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



В качестве введения следует указать на то, что сердце работает непрерывно, без остановки. За 60 лет жизни оно сокращается и расслабляется приблизительно 2,5 миллиарда раз. По расчетам К. А. Л. Ивенса, например, левый желудочек выполняет работу в 241 миллион кгм. Этой работой можно было бы поднять вагон весом в 33 000 кг на высоту в 7300 м.
 
В результате непрерывной работы сердца задачей обмена веществ является не только непосредственное обеспечение энергией для отдельных сокращений, но также и то, чтобы заменить израсходованную при отдельных сокращениях энергию и сделать сердечную мышцу способной для нового сокращения, т. е. для выполнения новой работы. Таким образом, во время сердечной деятельности, в ходе обмена веществ клеток сердечной мышцы, питательные вещества расщепляются многочисленными химическими реакциями, образуется необходимая для работы энергия и одновременно заменяется израсходованная энергия. Все это должно происходить бесперебойно для того, чтобы в сердце одно сокращение за другим происходило с такой силой, в какой нуждается организм в целом.

Ткани и клетки сердечной мышцы получают необходимую для выполнения своей специфической функции энергию при физиологических условиях в первую очередь и в преобладающей своей части за счет тканевого, клеточного расщепления углеводов или межуточных продуктов углеводного обмена: молочной кислоты, глюкозы, гликогена. В тканях, клетках человеческого организма расщепление углеводов, в общем, может происходить в двух фазах: в анаэробной и аэробной.

Анаэробная фаза, гликолиз. Анаэробное превращение углеводов, ведущее к образованию молочной кислоты, называется гликолизом. С энергетической точки зрения значительно выгоднее, если углеводы по вышеприведенной общей формуле расщепляются на СО2 + Н2О. При физиологических условиях этот процесс так и происходит, однако, с точки зрения сердечной мышцы все же очень важно, что глюкоза и гликоген в состоянии также и анаэробным путем расщепляться до образования молочной кислоты. Этот процесс предоставляет - при патологических условиях на некоторое время - возможность для того, чтобы сердечная мышца была в состоянии покрывать хотя бы некоторую часть своей потребности в энергии даже в том случае, если наступает временная аноксия или гипоксия тканей, клеток сердечной мышцы. При этом анаэробном процессе расщепление углеводов, конечно, сопровождается освобождением значительно меньшего количества энергии, но все же клетки, ткани сердечной мышцы в состоянии использовать освобождающуюся таким образом энергию и в течение короткого времени обеспечить условия жизни клеток и тканей сердца.

Потребовалась работа очень многих исследователей для того, чтобы выяснить процесс этой анаэробной фазы. В настоящее время уже довольно ясно, что в ходе гликолиза из углеводов с использованием неорганических фосфатов образуются фосфатные эфиры. Эти эфиры в ходе ферментативных превращений преобразовываются в фосфаты, обладающие большой энергией, с которых при помощи энзимов фосфоферазов фосфат переходит на аденозиндифосфат и образует аденозинтрифосфат. В ходе молочнокислого брожения глюкозы или гликогена, таким образом, в расчете на одну единицу глюкозы образуется четыре молекулы АТФ. В это время в реакции фосфофруктокиназы израсходуется одна молекула АТФ и, таким образом, конечный результат: три молекулы АТФ. Итак, расщепление углеводов до молочной кислоты сопровождается освобождением свободной энергии в 58 000 калорий. Концевая фосфатная связь одной молекулы АТФ представляет приблизительно 11 500 кал. энергии. В ходе этого процесса преобладающая часть этой энергии не освобождается в форме тепла, а приблизительно 60% включается в АТФ.
 
