Клеточная структура, обмен веществ и энергии, функция сокращения и расслабления миокарда


Результаты научных исследований за последнее десятилетие выявили и в отношении сердечной мышцы, что структура, обмен веществ, обмен энергии, превращение энергии, а также специфическая функция сокращения-расслабления, хотя и не являются тождественными, но все же весьма тесно связаны между собой. При рассмотрении этих вопросов некоторые из них неоднократно повторяются, сливаются, но все же для, облегчения рассмотрения мы изложим эти проблемы, разделяя их на главы.

В настоящее время уже и для клинициста недостаточно знание только общих химических и биохимических процессов, хотя и о них нужно упомянуть, но для понимания нормальной и патологической сердечной деятельности и для применения правильной терапии требуется знание деталей. В еще большей степени это относится к клинической научно-исследовательской работе с точки зрения правильной постановки целей и успеха в работе.
 
Общее понятие о белках сердечной мышцы. Главная масса мышц, в том числе и сердечной мышцы, состоит из белка. При исследовании можно получить различные белковые фракции: 28% альбумина, 20% глобулина х, 40% миозина и 5% тропомиозина. Помимо них есть еще нерастворимые белки, которые вероятно принадлежат к строме мышечного волокна. Как вообще для других органов, так и для сердечной мышцы источником белка являются белки крови. Между сердечной мышцей и плазмой крови происходит определенный постоянный физико-химический процесс. Белки клеток сердечной мышцы, отдельные группы молекул и атомы этих аминокислот непрерывно обмениваются. Таким образом, не только кровь является источником белка для сердечной мышцы и вообще для мышц, но и наоборот могут происходить такие процессы, в которых возможный дефицит белка в плазме крови выравнивается прежде всего за счет мускулатуры. В клинике без этих знаний нельзя в данном случае понять патологические процессы сердечной мышцы, возникающие при наличии гипопротеинемий или диспротеинемий и не поддающиеся воздействию обыкновенного лечения. Здесь следует указать и на то, что при нормальных условиях в человеческой крови соотношение между различными белковыми фракциями довольно постоянное, и, если это соотношение патологически меняется, то меняются и условия коллоидного давления, возникает определенная форма отека. Лечение такого отека требует совершенно других мероприятий, чем отек чисто сердечного происхождения. Помимо этого, состояние белков и белковый обмен играют важную роль и при лечении препаратами наперстянки. Отдельные белковые фракции ведут себя по разному по отношению к гликозидам наперстянки. С этой точки зрения следует особенно отметить альбумины. 1 мг альбумина связывает 0,01 мг дигитоксина и, таким образом, очень важно, чтобы при применении дигитоксина не имела место гипальбуминемия. Знание того факта, что строфантин и дигиланид С значительно меньше связаны с белками помогает клиницисту тогда, когда следует проводить лечение недостаточности кровообращения при наличии гипопротеинемий или диспротеинемий.

Клеточная структура сердечной мышцы. Вообще, всякая структура как бы обеспечивает возможность выполнения функции. Это относится и к структуре мышечной клетки. Наиболее важной функцией мышцы является обеспечение движения кинетического характера. Ввиду того, что в организме существуют различные виды такого движения, в распоряжении организма в целом имеются различного вида мышцы. У человека как и у всех животных, стоящих на более высокой ступени развития, движения обеспечиваются т. н. «поперечно-полосатыми» и «гладкими» мышцами. «Поперечно-полосатые» мышцы обеспечивают движения, зависящие от воли, а «гладкие» мышцы - т. н. независящие от воли движения. Первые обычно являются быстрыми движениями, а последние - сравнительно медленными. Сердечная мышца не относится чисто ни к одному из этих двух типов, а находится где-нибудь между ними, но она скорее обладает такими свойствами, которые встречаются в первом типе; по крайней мере, основной механизм движения в поперечнополосатых скелетных мышцах и в сердечной мышце по своему принципу тождественный.

Мышца состоит из цилиндрических, волокон. Рассматривая волокно при нормальном свете, бросается в глаза его характерная поперечная полосатость: более темные поперечные линии и более светлые диски. При поляризованном свете картина обратная. Сегмент, окруженный при нормальном освещении двумя темными поперечными линиями, т. н. «мембраной Z», называется sarcomer. В центре sarcomer имеется более темная область, а в центре этой более темной области расположен «слой М».

