са2+ в экспрессии и секреции протеинов, активируемых механическим воздействием.
2. ИЗМЕНЕНИЕ СИЛЫ СОКРАЩЕНИЙ СЕРДЕЧНОЙ МЫШЦЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Увеличение силы сокращений при изменении длины сердечной мышцы, известное как закон Франка-Старлинга, по-видимому, представляет собой наиболее эффективную демонстрацию феномена, вызванного растяжением мышцы сердца [36, 114]. Однако, не смотря на многочисленные исследования механизма этого явления, он до сих пор до конца не понятен.
При растяжении сердечной мышцы происходит немедленное (через одно сокращение) увеличение силы сокращений, названное быстрым ответом. Через несколько минут, которые проходят после увеличения длины мышцы, вызванной растяжением, т.е. вслед за быстрым ответом, происходит дальнейшее увеличение силы сокращений, известное как медленный ответ. При возвращении длины мышцы к исходному уровню сила сокращений сердечной мышцы уменьшается [3, 39, 47, 64, 90]. Изменения внутриклеточной концентрации Са2+, проходящие при быстром и медленном ответах, возникающих в условиях растяжения мышцы сердца, существенно отличаются.
2.1. Механизмы развития быстрого ответа сердечной мышцы при растяжении
2.1.1. Взаимное перекрывание миофиламентов актина
Одна из попыток объяснить механизм зависимого от длины увеличения силы сокращения поперечно-полосатой мышцы (быстрого ответа)
Напряжение, % от максимального изометрического тетануса
100 80 60
40
20
60 80 100 120 140 160 Длина мышц, % от Lo
Рис. 1. Изменения активного изометрического напряжения в зависимости от длины мышечного волокна [1].
была представлена в известной работе Gordon и соавторов [45]. Известно, что сила, генерируемая во время сокращения, зависит от исходной длины мышечного волокна. Это видно в эксперименте, когда мышечное волокно растягивают и при каждой его длине регистрируют величину активного напряжения (tension) в ответ на растяжение (рис. 1). Длина, при которой мышечное волокно генерирует наибольшее активное изометрическое напряжение, называется оптимальной длиной, Lo.
Хорошо известно, что при длине мышечного волокна, равной 60% от Lo, волокно не генерирует напряжения в ответ на стимул. По мере растяжения волокна от этого исходного уровня активное изометрическое напряжение возрастает при каждом значении длины вплоть до максимума при длине Lo. В ходе дальнейшего удлинения волокна его напряжение падает. При длине, составляющей 175% и более от Lo, волокно не реагирует на раздражение (рис. 1).
Если длина волокна равна 60% от Lo или несколько выше, тонкие миофиламенты актина с противоположных концов саркомера взаимно перекрываются, мешая формированию поперечных мостиков и развитию силы. На скелетной мышце было показано, что восходящая часть кривой (левое плечо) графика зависимости "длина-напряжение" (рис. 1) может быть объяснена уменьшением зоны взаимного двойного перекрывания миофиламентов актина. По мере растяжения зона этого двойного перекрывания нитей актина уменьшается, что позволяет формировать поперечные мостики, и одновременно наблюдается возрастание кривой графика зависимости "длина-tension". Было также показано, что нис-
ходящая часть кривой (правое плечо) этой зависимости является результатом прогрессивного уменьшения зоны перекрывания филаментов миозина актином и, следовательно, снижением возможности формировать поперечные мостики.
Теория перекрывания миофиламентов предлагает 3 фазы для зависимости "длина-напряжение" в сердечной мышце. В первой фазе в сарко-мере длиной менее чем 2 миофиламента актина (примерно 2 мкм), растяжение будет увеличивать силу, прогрессивно уменьшая зону взаимного двойного перекрывания тонких филаментов актина до тех пор, пока не будет достигнуто оптимальное перекрывание тонких и толстых филаментов относительно друг друга.
До тех пор пока перекрывание, т.е. расположение нитей актина относительно миозина, остается оптимальным для создания поперечных мостиков, составляя примерно 2.0-2.2 мкм, для длины саркомера, сила будет оставаться постоянной (плато на графике - это вторая фаза). Третья фаза - правое плечо графика зависимости "длина-напряжение", т.е. нисходящая часть кривой (при длине более 2.2 мкм) будет отражать прогрессивное уменьшение в перекрывании толстого и тонкого филаментов и связанной с этим изменением способности образовывать поперечные мостики. Для сердечной мышцы зависимость "длина-напряжение", отражающая различные суб-макси-мальные уровни Са2+ запускающего процесс сокращения, отличается от предсказанной модели. Эти отличия связаны с тем, что регистрируется зависимость длины от напряжения при растяжении выше саркомерной длины 2.0-2.2 мкм. Реально, возрастающее плечо графика зависимости "длина-напряжение" значительно круче, чем для скелетных мышц или сердечной мышцы [3, 35].
Таким образом, показано, что зависимость "длина-напряжение" для сердечной мышцы не может быть полностью объяснена только механизмом перекрывания миофиламентов, т.е. с позиций взаимного расположения филаментов актина и миозина. Было показано, что возрастание в генерации максимальной силы (которая является результатом перекрывания миофиламентов и образованием поперечных мостиков и восстанавливающей силы, возникающей в результате стремления экстрацеллюлярного матрикса ткани принять исходное положение) составляет около 40% от увеличения силы, возникающей в результате растяжения [73]. Далее рассматриваются другие механизмы, которые вносят дополнительный вклад в зависимость "длина-напряжение" для сердечной мышцы. Также рассматривается роль Са2+ в этом процессе.
А
10 nA 100
] % Lmax 82
J 20 mN/mm2
10 nA
20 mN/mm2
0.5 s
Рис. 2. Изменения свечения экворина (aequorin) (индикатора [Са2+] - верхний рисунок) и напряжения (нижний рисунок) папиллярной мышцы кошки. Мышца была зафиксирована при растяжении Ьтах (г), затем расслаблена на 82% ¿тах (гг). Через 15 мин мышца из расслабленного состояния (¡¡г) была растянута до величины Ьтах (¡у) и зафиксирована в этом положении примерно на 15 мин (у). Наблюдались быстрые ответы мышцы на укорочение и удлинение, сила которых уменьшалась от (г) к (¡¡), и увеличивалась от (¡¡г) к (¡у) без изменения амплитуды приходящих изменений внутриклеточной концентрации Са2+. Наблюдался также и медленный ответ на укорочение или растяжение мышцы, как уменьшение от (¡¡) до (¡¡¡) или увеличение от (¡у) до (у) силы с соответствующим уменьшением или увеличением приходящих изменений внутриклеточной концентрации Са2+. А - запись эксперимента во времени, Б - среднее значение для 32 экспериментов. Частота стимуляции мышцы - 0.33 Гц при температуре 30°С [5].
2.1.2. Чувствительность тропонина миофиламентов к Ca2+
В 1982 г. Hibberd и Jewell [53] показали, что в сердечной мышце крысы, в препарате, где мог контролироваться уровень цитоплазматического Ca2+, концентрация Ca2+, необходимая для достижения полуактивации, была значительно меньше при увеличении длины саркомера. Это согласуется с зависимостью между длиной саркомера и увеличением чувствительности тропонина миофиламентов к Ca2+. Было показано, что это соответствие поддерживается для (1) большого диапазона суб-максимальных концентраций Ca2+, которые эффективны в инициации процесса сокращения и (2) длины саркомера, что отражается на левом плече зависимости "длина-напряжение" [72].
Использование Са2+-индикаторов дало возможность визуально следить за приходящими изменениями концентрации внутриклеточного Ca2+ ([Ca2+]) в зависимости от растяжения (в англоязычной литературе "приходящие изм
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.