Аэробная фаза. В аэробной фазе - как мы видели - расщепление происходит до молочной кислоты или до пировиноградной кислоты. Расщепление молочной или пировиноградной кислот в человеческом организме происходит лишь при наличии достаточного количества кислорода т. е. аэробным путем по существу в цикле Сент-Дьердьи-Кребса. Перед тем, как пировиноградная кислота вступает в цикл Сент-Дьердьи-Кребса, она переходит при помощи комплексной ферментной системы - в которой участвуют карбоксилаза, кодегидрогеназа, коэнзим А, а также другие факторы, в том числе недавно открытая липоновая кислота (дитио-октановая кислота) - в форму т. н. «активной уксусной кислоты». Таким образом, пировиноградная кислота нуждается для проведения этого т. н. окислительного декарбоксилизационного процесса помимо достаточного количества кислорода - как было уже сказано - в пирофосфорнокислом эфире витамина В1 (в кокарбоксилазе). Если нет достаточного количества кислорода и кокарбоксилазы, то наступает нарушение начальной стадии этого аэробного процесса.

Активная уксусная кислота - которая, впрочем, образуется и при расщеплении жирных кислот, а также при расщеплении углеродной цепи многочисленных аминокислот - является важным межуточным соединением в обмене веществ. Уксусная кислота в этой форме способна также и на самые различные синтезы (например, жирных кислот, холестерина и т. д.), и она может быть перенесена также и на другие соединения (например, когда образуются N-ацетиловые соединения и ацетилхолин). Организм вырабатывает большое количество активной уксусной кислоты ввиду того, что она является промежуточным продуктом расщепления всех трех питательных веществ. Организм в состоянии выработать ежедневно такое количество «активного ацетата», которое соответствует приблизительно 1% веса тела. Активный ацетат является богатым энергией соединением, состоящим - как установил Линен - из ацетил-коэнзима А, в котором ацетат связан с коэнзимом А тиоэфирной связью. Связь С-S обеспечивает на каждый мол около 12 000 калорий свободной энергии.

Первым шагом цикла Сент-Дьердьи - Кребса является то, что «активный ацетат», «кондензационный фермент» вступает в связь со щавелевоуксусной кислотой при одновременном образовании

Преобладающая часть энергии, освобождающейся в ходе аэробной фазы, точно так же включается в АТФ, как и энергия, возникающая в ходе анаэробного расщепления. Богатые энергией фосфатные связи АТФ предоставляют энергию для самых различных клеточных процессов организма. АТФ является транспортной формой богатых энергией фосфатных соединений. Это соединение может быть названо также и коферментом фосфорилизующего энзима.

Образующийся одновременно при расщеплении межуточных продуктов питательных веществ АТФ при нормальных условиях немедленно используется вновь в процесса, требующих затраты энергии, так что в качестве фосфатного акцептора всегда имеется в распоряжении АДФ. Накопление образовавшегося АТФ может привести к расстройствам обмена веществ. Излишнее количество АТФ расщепляется в организме аденозинтрифосфатазой или апиразой.

Эти химические и биохимические познания в отношении сердца имеют для клинициста очень большое значение. В особенности следует подчеркнуть следующее. Кажется доказанным, что значительная часть продуктов окисления тканей, клеток сердца при физиологических условиях происходит из углеводов. При соответствующем обеспечении кислородом сердце прежде всего использует содержащуюся в крови молочную кислоту, полученную аэробным путем а при не совсем удовлетворительном обеспечении кислородом временно наступает перевес анаэробных процессов, где необходимая энергия освобождается в ходе расщепления глюкозы или гликогена в молочную кислоту. Наряду с этим, однако,. г дует считать возможным, что сердце в состоянии окислять помимо углеводов также и жир. Опыты Клар-Гедди и Стюарта показали, что отравленное йодоуксусной кислотой лягушечье сердце, даже в случае полного отсутствия молочной кислоты и сахара, смогло окислением жирных кислот освободить столько энергии, чтобы поддержать возможность непрерывного сокращения. Наблюдения, проведенные Барнсом, Мак Кеем, Моу и Фисшером на сердечно-легочном препарате, показали, что сердце непосредственно использовало Д-оксимасляную кислоту пропорционально ее концентрации в крови.

Некоторые авторы предполагают, что сердце может использовать также белки и что оно дезаминирует аминокислоты. Другие авторы не подтвердили это и, таким образом, вопрос о том, способно ли сердце непосредственно окислять белки, пока еще должен считаться спорным.