Халл, Якус и Шмитт показали при помощи исследований под электронным микроскопом, что вещество, находящееся внутримышечной фибриллы состоит в преобладающей своей части из макромолекулярных волокон, «протофибрилл». Таким образом ясно, что точно так же, как макроскопическая мышца структурно состоит из пучков микроскопических волокон, структура волокна состоит из фибрилл, а последние - из пучков протофибрилл. Протофибриллы имеют геометрически точное пространственное расположение. Они являются сокращающимися - расслабляющимися элементами мышцы. По мнению некоторых авторов, мышца в целом сокращается, оказывает давление и расслабляется, потому что так действуют протофибриллы.

Химическое и функциональное значение этой микроструктуры клетки, а также ее объяснение, все еще спорные вопросы и являются предметом широких исследований. При рассмотрении этого вопроса мы уже затрагиваем, собственно говоря, и вопрос механизма мышечного сокращения. Исследования с одной стороны были направлены на то, чтобы изолировать сокращающийся элемент мышцы, с другой стороны на то, чтобы на этом материале, как на совсем простом экспериментальном объекте, анализировать процессы сокращения. Эти исследования проводятся уже почти в течение столетия. Кюне - в своих, считающихся теперь уже классических, исследованиях - смешивал свежесмолотую мышцу с раствором хлористого калия и, таким образом, вводил в раствор большое количество нерастворяющихся в воде белков. Этот белок он назвал миозином. В современных исследованиях Муральт и Эдсалл выявили двойное преломление растворов миозина. Вебер приготовил из растворов миозина способные сокращаться волокна белка. Энгельхардт и Любимова выяснили, что миозин способен расщеплять концевой фосфат АТФ точно так же, как аденозинтрифосфатаза, с другой стороны, подвешенное и нагруженное волокно миозина под влиянием АТФ растягивается. Таким образом, определенный вид белка, миозин, обладает одновременно энзиматическим свойством и способностью к изменению структуры. Сент-Дьердьи и его школа этот вопрос разработали дальше. Они выявили, что в мышце способный сокращаться белок, сам по себе не миозин, а комплекс, образованный с неизвестным еще в то время белком, с актином. Этот комплекс называется актомиозином. Актиновый компонент был изолирован Штраубом. Если к актомиозину прибавлялся АТФ, то он менял свою форму, волокна актомиозина как бы сокращались. Согласно исследованиям Якуса и Xалла, актин в мышце располагается в форме «бесконечно» длинных волокон, проходящих параллельно оси волокна. Согласно исследованиям Хаксли и Хенсона, вдоль актиновых волокон, проходящих в мышечных фибриллах, миозин находится в анизотропном слое. Установление этого приблизило нас еще больше к познанию молекулярной морфологической структуры мышцы в состоянии покоя, растяжения и сокращения. Актиновые волокна, по мнению Штрауба, состоят из небольших «глобулярных» молекул, линеарно связанных между собой, с молекулярным весом в 70 000. При обработке щелочью и ацетоном волокна распадаются на шарики, которые могут быть промыты дистиллированной водой. Это вещество называется «Г-актином». При прибавлении соли Г-актин вновь полимеризуется, приобретает волокнистую структуру. Это вещество называется «Ф-актином» (Ф = фиброзный). В Ф-актине шарики образуют волокна благодаря действию электрополярной силы. Эти волокна в случае удаления солей или в присутствии ионов с сильным отрицательным зарядом легко вновь деполимеризуются.

По Х. Штраубу для полимеризации требуется присутствие АТФ. В ходе этой реакции нуклеотиды дефосфорилируются. Миозин в значительной степени катализирует превращение Г-актина в Ф-актин. Ф-актин в случае низкой ионной силы исключительно быстро соединяется с миозином, образуя очень вязкий и способный сокращаться актомиозин.

Реакция актомиозина на прибавление АТФ зависит от исходного коллоидно-физического состояния и от концентрации ионов. В случае низкой концентрации ионов при прибавлении АТФ отдельные волокна актомиозина становятся более короткими и толстыми, т. е. по мнению Сент-Дьердьи «сокращаются». При высокой концентрации ионов при прибавлении АТФ актомиозин легко расщепляется. Диссоциированные актин и миозин могут быть отделены друг от друга ультрацентрифугированием.

Факты, установленные Энгельхардтом и Любимовой, заключаются по Сент-Дьердьи в том, что нарушается специфическая тесная связь, в то время как неспецифическая слабая связь сохраняется. Это прекращение специфической тесной связи Сент-Дьердьи называет «диссоциацией актомиозина». В состоянии покоя мышца содержит актомиозин в таком диссоциированном состоянии. АТФ, адсорбируясь со своими четырьмя отрицательными зарядами к миозину, играет важную роль в поддержании диссоциированного состояния актомиозина. В случае смерти АТФ расщепляется и образуется неэластический актомиозин. По мнению Эрдеша это и является причиной трупного окоченения.

В состоянии покоя в мышце притягивающие и отталкивающие силы актина и миозина находятся в состоянии равновесия. Это равновесие - по меткому определению Сент-Дьердьи - «висит на волоске». Уже такое изменение как «волнение» нарушает это равновесие, приводит к соединению актина с миозин-АТФ, и образуется комплекс актомиозин-АТФ, который переходит в фазу «сокращения», причем уменьшается содержание его свободной энергии. Разница в энергии используется для возникновения мышечной работы. Более значительная ионная сила в большой степени способствует действию отталкивающих сил. Так наблюдается, что концентрированный раствор соли способен вместе с АТФ в свежей мышце полностью оттолкнуть друг от друга актин и миозин, и при этом миозин растворяется. Это и имело место в упомянутом опыте Кюне.

На основании результата этих опытов Сент-Дьердьи и его школа пришли к выводу, что мышечное сокращение по существу является реакцией актомиозина с АТФ и его ионами.

Дальнейшие исследования показали, что молекулы миозина обладают комплексной структурой. Составные части они назвали «меромиозином». Одна молекула миозина содержит шесть частей меромиозина. Из них две могут быть отделены на основании одного, а четыре на основании другого молекулярного веса. Одна группа состоит из «тяжелого» «H-меромиозина», а другая - из «легкого» «L-меромиозина». Позже выяснилось, что эти частицы могут быть разделены на еще меньшие составные части, названные ими протомиозинами. Сент-Дьtрдьи пришел к выводу, что молекула миозина или, по крайней мере, ее «легкая» меромиозиновая часть состоит из небольших глобулярных единиц, соединенных между собой только действием электрополярных сил.

Следует еще отметить, что Сент-Дьtрдьи уже в 1949 году промывал мышечные волокна глицерином, и таким образом разрушалась мембрана, растворялись некоторые части растворимых веществ, но актомиозиновая система оставалась не затронутой. В таком состоянии он мог продержать мышечное волокно в течение длительного времени в замороженном виде. Потом он образовал взвесь в 0,1 м хлористого калия и привил АТФ, вследствие чего волокно опять сокращалось, вызывая такое же напряжение, как максимально при жизни. Вебер назвал эту мышцу, обработанную глицерином, «мышечной моделью». Сент-Дьердьи, однако, считает, что она не может рассматриваться как «мышечная модель», а как такая мышца, определенные части которой разрушены. Все же техника обработки глицерином сыграла большую роль в дальнейших исследованиях.

На основании всех этих данных Сент-Дьердьи сделал следующие выводы относительно химии сократительного цикла. Прежде всего с биохимической точки зрения он не может во всем согласиться с классическим положением физиологии, согласно которому цикл сокращения разделяется на две отдельные части: на сокращение и расслабление. По его мнению весь цикл определяется чувствительным и комплексным состоянием равновесия. Весь цикл связан с присутствием, помимо миозина, актина и АТФ, также и многочисленных ферментов и различных ионов: калия, кальция, магния, водорода. Вопрос, диссоциирует ли в этой системе актомиозин или наоборот находится ли он в состоянии «сокращения», зависит от актуального состояния данного равновесия.

Решение этого вопроса затруднялось еще тем, что упомянутые выше установления Энгельхардта и Любимовой вызвали дискуссию. Вопрос заключался именно в том, что миозин, с одной стороны, является своего рода энзимом, так как из АТФ он образует АДФ и фосфат, не изменяясь при этом, с другой же стороны, миозин не является энзимом, потому что его функция заключается не в расщеплении АТФ, а в том, чтобы вызвать движение. Сент-Дьердьи не считал бы миозин энзимом. По его мнению, АТФ связан с миозином и образует с ним определенную систему, в которой свободная энергия уменьшается тогда, когда она переходит в «сокращенную» модификацию. Если система в соответствующей степени насыщена, то израсходованная свободная энергия может превращаться в работу. Работа, АДФ и фосфат являются конечными продуктами реакции. Израсходованная свободная энергия восполняется в этой системе за счет рефосфориляции АДФ.

По мнению авторов, придерживающихся этого мнения, действительное «сокращение» является ничем иным, как эссенциальным совместным действием миозина, актина, АТФ и ионов. По Сент-Дьердьи «сокращение» внутри миозиновой молекулы является своего рода приближением. Что касается «расслабления», то оказалось, что «сокращенный» актомиозин может при помощи повышения концентрации ионов быть переведен в состояние «расслабления». Однако, в живой мышце происходит что-то другое. Для выяснения этого был проведен ряд исследований. Бозлер показал, что «сокращенная», обработанная глицерином, мышца может быть высокой концентрацией АТФ переведена в состояние расслабления, если экстрагирование не продолжалось длительное время. Это означает, что для расслабления требуется присутствие такого вещества, которое вымывается при длительном экстрагировании. По Бозлеру кальций играет центральную роль в деле сокращения. По Xейлбрунну впрыскивание кальция в живое мышечное волокно вызывает сокращение. По Бейли кальций способствует повышению активности миозин-аденозин-трифосфатазы, которая подавляется магнием. По мнению Марша, прибавление к различным мышечным препаратам, помимо АТФ, свежей мышечной вытяжки вызывало явления, похожие на расслабление. Гудалл и Сент-Дьердьи нашли в такой мышечной вытяжке один термостабильный и один термолабильный факторы: первый оказался фосфатом креатина, а последний - трансфосфорилазой креатин-АТФ. Из всего этого вытекает, что расслабление приводит в исходное состояние рефосфориляцию АДФ, возникшую в результате сокращения. По мнению некоторых авторов, фактор Марша является ничем иным, как миокиназой. По мнению других авторов, суть расслабляющего фактора Марша все еще не выяснена. В последнее время Портцель указал на то, что в мышце in vivo содержание АТФ всегда максимальное и, таким образом, факторы Гудалла и Сент-Дьердьи, Лоранда и Бендалл, являющиеся системами, синтетизирующими АТФ, не могут быть тождественными с физиологическим релаксационным фактором Марша. Точно так же следует оценивать фактор Мооса и Лоранда.

Функция актомиозин-КФ весьма чувствительна к изменениям ионного равновесия. «Сокращенная», обработанная глицерином, мышца расслабляется при понижении рН на 0,4 единицы. Кальций в очень малых концентрациях приводил к «сокращению» мышцы, а удаление кальция опять вызывало расслабление.

Следует упомянуть еще об одной серии опытов, результаты которой приближают нас к пониманию вопроса, каким образом преобразуется химически связанная энергия в механическую энергию. Мек Лафлин, Шиффман и Сент-Дьердьи выявили, что при применении соответствующего метода экстрагирования, полученное из мышцы кролика вещество содержит в большой концентрации ИДФ, и именно в этом веществе две трети нуклеотида состояли из АТФ, а одна треть из ИДФ. Флуоресцентными исследованиями удалось выявить, что этот ИДФ не тождествен с ИДФ, образованным из АТФ. Из этого ИДФ с солями цинка или кальция возникла система, содержащая нелокализованные электроны, способные на раздражение, не затрачивая при этом свою энергию. Сент-Дьердьи предполагает, что атом металла образовал с инозином т. н. хелат, причем он использовал оставшиеся две валентности, чтобы образовать хелат и с фосфатным концом молекулы. Он предполагает, что такие соединения образуются не только с кальцием, но и с магнием, причем не только с ИДФ, но и с ИТФ, АТФ и АДФ. Сент-Дьердьи считает, что на основании этих знаний можно объяснить превращение энергии фосфатной цепи в механическую энергию, в движение. Он предполагает, что подобно действию пептидаз, такое образование как металл-хелат ослабляет цепь Р-О-Р, которая расщепляется, и ее энергия проявляется у инозинового и у аденинового концов молекулы как эксцитационная энергия. По его мнению ясно, что наличие ИДФ в мышце дает объяснение активации аденозин-трифосфатазы кальцием и магнием, а также роль играет дезаминаза. До сих пор еще не было установлено, у какой точки цикла сокращения имеется дезаминаза. Сент-Дьердьи считает возможным, что АТФ сначала дезаминируется в ИТФ и затем дефосфорилируется, но возможно, что порядок как раз противоположный, и возможно даже то, что дезаминация и дефосфориляция происходят одновременно. Банга и Йозенович выявили, что мышца содержит такой белок, в присутствии которого АТФ дезаминируется и дефосфорилируется миозином. Уэбстер нашел, что в мышце существует дезаминаза и для АДФ и возможно трансферирование фосфата между ИДФ и КФ.

На основании всего этого Сент-Дьердьи представляет себе процесс одного подергивания следующим образом:

В состоянии покоя равновесие сил притяжения и отталкивания обеспечивает расстояние между актином и миозином. Под влиянием раздражения нарушается это равновесие и образуется актомиозин, вернее говоря, АТФ-актомиозин (АТФ адсорбируется к миозину). Таким образом освобождается такое количество энергии, сколько отдано клеткой, когда к АТФ присоединился концевой фосфат. При сокращении АТФ теряет свою энергию, и опять восстанавливается состояние равновесия.

Возвращение к исходному состоянию «покоя» наступает тогда, когда происходит рефосфориляция АДФ. Этот процесс отталкивает актин и миозин от АТФ, поскольку он растягивает молекулу миозина.

Нужно решительно сказать, что, как бы стройной не казалась теория Сент-Дьердьи, она признается не всеми авторами. Прежде всего нужно упомянуть, что из венгерских исследователей Эрнст и его сотрудники уже свыше 30 лет занимаются вопросами изучения сути сокращения - хотя и не сердечной мышцы, но - мышц вообще. На основании этой исследовательской работы Эрнст подчеркнул, что при исследовании вопроса мышечного сокращения и расслабления следует отделять друг от друга собственный обмен веществ клетки от специальной реакции сокращения. На основании своих исследований он пришел к выводу, что «сократительным веществом» при мышечном сокращении являются К и РО4. Сдвиги этих факторов играют большую роль в возникновении сокращения. Сокращение, эта специфическая мышечная функция, выпадает на фибриллы, в результате раздражения освобождаются ионы К и РО4 из недифундирующих соединений находящихся в мышце. В своих работах Эрнст доказал, что в мышце существуют такие недифундирующие соединения К и РО4. Автор изложил такой взгляд, что после окончания раздражения вышеприведенные ионы вновь «рекомбинируются», и это расслабление является противоположностью процесса сокращения. Следует подчеркнуть большое значение той установки Эрнста и Л. Шеффера, что при непосредственном раздражении мышцы лягушки последняя отдает в протекающую через нее жидкость калий и воспринимает из нее натрий. Это установление позже послужило основой для выдвижения теории Флеккенштейна. Помимо Эрнста и его школы, ряд других исследователей не согласен с теорией Сент-Дьердьи. Эти авторы приходят на основании своих исследований к такому выводу, что АТФ не участвует в реакциях, вызывающих сокращение или расслабление, и, по их мнению, АТФ не является источником энергии для сокращения. Они дали новую формулировку старой осмотической теории; например, Флеккенштейн выдвинул теорию «первичного осмодинамического аккумулятора энергии». Эта теория опирается на старые исследования Овертона, и, развивая их дальше, он считает на основании своих, исследований, что энергия сокращения происходит не от энзим этического расщепления химической системы, а, наоборот, от освободившихся при диффузном обмене К+-Na+. Своими взглядами они, собственно говоря, признают правильность результатов исследований Эрнста. Ленци тоже признает ту теорию, что сокращение волокон миокарда вызывается изменениями внутри- и внеклеточной концентрации К и Na.

На основании всего этого Ленци считает основой для функции мышечного сокращения возможность использования энергии, заключающейся в избирательном накопления калия и натрия той или другой стороной клеточной перепонки. При всех этих процессах, по его мнению, решающее значение имеют данные электрического поля. Таким образом, он считает для нормальной функции решающим фактором ни какой-нибудь определенный электролит, а наличие физиологического равновесия между различными катионами: особенно, равновесия между калием и натрием. Сокращение волокна миокарда вызывается изменениями внутриклеточной и внеклеточной концентраций калия и натрия. Ленци выдвигает мысль о том, что обратный синтез гликогена является подготовительной фазой электролитных положений.

В отношении всех этих взглядов Сент-Дьердьи указывает на то, что АТФ вызывает полное сокращение, созданная напряжение и выполняя в обработанной глицерином мышце такую работу, которая равноценна максимальной мышечной работе, проведенной in vivo. Далее он указывает на то, что расщепление АТФ и напряжение параллельны друг другу, что до сих пор в мышце не было обнаружено другое вещество, способное вызвать сокращение, и что напряжение всей мышцы зависит от концентрации в ней АТФ. По мнению Сент-Дьердьи, для того, чтобы отнесенные к АТФ отрицательные данные могли быть приемлемыми, нужно было бы сначала выявить то вещество, которое вступило бы на его место.

Таким образом, в области теоретического исследования вопросов мышечного сокращения, и в том числе сокращения сердечной мышцы, исследователи занимают две различные, противоречащие друг другу, точки зрения. Однако, клиницист с успехом может использовать результаты исследований обеих групп. Не подлежит сомнению, что для того, чтобы сокращающая-расслабляющая функция сердечной мышцы могла в данных условиях происходить соответственно предъявляемым к ней требованиям, структура миокарда, количество и соотношения входящих в него веществ должны быть физиологическими. Таким образом требуется, чтобы белки клеток сердечной мышцы количественно и качественно, а также состав внутри- и внеклеточных жидкостей сердечной мышцы были бы физиологическими. Только при этом условии сердечная мышца в состоянии длительно и в соответствующем темпе, непрерывно сокращаться-расслабляться, обеспечивать ту силу, которая необходима для поддержания общего кровообращения. Из теоретических исследований для клинициста ясно, что сокращение-расслабление является определенной функцией сердечной мышцы, и для этого непременно требуется, чтобы из внутри- и внеклеточного пространств в определенных фазах и в определенном темпе могли бы происходить определенные ионные сдвиги. Однако, для клинициста не подлежит сомнению, что обязательной предпосылкой к функции сокращения-расслабления является также и то, чтобы определенные процессы обмена веществ в клетках сердечной мышцы происходили бы физиологически. Для клинициста кажется приемлемым, чтобы энергия, требующаяся для сокращения и расслабления сердечной мышцы, обеспечивалась как биофизическими, так и биохимическими процессами в тесной связи между собой.

Обмен веществ и энергии в клетках сердечной мышцы. В живом организме для всякого процесса, будь он химического или физического характера, для клетки или ткани, в котором этот процесс происходит, требуется энергия. Эта энергия освобождается самими же клетками и тканями во время межуточного обмена веществ из питательных веществ. Таким образом, клетки и ткани нуждаются в питательных веществах или в энергии для поддержания собственной жизни клеток и тканей, а также для выполнения своей функции, проводимой в интересах сохранения жизни всего организма и для работы специального характера зависящей от качества ткани. Все эти определения относятся также к тканям и клеткам сердечной мышцы.

Сердце по существу является единством мышечных клеток, обладающих определенными специфическими свойствами, и хотя его деятельность на вид похожа на деятельность скелетной мускулатуры - она состоит из сокращения, затем расслабления и нового сокращения - все же обмен веществ сердечной мышцы до определенной степени отличается от обмена веществ скелетной мускулатуры. Ниже рассмотрим именно эти характерные особенности обмена веществ сердечной мышцы.

Страница 1 - 1 из 2
Начало | Пред. | 1 2 | След. | Конец

Женский журнал www.BlackPantera.ru:  Йожеф Кудас

Еще по теме:


Ваше имя:
Защита от автоматических сообщений:
Защита от автоматических сообщений Символы на картинке: