Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
15:53
25 сентября
Наука
Здоровье

Что помогает сердцу выдерживать нагрузки

Физик Андрей Цатурян о биомеханике сердечной мышцы
2 873
0
Расписание
Следующий выпуск
4 декабря 16:00
воскресенье: 07:00, 16:00
понедельник: 02:00, 06:00
вторник: 11:00
четверг: 13:00
суббота: 16:00

Благодаря каким основным механизмам сердце реагирует на нагрузки, как работают мышцы, и в чем заключается закон Франка — Cтарлинга, рассказывает доктор физико-математических наук Андрей Цатурян.

Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука»

Существует два типа мышц: мышцы поперечно-полосатые, к которым относятся скелетные и сердечные мышцы, и мышцы гладкие, которые выстилают наши внутренние органы. И гладкие мышцы устроены немного по-другому, о них мы не будем говорить.

Хотя для всех мышц, в том числе гладких, основные принципы, основные молекулярные моторы там одни и те же, тем не менее поперечно-полосатые мышцы обладают некими особенностями. В частности, там сократительные белки — актин и миозин — организованы в некоторые упорядоченные структуры. Эти структуры называются саркомерами, и образуются они системой нитей двух типов. Толстые нити образованы миозиновыми молекулами, они слипаются друг с другом. Из них торчат головки, молекулярные моторчики. Система двуполярная. Они смотрят в две стороны. И эти головки хватаются за нити другого типа, за актиновые, тащат их навстречу друг другу, и, собственно говоря, так происходит сокращение. Эти саркомеры одинаковые, и они все выстроены одинаково. Поэтому при большом увеличении — даже в оптический обычный микроскоп — видна поперечная исчерченность этих мышц. Поэтому их так и назвали.

Основное свойство мышц — это то, что эта ткань способна развивать значительные нагрузки. Скелетная мышца способна развивать давление в 3 атмосферы, сердечная — поменьше. Но это довольно мощный генератор силы, мощный мотор. Основное свойство мышечной ткани с точки зрения механики было открыто еще до войны английским физиологом, которого звали Арчибальд Вивиен Хилл. Он не любил почему-то свое имя, просил, чтобы его называли Эйви Хилл. Перед войной, еще в 1938 году, он обнаружил, что имеется универсальная связь между силой, развиваемой мышцей, между нагрузкой и скоростью ее укорочения. Это легко проверить на себе. Если взять и напрячь с максимальной силой бицепс, видно, что он натянут, он прочный. В данном случае локтевой сустав удерживается напряжением противоположной мышцы — трицепсом. И теперь, если сгибать локоть, то в момент, когда мышца укорачивается, вы видите, что она становится слабее, она не может быть так сильно натянута. Эта связь между силой и скоростью, некоторое универсальное свойство мышц называется связь сила — скорость и описывается уравнением Хилла. И есть две основные характеристики: максимальная сила, которую развивает полностью активированная мышца, и максимальная скорость укорочения ненагруженного (то есть когда мышца укорачивается безо всякой нагрузки), которая составляет несколько длин мышцы в секунду, в зависимости от типа мышцы.

Скорость и сила определяются в первую очередь моторным белком миозином. И миозины, конечно, в скелетных и сердечных мышцах разные, но не настолько. Один из сердечных миозинов — это тот же самый миозин, который есть в медленных скелетных мышцах. В этом смысле они различаются мало.

Чем они главным образом отличаются? Тем, как они управляются. Дело в том, что скелетные мышцы состоят из клеток, волокон, к каждому волокну приходит проводочек — аксон из мотонейрона, который находится в спине. И по этому аксону приходит электрический импульс, командующий каждой клетке, как ей сокращаться. Эти электрические импульсы возбуждают клетку, в результате происходит целая цепочка биохимических, биофизических процессов, в результате чего выделяются ионы кальция. Дальше эти ионы кальция запускают сокращение.

То, как кальций запускает сокращение, в миокарде и скелетной мышце похоже. На тонких нитях имеется длинный белок, окружающий актиновую нить, охватывает ее такой спиралью — это тропомиозин. Верхом на нем сидит другой белок — тропонин. И когда нет кальция, тропонин так поворачивает всю эту систему, что закрываются посадочные места на актине, куда должен садиться миозин, то есть у миозина нет доступа к актину. Соответственно, миозиновый мостик не образуется, сила не развивается, мышца расслаблена. Когда в системе появляется кальций, он связывается с тропонином. Тропомиозиновый тяж немного поворачивается, открывается доступ миозиновых головок, и они садятся, поворачивают всю эту систему и открывают ее дальше. Таким образом происходит сокращение. Кальций откачивается, они отцепляются, и таким образом мышца расслабляется. Все это очень похоже в сердечной и скелетной мышце.

Однако в сердце есть проблема: оно умеет сокращаться само. К каждой миокардиальной клетке не подходят отдельные нейронные импульсы. Их просто нет. Сердце, полностью отрезанное от всех нервов, чудесным образом сокращается. Значит, система управления должна обеспечить, чтобы этот орган сокращался независимо. Мы не можем управлять каждым моторчиком, каждым волокном. Оно должно сокращаться как единое целое. Это накладывает некоторые особенности, потому что сердце как орган должно реагировать на нагрузку.

Есть два основных механизма, благодаря которым сердце реагирует на нагрузку. Открыты они были, конечно, на уровне целого сердца. Но реализуются они на уровне одиночной клетки. Первый механизм — это зависимость силы сокращения от длины. Если брать кусочек ткани или одиночную клетку, растягивать ее до различной длины, удерживать постоянную длину и стимулировать, то получается сокращение, развивается некоторая сила. И величина этой силы, амплитуда этого сокращения очень сильно меняется с длиной. То есть, грубо говоря, весь диапазон работы сердечной мышцы — это примерно от 1,7–1,8 микрона длины саркомера до 2,3 микрона. Весь диапазон примерно 25% изменения длины. А сила при этом изменяется в разы. Эта длинозависимость (ее еще называют механизмом Франка — Старлинга) очень важна для работы сердца как органа, потому что чем сильнее заполнено было сердце, чем больше натекло в него венозной крови, тем сильнее оно сократится и выбросит ее, соответственно, левое предсердие в аорту, а правое предсердие — в легочную артерию. Похожий эффект есть и в скелетной мышце, но он куда менее выраженный.

В последние два десятилетия было проведено множество очень тонких экспериментов, в которых пытались понять, какова молекулярная основа закона Франка — Cтарлинга, почему сокращение сердечной мышцы так чувствительно к ее длине. На мой взгляд, ответа до сих пор нет. Каждые пару лет выходит статья «Ах, вот, наконец мы поняли». Но поскольку ответов слишком много… А ответы такого типа: в сердечной изоформе есть уникальная аминокислота, и если мы ее заменим на ту, что в скелетной мышце, то эффект Франка — Старлинга исчезнет; если мы возьмем этот белок из сердечной мышцы, вставим в него эту аминокислоту из скелетной, но вставим туда сердечную аминокислоту, то он возникнет. То есть, казалось бы, одна-единственная аминокислота может его сильно модулировать.

Но есть по крайней мере два других белка, которые тоже очень сильно влияют на этот эффект, если вносить в них какие-то мутации, менять изоформы. До сих пор не очень понятно, как это работает, что важно, потому что при недостаточности (когда совсем больное сердце) этот эффект ломается, эта способность так отличать на удлинение исчезает. Так что до сих пор довольно много загадок.

Вторая история понятная. Что должно уметь делать сердце и что свойственно каждой клетке — это изменение силы при изменении частоты стимуляции. Каждый из нас знает, что, как только физическая нагрузка возникает, например вы побежали, поднимаете тяжести, частота сердцебиений возрастает. При этом резко снижается сопротивление артериального русла, сосуды раскрываются. А увеличенная частота сокращений обеспечивает резкое увеличение количества крови, которое сердце прокачивает через себя.

С одной стороны, это связано с тем, что сердце растягивается при наполнении — это эффект Франка — Старлинга. Но вторая история — увеличение силы сокращений. Это было открыто давным-давно (я поговорю об этом позже), но это тоже реализуется на уровне клетки и связано с тем, что, в отличие от скелетной мышцы, где кальций выбрасывается в клетку в основном из внутриклеточных запасов, он выбрасывается, потом снова забирается во внутриклеточное депо. В сердечной мышце имеется сложный обмен кальцием между внутриклеточными депо, собственно этим сократительным аппаратом и внеклеточной средой. И это все вместе так организовано, так устроено, что с ростом частоты стимуляции, с увеличением частоты сокращений в клетке накапливается кальций. Соответственно, во время каждого следующего сокращения его выбрасывается больше, растет амплитуда сокращений. Происходит это не сразу. Если вы поменяли частоту стимуляции, то может быть несколько циклов сокращения, может быть несколько десятков циклов сокращения, чтобы набрать новую увеличенную силу. И это опять же реализуется на уровне отдельных клеток.

Наконец, есть еще одна история, а именно: бывают экстрасистолы, когда вместо того, чтобы возбуждающие импульсы приходили с постоянной частотой, через короткий промежуток времени появляется лишний путь. Механический ответ на него уменьшен. Сила сокращения. А потом, как правило, бывает пауза, увеличенный интервал между сокращениями. И следующее после этой паузы сокращение оказывается очень сильным. Все это тоже организовано на уровне перетока, перераспределения ионов кальция между разными внутриклеточными структурами. А достигается понятная нужная цель: если у вас появилось лишнее сокращение, то реагировать на него механически не надо, то есть выбрасывать много крови, ее там и не накопилось. Зато неизбежна пауза после такой лишней экстрасистолы, у вас накопился некоторый долг организму по части крови, и тут следующим сокращением вы выбрасываете больше крови и этот долг возвращаете. Таким образом, сердечная мышца на уровне каждой клетки подстраивается под потребности всего организма, под те требования, которые предъявляются к сердечному насосу.

И есть еще одно важное свойство (это как раз то, с чего мы начали, это то, что касается силы и скорости, что сердце должно уметь работать в довольно широком диапазоне нагрузки в смысле давления). Бывает гипертония, бывает повышенное давление. Если бы небольшое повышение давления прекращало бы сокращения, делало их очень неэффективными, нам бы пришлось довольно туго. И это тоже реализуется за счет связи между силой и скоростью. Когда мышца слишком сильно укорачивается, ее сократительная способность падает, поэтому она всегда останавливается более-менее на одном уровне укорочения. Благодаря этому получается, что на уровне буквально каждой клетки реализуются те потребности к этому материалу, из которого сделан насос, которые обеспечивают его свойства. А то, что остается делать уже центральной нервной системе или эндокринной системе, — это как-то модулировать эту историю. Понятно, что у вас частота сердечных сокращений может повыситься не только от того, что вы побежали и потребовалась нагрузка, но и от того, что вы занервничали, и, соответственно, выбрасываются некоторые вещества. Но в принципе само устройство сердечной мышцы такое, что все управление происходит внутри каждой клетки. Управляющий не должен знать, кто что делает. Все делают всё сами. Это, наверное, главный принцип, главное отличие сердечной мышцы от скелетной.

Изображение: depositphotos