Обмен веществ тканей и клеток сердца, таким образом, характеризуется тем, что в ходе непрерывной работы сердца, при каждом его сокращении, во время механической работы затрачивается энергия, и параллельно с этим после всякого сокращения начинается целый ряд химических реакций, чтобы немедленно заменить энергию, превращенную в механическую работу и в тепло, и чтобы мышца была способна к следующему сокращению. Таким образом, непрерывно израсходуется энергия и одновременно заменяется за счет процессов расщепления питательных веществ. Это расщепление питательных веществ происходит при нормальных условиях, при наличии достаточного количества кислорода, в преобладающей своей части аэробным путем, однако, при некоторых условиях и в определенных пределах - как мы уже указали - ткани и клетки сердца способны при отсутствии достаточного количества кислорода временно приобретать энергию, израсходованную при сокращении, преобладанием анаэробных процессов. Таким образом, ткани и клетки сердца способны обновлять свою силу как аэробными, так и анаэробными процессами обмена веществ или переплетением этих двух процессов. Практически это означает, что после всякого сокращения замен израсходованной энергии происходит таким образом, что процесс, приводящий к замене энергии, начинается анаэробным расщеплением источников энергии. Источниками энергии являются по существу аденозинтрифосфат, креатинфосфат и гликоген. Это анаэробное расщепление затем прекращается, и наступает производство энергии, получаемой окислением, т. е. аэробным расщеплением, воспринимаемых из крови питательных веществ.

При наличии достаточного количества кислорода ткани, клетки сердца используют из крови в качестве питательного вещества в первую очередь молочную кислоту, а в данном случае также и жирные кислоты. Если не имеется достаточно кислорода, то производство энергии временно происходит анаэробным путем, и в таких случаях энергия получается отчасти из глюкозы крови, отчасти же из запасов энергии. Предпосылкой для того, чтобы эта анаэробная фаза процесса хотя бы временно была эффективной, требуется, чтобы собственное венозное кровообращение и лимфообращение сердца были бы удовлетворительными и чтобы конечные продукты анаэробного расщепления - в первую очередь молочная кислота - соответствующим образом удалялись бы из сердца.

Использование содержащейся в крови глюкозы в качестве питательного вещества зависит по мнению Шуманна от двух факторов: 1) от величины концентрации сахара в крови и 2) от благополучия собственного кровообращения сердца, кровотока в венечных артериях и в венах и лимфообращения. Таким образом после сердечных сокращений анаэробная фаза непрерывного восстановления энергии происходит лишь тогда если сердце имеет в своем распоряжении достаточное количество глюкозы в крови, если сердце располагает достаточными запасами гликогена и если его собственное венечное кровообращение обеспечивает соответствующие условия для удаления молочной кислоты, образующейся в ходе анаэробного расщепления. Благоприятно влияют на этот процесс кислые или щелочные реакции жидкостей, протекающих через сердечную мышцу, оказывающие такое буферное действие, которое также способствует вымыванию молочной кислоты. В этом случае повышается работоспособность сердца.

При вышеприведенных анаэробных условиях сердце в состоянии помимо глюкозы расщеплять и маннозу до молочной кислоты, получая из нее энергию. По мнению Мураками, с этой точки зрения всякий другой сахар не является эффективным.

По данным Гедди и Стюарта, прерывая анаэробное расщепление глюкозы до образования молочной кислоты, отравляя мышцу йодоуксусной кислотой, под влиянием восстановленного глутатиона может возникать небольшая энергия. В настоящее время это имеет только теоретическое значение. Практически этому факту нельзя придавать существенную роль, ввиду того, что при нормальных условиях содержание глутатиона в крови очень незначительное. Эти же авторы выявили, что в случае недостатка в кислороде аминокислоты на время в состоянии улучшить функцию изолированного сердца лягушки, но этот эффект нельзя было повторить многократным пропусканием аминокислот Таким образом, по нашим современным знаниям аминокислотам нельзя придавать практическое значение в качестве источника энергии в анаэробном обмене веществ сердца.

Другим характерным свойством клеток сердечной мышцы является то, что они в состоянии непосредственно сжигать молочную кислоту. Лундсгорд, Мейерхоф и Бойланд выявили, на сердцах отравленных монойодуксусной кислотой, (в результате действия этого яда прекращается образование молочной кислоты из глюкозы и гликогена), что сердце способно непосредственно сжигать молочную кислоту и что отравленное таким образом сердце в случае наличия молочной кислоты и достаточного количества кислорода в состоянии еще продолжительное время работать. Это свойство сердечной мышцы также существенно отличает ее от скелетной мускулатуры.

Этот вопрос был в течение долгого времени спорным, потому что непосредственное использование молочной кислоты из крови сердцем в качестве питательного вещества можно себе представить лишь таким образом, если содержание молочной кислоты в сердечной мышце ниже, чем в крови. В результате неподходящих методов не удавалось установить этого. Однако, Шуманн выявил новым своим методом, что вышеприведенное условие при физиологических условиях налицо, т. е. содержание молочной кислоты в сердечной мышце меньше, чем в крови. Метод заключается в том, что после смерти животного, вызванной ударом по затылку, автор жидким воздухом за 6-8 секунд фиксировал имевшееся в сердце положение, а у наркотизированных животных он добился этой фиксации даже за 4-6 секунд. Содержание молочной кислоты в крови в состоянии покоя равно 10-20 мг на 100 г крови. Шуманн установил своим методом, что содержание молочной кислоты в сердечной мышце при физиологических условиях равно 5-8 мг%.

Из межуточных продуктов углеводного обмена сердце в состоянии использовать не только молочную кислоту, но и другие межуточные продукты, в том числе пировиноградную кислоту. По данным Гримлунда, Кларка, Гедди и Стюарта отравленное йодоуксусной кислотой сердце в состоянии путем сжигания пировиноградной кислоты производить столько энергии, чтобы сильно сокращаться и расслабляться. По данным Браун-Менендеса, Чюта и Грегори на сердечно-легочном препарате израсходование пировиноградной кислоты было тем более выраженным, чем выше была ее концентрация в крови. Другие продукты межуточного обмена веществ, в особенности фосфорглицериновую кислоту, сердце - очевидно - не в состоянии использовать непосредственно. Хотя сердечная мышца и способна непосредственно сжигать метилглиоксал, но уже сравнительно небольшое количество этого вещества вызывает отравление.

Таким образом, то положение, что преобладающую часть питательных веществ сердца составляют углеводы, в количественном отношении уже не подлежит сомнению. Распространенные исследования доказывают, что в отличие от скелетной мускулатуры сердце в состоянии не только использовать глюкозу, но из продуктов анаэробного расщепления глюкозы прежде всего молочную кислоту. Существенным является далее то обстоятельство, что при физиологических условиях главная часть сжигаемых сердцем углеводов идет за счет молочной кислоты. К. Л. Ивенс и сотрудники выявили на сердечно-легочном препарате, что 100 г сердечной мышцы за один час использует 200 мг молочной кислоты, а за это же время в обмене веществ участвует только 70 мг глюкозы. Мак Гинти и его сотрудники в опытах нашли что 100 г сердечной мышцы израсходовали за один час 310 мг молочной кислоты, и за это же время израсходованное количество глюкозы составляло только 39 мг.

На основании этих данных кажется доказанным, что при нормальных условиях преобладающая часть питательных веществ, используемых в обмене веществ сердца, происходит за счет содержащейся в крови молочной кислоты до тех пор, пока сердце должным образом обеспечено кислородом. Если же обеспеченность сердца кислородом ухудшается - в особенности, если она недостаточная - то в обмене веществ сердечной мышцы использование молочной кислоты из крови быстро уменьшается, и параллельно с этим быстро повышается потребность в глюкозе из крови и использование последней. Сердце именно потому в состоянии удовлетворять очень значительную и меняющуюся потребность со стороны организма, что оно обладает способностью использования питательных веществ по этим двум системам. Если в распоряжении сердца имеется достаточное количество кислорода, то оно, на основании вышесказанного, в состоянии производить энергию непосредственно за счет сжигания содержащейся в крови молочной кислоты. Если же снабжение сердца кислородом недостаточное, то временно энергия производится анаэробным путем из содержащейся в крови глюкозы или из собственных запасов гликогена.

Из вышесказанного - по нашему мнению - ясно вытекает, что для постоянной, непрерывной работы сердца необходимо, чтобы для замены израсходованной энергии клетки сердечной мышцы получали необходимую для них энергию из одного или другого источника питательных веществ, за счет того или другого процесса образования энергии. Клетки сердечной мышцы только таким образом в состоянии в ходе своей непрерывной работы без патологической потери времени производить сокращения, постоянно следующие одно за другим. Таким образом, необходимо, чтобы к началу следующего сокращения в клетках сердечной мышцы наготове имелись бы вновь образованная энергия и вновь синтезированные химические вещества, чтобы участвовать в последующих химических, и биофизических процессах.

Подытоживая все это, ясно, что обратный синтез непосредственного источника мышечной работы, АТФ, происходит за счет реакции креатинфосфоферазы, без процессов, освобождающих энергию, до тех пор, пока имеются достаточные запасы креатинфосфата. Однако, для постоянной работы сердца необходимо, чтобы эти запасы энергии немедленно пополнялись. Для этой цели мышца использует оба характерных процесса освобождения энергии у живых организмов, а именно, гликолиз, а также связанную с тканевым окислением питательных веществ, т. н. окислительную фосфориляцию (аэробный), и в зависимости от своего функционального состояния она выдвигает на передний план тот или другой процесс. В течение обоих процессов освобождения энергии как в сердечной мышце, так и в других тканях организма 60% энергии, освобожденной при расщеплении углеводов, включаются в вышеупомянутые богатые энергией фосфатные соединения (АТФ или креатин-фосфат), служащие непосредственными источниками или запасами энергии. Из остальной части, около 40%, возникает тепло. Связанные с гидролитическим расщеплением фосфатной группы богатых энергией фосфорнокислых соединений изменения свободной энергии снова и снова проверяются ввиду больного значения этой реакции.
 
Эту серию процессов нельзя себе представить так, как будто бы отдельные частичные процессы обмена веществ численно хронологически происходят друг за другом; эти серии процессов происходят приблизительно одновременно.

Нужно еще упомянуть, что процессы аэробной фазы предоставляют приблизительно 90% энергии, необходимой для механической работы сердца. Остальная часть энергии (приблизительно 10%) предоставляется процессами анаэробной фазы.

Следует еще отметить, что вышерассмотренный межуточный обмен тканей, клеток сердечной мышцы точно так же зависит от актуального состояния равновесия нейроэндокринной системы, как и обмен веществ других тканей и клеток организма.

Потребность сердечной мышцы в энергии и величина ее обмена веществ. Потребность сердца в энергии и величина его обмена веществ определяются двумя основными факторами: 1) интенсивностью напряжения, возникающего в мышце во время ее деятельности; 2) актуальным морфологическим и физиологическим состоянием сердца, т. е. его функциональной способностью.

Это означает, что потребность сердечной мышцы в энергии повышается, если увеличивается интенсивность мышечного напряжения, или же, если морфологическое и физиологическое состояние сердца недостаточное, его функциональная способность понижена.

При рассмотрении этого вопроса следует прежде всего отметить, что сердце нуждается также и в состоянии покоя - являющимся, конечно, только относительным состоянием покоя - в определенном количестве энергии. Этот обмен веществ сердца в состоянии покоя не больше обмена соответствующей скелетной мышцы, а именно, равен 0,1 мл кислорода на г веса за час. Эта величина по сравнению с общим обменом веществ работающей сердечной мышцы исключительно низкая, так как работающая со средней степенью интенсивности сердечная мышца потребляет 3-6 мл кислорода на каждый г за час.

Потребность функционирующего сердца в энергии и его обмен веществ зависят таким образом от следующих факторов:

а) Обмен веществ сердца увеличивается в единицах времени, если увеличивается частота сокращений сердца.

б) Так как интенсивность возникающего в сердечной мышце сокращения тем большая, чем больший диастолический объем, то потребность в энергии и обмен веществ зависят от величины диастолического объема.

в) Также играет роль состояние равновесия адренергической и холинергической систем. В случае адренергического перевеса, т. е. под влиянием адреналина, возрастает потребность в кислороде без того, чтобы наступило измеримое увеличение в работе сердца. В случае же холинергического перевеса, т. е. под влиянием ацетилхолина, потребность и израсходование энергии меньше для того, чтобы это сказывалось в уменьшении работы.

г) Потребность сердца в энергии и его обмен веществ меняются также и при изменении температуры. Потребность сердца в кислороде у теплокровного - в опытах на сердечно-легочном препарате возрастает на 38%, если мы повышаем температуру с 37° до 40°. При уменьшении температуры потребность сердца в энергии и его обмен веществ уменьшаются.

Следует еще отметить, что при наличии более высокой температуры нужно предполагать также и увеличение обмена веществ в т. н. состоянии покоя, потому что закон вант Гоффа, согласно которому повышение температуры приблизительно на 10° приводит к увеличению обмена веществ в состоянии покоя приблизительно в 2-3 раза, имеет силу также и в отношении сердечной мышцы.

д) На величину обмена веществ сердца влияет также и концентрация водородных ионов. Сердце очень чувствительно по отношению к изменениям концентрации водородных ионов, чувствительнее чем скелетная мускулатура. Если рН чрезмерно сдвигается в кислую сторону, то уменьшается не только сила сердечных сокращений, но замедляется проводимость импульсов и патологически меняется возбудимость сердца. Катц и Лонг выявили в своих исследованиях, что если в сердце наступает накопление молочной кислоты, и благодаря этому наступает сдвиг рН в кислую сторону, то, с одной стороны, сердечные сокращения становились более слабыми, сердце расширялось и проведение импульсов настолько замедлялось что они в ряде случаев наблюдали, когда вместо нормального сокращения по желудочкам как бы пробегала «перистальтическая волна». Кроме того еще при нормальном сокращении сердца частота пульса уменьшалась, и наступали экстрасистолы и различные расстройства проведения импульсов, блокады. Если опыт продолжался в состоянии асфиксии еще дальше, то наступала или остановка сердца в диастоле или же мерцание желудочков.

Сдвиг рН в сердечной мышце человека наступает в первую очередь тогда, когда при недостаточном обеспечении кислородом, в процессе производства энергии наступает перевес анаэробной фазы, и образуются большое количество молочной кислоты, которое недостаточное кровообращение сердца не в состоянии удалить.

е) Механические факторы также косвенно влияют на обмен веществ сердечной мышцы, на ее потребность в энергии. Потребность сердца в энергии резко возрастает, если работа сердца затрудняется повышением кровяного давления, и таким образом увеличивается сопротивление которое приходится преодолевать сердцу. Ясно, что с энергетической точки зрения для сердца существенно большая нагрузка, если ему приходится во время работы преодолевать большее сопротивление, большее давление.

ж) Физиологическое и морфологическое состояние сердца влияет на его потребность в энергии, на израсходование энергии и на обмен веществ таким образом, что потребность патологически измененного сердца большая, и для достижения одинаковой интенсивности напряжения оно израсходует больше энергии.

На основании всего этого мы должны согласиться с мнением Шуман-н а, по которому, правда, очень многие факторы участвуют в определении потребности сердца в энергии и обмене веществ, но все же суть определяется двумя факторами - качеством напряжения, морфологическим и физиологическим состоянием сердечной мышцы, т. е. ее работоспособностью. Именно потребность сердечной мышцы в энергии и ее обмен веществ повышаются, если интенсивность мышечного напряжения повышается, причем тем большей, чем хуже морфологическое и физиологическое состояние сердца, т. е. чем хуже его кондиционное состояние. Подробно описанные выше факторы по существу проявляют свое действие через эти два основные фактора.

Читать далее Важнейшие физиологические факторы, влияющие на сердечную деятельность
Страница 2 - 2 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: