§ 21. ПОНЯТТЯ ПРО СЕРЦЕВИЙ ЦИКЛ. РОБОТА СЕРЦЯ ТА ЇЇ РЕГУЛЯЦІЯ

Що таке серцевий цикл? Які його фази? Серце працює циклічно, ритмічно чергуючи скорочення та розслаблення передсердь і шлуночків, що разом має назву серцевий цикл. Він складається з трьох фаз: скорочення передсердь – систола передсердь, скорочення шлуночків – систола шлуночків та загального розслаблення – діастоли (див. таблицю 9) (мал. 86). Серце людини в стані спокою здійснює 65-75 циклів за хвилину.

Під час першої фази (її тривалість близько 0,1 с) передсердя скорочуються, а шлуночки розслаблені: стулкові клапани відкриті, завдяки чому кров потрапляє у шлуночки. Півмісяцеві клапани натомість закриті. Під час другої фази (її тривалість 0,3 с) передсердя розслаблені, а шлуночки скорочуються: стулкові клапани закриваються, а півмісяцеві – відкриваються, і кров потрапляє в аорту і стовбур легеневих артерій. Третя фаза загального розслаблення триває 0,4 с. У цей час передсердя і шлуночки розслаблені, кров вільно потрапляє до серця з вен (легеневих, нижньої та верхньої порожнистих). Отже, повний серцевий цикл триває 0,8 с. За цей час м’язові волокна передсердь 0,1 с працюють та 0,7 с відпочивають, а шлуночків – відповідно 0,3 та 0,5 с. Саме відносно великий час відпочинку визначає здатність серцевого м’яза працювати не втомлюючись упродовж усього життя.

Мал. 86. Серцевий цикл

Кількість серцевих циклів, які серце здійснює впродовж однієї хвилини, називають частотою серцевих скорочень. При скороченні серця дорослої людини в стані спокою кожний шлуночок виштовхує в артерії приблизно 65 мл крові. За хвилину серце перекачує близько 5 л крові, а за рік – майже 2,6 млн літрів. У момент викиду крові в аорту тиск у ній підвищується, а стінки розтягуються. Таке розтягнення завдяки щільності та пружності стінок кровоносних судин хвилеподібно поширюється зі швидкістю, яка значно перевищує швидкість руху крові, від аорти до артерій. Коливання стінок артерій, які виникають у відповідь на кожне скорочення серця, називають артеріальним пульсом.

Фази серцевого циклу

Що відбувається

Тривалість (с)

Напрямок руху крові

За цей час кров з передсердь виштовхується у розслаблені шлуночки

Кров з правого шлуночка виштовхується до стовбура легеневих артерій, а з лівого – до аорти

Загальне розслаблення передсердь і шлуночків

Весь серцевий м’яз перебуває у стані спокою або загального розслаблення

Завдання. Користуючись таблицею 9, поясніть фази серцевого циклу. Яке це має значення для роботи серця?

У здорової людини пульс ритмічний, має частоту 65-75 ударів за хвилину. У разі збільшення частоти серцевих скорочень тривалість серцевого циклу скорочується переважно за рахунок періоду відпочинку. За пульсом можна визначити частоту, ритмічність і силу серцевих скорочень, що вказує на функціональний стан як серцево-судинної системи, так і всього організму. Пульс відчувається у місцях, де великі артерії підходять близько до поверхні тіла, наприклад на внутрішньому боці зап’ястка, на скронях, по боках шиї. Кожне коливання відповідає скороченню серця.

Пересвідчимося у цьому, виконавши лабораторне дослідження.

ЛАБОРАТОРНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ

Вимірювання частоти серцевих скорочень

Обладнання: годинник із секундною стрілкою.

1. Знайдіть у себе на зап’ястку пульс, як це показано на малюнку 87. Потренуйтесь швидко його знаходити.

2. Увімкніть секундомір і полічіть кількість ударів за 30 с.

3. Отримані дані помножте на 2. Так ви підрахуєте число серцевих скорочень за хвилину.

4. Підрахуйте, скільки скорочень робить серце за добу. За тиждень, рік?

Мал. 87. Знаходження пульсу на зап’ястку

Як серце зберігає свою працездатність? Будь-який, навіть найбільш тренований, скелетний м’яз через певний час роботи відчуває втому і потребує відпочинку. Серцевий м’яз працює без відпочинку. Чим це зумовлено? Міокард за 60 років життя людини в середньому скорочується 2,3 млрд разів і перекачує понад 150 млн літрів крові. Така виняткова працездатність зумовлена ритмічністю його роботи (після скорочення обов’язково відбувається розслаблення), високим рівнем кровопостачання міокарда (по коронарних артеріях до серцевого м’яза надходить найбагатша на кисень і поживні речовини кров).

Як регулюється робота серця? Хоча серце скорочується автоматично, частота і сила його скорочень залежать від умов довкілля і стану організму. Наприклад, за інтенсивної роботи чи під час виконання фізичних вправ частота серцевих скорочень зростає. На роботу серця впливають також зміна температури довкілля, біль, різні емоції (гнів, страх, радість тощо). Усі вони посилюють або послаблюють серцеву діяльність.

Для того щоб пристосувати роботу серця до різних потреб організму, існують механізми нервової та гуморальної регуляції його діяльності. Однак серце – особливий орган, який, крім нейрогуморальних регуляторних механізмів, має і внутрішньосерцеві. Найважливішим з них є внутрішньосерцева регуляція сили скорочення серцевих м’язів пропорційно кількості крові, яка притікає до серця. Тобто що більше розтягуються шлуночки, то потужніше їхнє скорочення.

До серця підходять нерви тієї частини нервової системи, яка регулює роботу внутрішніх органів. Центр регуляції серцевої діяльності, який гальмує роботу серця, розташований у відповідному відділі головного мозку. Нервові волокна, які прискорюють діяльність серця, пов’язані з грудною ділянкою спинного мозку. Імпульси, які надходять до серця по цих нервових волокнах, збільшують силу скорочень, прискорюють їхню частоту, поліпшують провідність і збудливість серцевого м’яза. За умов спокою або під час сну серце зменшує силу і частоту скорочень за рахунок послаблення впливу цих нервових волокон. Нервові центри, які регулюють роботу серця, діють узгоджено: якщо один з них збуджується, то інший – гальмується.

Серед гуморальних чинників найсильніше впливає на роботу серця гормон адреналін (пригадайте, цей гормон регулює також процеси дихання). Він збільшує частоту і силу серцевих скорочень. Саме тому в критичних ситуаціях зупинки серця з метою змусити його працювати лікарі вводять адреналін безпосередньо в серце. Серцеву діяльність також посилює гормон щитоподібної залози тироксин (детальніше про залози внутрішньої секреції та гормони, які вони виробляють, ви дізнаєтесь згодом). Діяльність серця активує підвищення концентрації у крові йонів Кальцію. Зростання вмісту йонів Калію, навпаки, гальмує діяльність серця.

Здоров’я людини. Фізична діяльність (фізична праця, регулярні спортивні тренування) поліпшує роботу серця. У тренованої людини при фізичних чи психічних навантаженнях посилене кровопостачання органів забезпечується не стільки за рахунок збільшення частоти серцевих скорочень, скільки за рахунок збільшення сили скорочення. Це пояснюють тим, що треноване серце за одне скорочення викидає набагато більше крові, ніж нетреноване. Його стінки мають товщі м’язи, а об’єм камер збільшений. Наприклад, у спортсменів за одне скорочення серце може викидати 200-250 мл крові за норми 65 мл; частота скорочень у стані спокою може становити лише 35-40 за хвилину, що збільшує періоди відпочинку серця. У нетренованої людини кровообіг посилюється насамперед за рахунок збільшення частоти скорочень. Це зумовлює втому серця: в клітинах серця спостерігають нестачу поживних речовин, накопичуються продукти обміну, скорочення стають повільнішими, постачання органів і тканин киснем і поживними речовинами – недостатнім.

Порушувати роботу серця можуть великі емоційні навантаження. Більшість людей знає, що за значних хвилювань, стресів серцева діяльність може порушитись – розвинеться так званий серцевий напад. Він супроводжується прискореним або, навпаки, сповільненим серцебиттям, порушенням скорочення серцевого м’яза.

ЦІКАВО ЗНАТИ! Зменшення частоти серцевих скорочень до 45-50 ударів за хвилину має назву брадикардія. Прискорене серцебиття називають тахікардією. За частого серцебиття шлуночки не встигають наповнитися кров’ю, у результаті чого знижується артеріальний тиск та зменшується приплив крові до органів. Погіршуються умови кровопостачання самого серця, оскільки воно здійснює велику роботу в одиницю часу та потребує більше кисню, а погані умови кровопостачання серця збільшують ризик інфаркту. Розлади ритмічності, послідовності й сили скорочень серцевого м’яза називають аритмією. Вони зумовлені порушеннями його автоматизму скорочень, збудливості, провідності.

Отже, для тренування серця необхідно розумову працю чергувати з фізичними вправами, частіше бувати на свіжому повітрі. Фізичні навантаження треба збільшувати поступово. Надмірна робота на початку тренування спричинить перевантаження серця і може призвести до його виснаження. Особливо важливо дотримуватись цього правила підліткам 14—17 років, у яких судинна система відстає в своєму розвитку від темпів розвитку серця.

ЗАПАМ’ЯТАЙТЕ! У разі порушень роботи серця (зміни частоти та ритму скорочень, болю в ділянці серця тощо) слід негайно звернутись до лікаря.

Великої шкоди серцю завдає вживання алкоголю, наркотичних речовин та тютюнокуріння. Ці речовини різко прискорюють скорочення серця, виснажують серцевий м’яз. Систематичне вживання алкоголю порушує обмін речовин у м’язових клітинах серця, спричиняючи їх поступове переродження і відмирання.

Ключові терміни і поняття: серцевий цикл, систола, діастола, артеріальний пульс.

УЗАГАЛЬНИМО ЗНАННЯ

• Ритмічні скорочення серця складають серцевий цикл, у якому виділяють три фази: скорочення передсердь, скорочення шлуночків і загальне розслаблення. Ритм серця є основою його здатності підтримувати високу працездатність упродовж усього життя людини. Робота серця полягає в забезпеченні безперервної течії крові по кровоносних судинах. Пристосування серця до потреб організму досягається завдяки саморегуляції, нервовій і гуморальній регуляції роботи серця.

ПЕРЕВІРТЕ ТА ЗАСТОСУЙТЕ ЗДОБУТІ ЗНАННЯ

Дайте відповідь на запитання

1.3 яких фаз складається серцевий цикл? 2. Які основні характеристики окремих фаз серцевого циклу? 3. Що впливає на діяльність серця? 4. Як здійснюється нервова регуляція роботи серця? 5. За рахунок чого відбувається гуморальна регуляція серцевої діяльності? 6. Як людина може зміцнювати своє серце? 7. Чому слід уникати надмірних фізичних перевантажень і стресів?

Виберіть одну правильну відповідь

1. Укажіть тривалість серцевого циклу при частоті серцевих скорочень 72 уд./хв: а) 0,1 с; б) 0,3 с; в) 0,4 с; г) 0,8 с.

2. Укажіть тривалість систоли шлуночків: а) 0,1 с; б) 0,3 с; в) 0,4 с; г) 0,8 с.

3. Укажіть тривалість діастоли: а) 0,1 с; б) 0,3 с; в) 0,4 с; г) 0,8 с.

4. Укажіть показники частоти пульсу (уд./хв) у дорослої людини (в нормі): а) 60-75; б) 72-85; в) 72-80; г) 80-90.

Розв’яжіть задачу. Обчисліть, скільки крові (л) перекачує серце людини за годину, якщо воно скорочується у середньому 70 разів за 1 хв, викидаючи при кожному скороченні з двох шлуночків 150 мл крові. Виберіть правильну відповідь: а) 630; б) 10,5; в) 105; г) 63.

ОБГОВОРІТЬ У ГРУПАХ. І група. Схарактеризуйте фази серцевого циклу. II група. Схарактеризуйте чинники, що впливають на регуляцію роботи серця.

ПОМІРКУЙТЕ. Який існує зв’язок між нервовою та гуморальною регуляцією діяльності серця?

З допомогою дорослих виконайте дослідницький практикум.

Самоспостереження за частотою серцевих скорочень упродовж доби, тижня

Хід спостереження

1. Підрахуйте число серцевих скорочень за хвилину (пульс) упродовж доби (вранці (до уроків), після уроків і перед сном) і впродовж тижня. Дані оформіть у вигляді таблиці.

2. За результатами вимірювання побудуйте графік.

3. Зробіть висновок про зміни частоти серцевих скорочень упродовж доби і тижня.

ТИЖДЕНЬ 3. ПРИГОДА 3. Несподіваний атракціон

Виконайте руханку. Чи тільки так можна виконувати рухи, про які йдеться у пісні? Придумайте власний танок-руханку під цю пісню.

2. Вправа “Пригадай та швидко відповідай”

Перевірте себе. Пригадайте, що ви запам’ятали про кров, та продовжте речення.

Лейкоцити — це … .
Еритроцити — це … .
Тромбоцити — це … .
Важлива властивість крові — … .

Відступіть у першому верхньому рядку сітки зліва направо 4 клітинки. Від 4 клітинки відрахуйте униз ще 2 клітинки. Поставте точку. Далі рухайтеся клітинками у вказаних напрямках, позначаючи цей рух лінією (зош., с. 43, завд. 1) .

4. Повідомлення теми уроку

Чи здогадалися ви, куди буде наша сьогоднішня мандрівка?

Так, ми побуваємо у самому центрі кровоносної системи — серці. Ознайомимося з його будовою, дізнаємося, як працює серце.

5. Перегляд відео “Як серце перекачує кров”

Серце — м’яз, який працює безперервно. Перегляньте відео про його роботу.

• Як ви думаєте, чому серце — унікальний орган?
• Як ви зрозуміли, що таке серце?
• Як визначити розміри серця?
• Як побудоване серце?
• Які факти про серце запам’ятали?
• Який факт вразив вас найбільше? Розкажіть.

Серце середньої дорослої людини б’ється приблизно 72 рази на хвилину, 100 000 разів на день, 36 500 000 разів на рік і 2,5 млрд разів протягом життя.

Щодня серце виробляє достатньо енергії, щоб проїхати на машині 32 км. За все життя ця уявна машина може з’їздити на Місяць і назад.

Серце ще не народженої дитинки починає битися вже через чотири тижні після зачаття.

Коли тіло перебуває у спокої, то крові потрібно близько 6 секунд, щоб дійти від серця до легень і назад; 8 секунд — щоб дістатися до мозку і назад, і 16 секунд — щоб досягти пальців і повернутися.

6. Онлайн-вправа “Кровообіг”

Знайдіть у сітці слова, пов’язані з серцем.

• Які з цих слів ви вже знали?
• Випишіть у звичайний зошит назви частин, з яких складається серце.

Іван довідався, як можна визначити розмір серця. Треба стиснути долоню в кулак — десь таким завбільшки і є серце. Із сусідом / сусідкою по парті порівняйте приблизні розміри своїх сердець (підр., с. 94, завд. 1) .

8. Фізкультхвилинка “Непосида”

Порухайтеся, пострибайте, потанцюйте разом із Ронікою.

9. Поради “Як вимірювати пульс”

Серце рухає кров по організму людини завдяки скороченням м’язів своїх стінок. Це чимось нагадує насос. Кожна людина може відчути ритм роботи серця. Покладіть долоню собі на груди біля серця. Що ви відчули? Так, ви відчули удари — це серце виштовхує кров, скорочуючи свої м’язи. І у цей час стінки кровоносних судин також коливаються.

Пульс — це ритмічне коливання стінок кровоносних судин, яке відбувається одночасно зі скороченнями серця. Серце у стані спокою б’ється з частотою приблизно 70-75 ударів на хвилину.

Під час огляду в лікаря Іван почув через стетоскоп своє серцебиття. Відчути роботу серця можна і вимірюючи пульс. Визначте свій пульс у стані спокою та після фізичного навантаження. Порівняйте результати і зробіть висновок (підр., с. 94, завд. 3) .

1. Намацайте у себе на лівій руці пульс. Для цього пальцями правої руки легенько натисніть на зап’ястку.
2. Визначте, скільки ударів за хвилину робить ваше серце.
3. Зробіть 20 присідань.
4. Знову виміряйте кількість серцевих скорочень за хвилину.
5. Порівняйте результати. Чому вони відрізняються?

• Прочитайте інформацію в підручнику і перевірте свої припущення.

Довідничок: Під час фізичного навантаження органам потрібно більше кисню і поживних речовин, тож кров має проходити по них швидше. Тому серце й прискорює свою роботу.

Серце дорослої людини скорочується 60-80 разів за хвилину і за цей час перекачує близько 6 л крові. Визначте, скільки літрів крові перекачує серце дорослої людини за добу (підр., с. 95, завд. 4) .

12. Вправа “Доповни речення”

Прочитайте текст. Доповніть його словами з довідки (зош., с. 43, завд. 3) .

Як ви гадаєте, чи потрібно берегти серце, зміцнювати його?

Серце відіграє дуже важливу роль в організмі людини, тому його потрібно берегти. Проте берегти серце — не означає давати йому менше навантажень. Навпаки: люди, які займаються фізкультурою, зазвичай мають міцніше серце, ніж ті, хто цього не робить. Але й перевантажувати серце не можна: якщо під час фізичних вправ відчуваєш, що тобі важко, — зупинись і відпочинь!
Отже, берегти серце — це тренувати його, розвивати. Цьому сприяють фізичні навантаження і прогулянки на свіжому повітрі. Корисними для серця є рухливі ігри та гімнастика.

14. Складання сенкана

Складіть і запишіть сенкан зі словом “серце” (зош., с. 43, завд. 2) .

Розганяє, виштовхує, працює.

Особливий м’яз людського тіла.

• З яким настроєм ви закінчуєте урок?
• Що ви дізналися нового, невідомого вам досі?
• Що запам’яталось найкраще?

Онлайн-кросворд “Кровоносна система”

Перевірте свої знання про кровоносну систему — розгадайте кросворд.

У конспекті уроку використано матеріали Тетяни Гуркіної

Фізіологія серця

Серце складається з двох окремих м’язових насосів — правого та лівого. До складу кожного входять передсердя та шлуночок, розділені клапаном. До кожного з насосів кров вільно притікає з відповідних вен, та відтікає до відповідної артерії через півмісяцевий клапан, який унеможливлює зворотний тік крові до серця.

Лівий шлуночок — це насос тиску, а правий шлуночок — насос об’єму. Лівий шлуночок також грає роль і у спорожненні правого шлуночка, в який вдається випукла під час систоли міжшлуночкова перетинка.

Серце качає кров до судинного ложа завдяки повторним циклам наповнення та спорожнення серцевих камер — спершу передсердь, а потім і шлуночків. Процеси, що відбуваються у серці від початку одного скорочення до початку наступного, називаються гемодинамічним циклом серця або серцевим циклом (рис. I.A.1-1), у якому вирізняють період діастоли та період систоли.

У період діастоли клапани аорти та легеневої артерії закриті, а передсердно-шлуночкові клапани — відкриті. Кров пасивно (згідно з градієнтом тисків) притікає з вен, через передсердя до шлуночків, спочатку швидко ( фаза швидкого наповнення шлуночків ), далі повільніше ( фаза повільного наповнення ), і наприкінці систола передсердя (зубець P на ЕКГ) активно збільшує на 10–25% об’єм крові у шлуночках. Збільшення об’єму крові у шлуночках супроводжується невеликим зростанням тиску у шлуночках і розтягненням стінок шлуночків, що запускає механізм Франка-Старлінга (див. нижче).

У період систоли електричне збудження клітин серця викликає скорочення шлуночків (комплекс QRS на ЕКГ). Тиск у шлуночках зростає, і передсердно-шлуночкові клапани закриваються ( І тон серця ). Надалі тиск у шлуночках стрімко росте, при незміненому об’ємі шлуночків ( фаза ізоволюмічного скорочення ), і дорівнюватиме тиску в аорті та легеневій артерії, відповідно. Після відкриття клапанів аорти та легеневої артерії розпочинається викид крові до аорти та легеневої артерії ( фаза вигнання ). У подальшому відбувається реполяризація кардіоміоцитів (зубець T на ЕКГ), міокард шлуночків релаксує і тиск у шлуночках знижується нижче рівня тиску у великих артеріях. Після закриття клапанів аорти та легеневої артерії ( ІІ тон серця ) настає фаза ізоволюмічної релаксації . Як тільки тиск у шлуночках упаде нижче тиску у передсердях — відкриються передсердно-шлуночкові клапани та розпочнеться черговий серцевий цикл.

При частоті ритму серця ≈70/хв серцевий цикл триває ≈800 мс, з яких 1/3 припадає на систолу шлуночків. Прискорення серцевого ритму призводить переважно до скорочення періоду діастоли та відносного подовження періоду систоли, що погіршує наповнення шлуночків, та асоціюється з ростом компресійного опору коронарних судин.

У здоровому серці об’єм крові у лівому шлуночку наприкінці періоду діастоли ( кінцево-діастолічний об’єм ) становить 110–120 мл та знижується наприкінці фази вигнання до 40–50 мл ( кінцево-систолічний об’єм ). Об’єм крові, що закачується до аорти за один серцевий цикл ( ударний об’єм ) становить 70–80 мл, що складає 65% кінцево-діастолічного об’єму лівого шлуночка. Це т. зв. фракція викиду лівого шлуночка (ударний об’єм/кінцево-діастолічний об’єм × 100%) — корисний клінічний показник збереження функції серця як насоса.

Серце дорослої людини прокачує 4–5 л крові на хвилину ( хвилинний об’єм серця; серцевий викид ), а у період інтенсивного фізичного навантаження навіть 20–25 л/хв. Хвилинний об’єм здорового серця залежить від (рис. I.A.1-2):

1) ударного об’єму — обумовленого скоротливістю міокарду та величиною післянавантаження серця

Скоротливість — це здатність м’язу до виконання скорочення. Серце людини збудоване з ≈5,5 млрд. поперечно посмугованих клітин міокарду (кардіоміоцитів). Про скоротливість міокарду в цілому свідчать:

1) кількість та якість кардіоміоцитів

2) скоротливість кардіоміоцитів

3) електрофізіологічні механізми, що забезпечують ритмічність скорочення окремих кардіоміоцитів, просторову упорядкованість скорочення (передсердя скорочуються перед шлуночками) та скоординованість у часі (кардіоміоцити шлуночка скорочуються майже одночасно)

4) механізми, що забезпечують кардіоміоцит енергією для скорочення

Потенціали дії та генерування скорочення клітин

Робочі клітини міокарду володіють від’ємним і сталим потенціалом спокою, що становить близько -85 мВ, та не здатні (клітини) до самостійної збудливості. Їх збуджує електричний струм, який проникає через т. зв. щілинні контакти [нексуси] від сусіднього збудженого кардіоміоциту. Якщо сила цього струму є достатньо високою, щоб викликати деполяризацію клітинної мембрани до -65 мВ ( пороговий потенціал ), поетапно розвиваються:

1) зміни проникності мембранних іонних каналів

2) переміщення через мембрану деполяризаційних іонних потоків — натрієвого та кальцієвого L-типу, а у подальшому — реполяризаційних калієвих потоків. Це супроводжується короткотривалим миттєвим зростанням клітинного потенціалу ( потенціал дії ) — рис. I.A.1-3.

Реполяризація є наслідком інактивації натрієвих і кальцієвих каналів, а також відкриття калієвих каналів. Взаємоструктура іонних потоків через ці канали свідчить про тривалість потенціалу дії, рефрактерного періоду (період незбудливості клітини під час активності потенціалу дії) та про довжину інтервалу QT на ЕКГ. Порушення цієї рівноваги (лікарськими засобами, що блокують калієві, натрієві чи кальцієві канали, а також внаслідок генетично обумовлених дефектів у будові цих каналів [напр., вроджені форми синдрому подовженого інтервалу QT]) викликає зміни тривалості потенціалів дії та рефрактерного періоду.

В окремій клітині потенціал дії відіграє роль стартового механізму для скорочення, ініціюючи ланцюг внутрішньоклітинних процесів, т. зв. електромеханічне спряження [cardiac excitation-contraction coupling], яке складається з наступного:

1) зростання внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію (Ca 2+ )

2) активація скоротливих білків

3) скорочення кардіоміоциту

4) видалення Ca 2+ з цитоплазми

5) релаксація кардіоміоциту

Кожен потенціал дії супроводжується відкриттям (активацією) мембранних кальцієвих каналів типу L та переміщенням іонів кальцію за електрохімічним градієнтом всередину клітини. Ca 2+ переміщується до вузького підмембранного простору (“діада”), затиснутого між клітинною мембраною (Т-трубочка) та мембранами термінальних цистерн саркоплазматичного ретикулуму, який є внутрішньоклітинним “складом” Ca 2+ (рис. I.A.1-4). Підвищення концентрації Ca 2+ у діаді викликає наступне: відкриття кальцієвих каналів у мембрані саркоплазматичного ретикулуму (т. зв ріанодинових рецепторів), вивільнення з ретикулуму нагромадженого там Ca 2+ та стрімке підвищення концентрації Ca 2+ у цитоплазмі. У скоротливому апараті Ca 2+ зв’язується зі своїм білковим рецептором — тропоніном C, що уможливлює взаємодію скоротливих білків (актину та міозину) та скорочення клітини пропорційно до кількості комплексів Ca 2+ -тропонін. У подальшому іони Ca 2+ видаляються з цитоплазми, що призводить до релаксації клітини. Більшість іонів Ca 2+ знову захоплюються кальцієвою АТФ-азою саркоплазматичного ретикулуму (SERCA), де і зберігаються до виникнення наступного потенціалу дії, що ініціюватиме наступний цикл кругообігу Ca 2+ у клітині. Решта Ca 2+ видаляється за межі клітини за допомогою мембранного іонного обмінника, що транспортує один іон Ca 2+ з клітини в обмін на проникнення до неї 3 іонів натрію (Na + /Ca 2+ обмінник). Певну роль у видаленні Ca 2+ з клітини відіграє також і кальцієва АТФ-аза клітинної мембрани.

Існує 2 фізіологічні механізми регуляції скоротливості кардіоміоцитів:

1) нейрогенний механізм, при якому клітинний обіг Ca 2+ підлягає модифікації (усі відомі ЛЗ з інотропною дією модифікують клітинний обіг Ca 2+ )

2) механізм Франка-Старлінга, при якому зміни виникають на рівні білків скоротливого апарату.

Однією з причин зниження скоротливості міокарду при серцевій недостатності є процес його ремоделювання. Цей процес включає в себе зміну експресії та/або функції білків внутрішньоклітинного обігу Ca 2+ , у т. ч. зменшення експресії SERCA, зменшення щільності ріанодинових рецепторів та підвищення експресії Na 3+ /Ca 2+ обмінника. Це призводить до зменшення вмісту Ca 2+ у саркоплазматичному ретикулумі та погіршення скоротливості кардіоміоцитів. Поліпшення клінічного стану в результаті лікування супроводжується частковою нормалізацією цих змін, що вказує на центральну роль названих білків у регуляції скоротливості.

Симпатичні та парасимпатичні нервові закінчення розміщені поряд з клітинами синусового вузла і атріовентрикулярного вузла ( AV ), а також у міокарді передсердь, натомість у міокарді шлуночків наявні переважно закінчення симпатичних нервів. Вегетативна нервова система регулює функцію серця шляхом впливу на частоту серцевого ритму, швидкість проведення у AV-вузлі, а також на скоротливість робочих кардіоміоцитів передсердь та шлуночків.

Нейрогенна регуляція скоротливості серця відбувається переважно за посередництвом симпатичної нервової системи. Її медіатори (норадреналін і адреналін), діючи шляхом активації мембранних β-адренергічних рецепторів, викликають активацію протеїнкінази А та фосфорилювання різноманітних білків, відповідальних за клітинну дію цих медіаторів. Фосфорилювання білків іонних каналів у клітинах синусового вузла викликає прискорення їх автоматизму і функції серця. Сила скорочень кардіоміоцитів зростає разом з частотою ритму (у фізіологічних умовах), бо паралельно зі зменшенням тривалості періоду діастоли видалення Ca 2+ з кардіоміоцитів не встигає за поступленням цих іонів; кількість Ca 2+ , що зберігається “на складі” в клітині, збільшується. У робочих кардіоміоцитах фосфорилювання білків викликає зростання активності кальцієвих каналів типу L, SERCA та ріанодинових рецепторів, завдяки чому підвищуються відповідно: поступлення Ca 2+ до клітини, захоплення Ca 2+ за допомогою SERCA та легкість вивільнення Ca 2+ із саркоплазматичного ретикулуму. Наслідком стимуляції симпатичної нервової системи є зростання скоротливості кардіоміоцитів ( позитивний інотропний ефект ), прискорення їх релаксації ( позитивний люзитропний ефект ), прискорення ритму серця ( позитивний хронотропний ефект ), та додатково — прискорення проведення у атріовентрикулярному вузлі ( позитивний дромотропний ефект ).

Молекулярний механізм скорочення

Скорочення кардіоміоцитів можливе завдяки наявності білків скоротливого апарату, що складається з розміщених шеренгою вздовж клітини саркомерів (видимі у мікроскоп структури, що знаходяться між черговими Z-лініями), збудованих з тонких ( актин ) та товстих ( міозин ) філаментів, натягнутих поміж Z-дисками. Під час скорочення філаменти “всуваються” один поміж другого, що призводить до взаємного зближення Z-дисків та зменшення довжини саркомерів. Оскільки скоротливий апарат формує з’єднання з клітинною мембраною (костамери), укорочення саркомерів призводить до укорочення (скорочення) всієї клітини. Клітинна мембрана кардіоміоцитів формує з’єднання з густою сіткою елементів сполучної тканини, що обплітає її. Тому скорочення кардіоміоцитів викликає зміни форми та об’єму в цілому передсердь і шлуночків серця.

Укорочення саркомерів настає у результаті багаторазового повторення циклу формування з’єднань (т. зв. поперечних “місточків” між міозиновими та актиновими філаментами. Викликане потенціалом дії 10-разове зростання концентрації Ca 2+ у цитоплазмі (0,1–1,0 мкмоль/л) та формування комплексів Ca 2+ -тропонін C спричиняє конформаційні зміни у регуляторних білках, з’єднаних з актиновим філаментом (тропоміозин, а також тропоніни: T, I та C). Також відкриваються місця на актині, з якими можуть взаємодіяти т. зв міозинові голівки. Результатом цих взаємодій є пересування відносно себе актинових та міозинових філаментів. Релаксація потребує роз’єднання філаментів та залежить від темпу видалення Ca 2+ з цитоплазми.

Про силу скорочення кардіоміоцитів свідчить кількість “місточків” між міозиновими та актиновими філаментами. Чинники, що обумовлюють кількість “місточків” (і скоротливість) — це:

1) концентрація Ca 2+ у цитоплазмі

2) взаєморозміщення відносно себе актинових та міозинових філаментів на момент початку скорочення

Скоротливість кардіоміоцитів (та всього міокарду) зростає у міру їх пасивного розтягнення у спокої. Механізм Франка-Старлінга регуляції скоротливості міокарду полягає в тому, що саме подовження саркомерів у спокої створює умови для утворення більшої кількості міозинових “місточків”. У самому серці цей механізм працює за допомогою притоку крові до шлуночків у спокої. Це викликає пропорційне до нього [притоку крові] розтягнення у спокої міокарду шлуночків та зростання сили скорочення. Венозне повернення впливає на скоротливість серця через механізм Франка-Старлінга (рис. I.A.1-5). Про регуляторну ефективність механізму Франка-Старлінга свідчить той факт, що у осіб з трансплантованим (і денервованим) серцем добре збережена регуляція хвилинного об’єму.

Автоматизм та проведення електричних збуджень у серці

Джерелом електричних збуджень у серці є пейсмейкерні клітини, тобто спеціалізовані клітини серця, які мають здатність до спонтанного збудження ( автоматизм ). Потенціал спокою пейсмейкерних клітин не є постійним, як у робочих кардіоміоцитів, проте він самостійно зростає у напрямку порогового потенціалу (рис. I.A.1-3). Після його досягнення пейсмейкерна клітина сама збуджується, тобто генерує потенціал дії, який надалі стає джерелом струму, що збуджує сусідні клітини.

Пейсмейкерні клітини серця знаходяться переважно у провідній системі серця. До її складу входять 2 скупчення пейсмейкерних клітин, відомих як синусовий вузол та AV-вузол, а також провідна система шлуночків (пучок Гіса, його ніжки, а також волокна Пуркіньє), створена з клітин Пуркіньє. Фізіологічним пейсмейкером серця є синусовий вузол, оскільки частота його спонтанних збуджень — найвища.

Ритмічне електричне збудження, що спонтанно генерується у синусовому вузлі, локалізованому у правому передсерді, збуджує сусідні клітини правого передсердя, а потім розповсюджується на весь міокард передсердь, щоб наприкінці досягнути AV-вузла, який є єдиним електричним з’єднанням між передсердям та шлуночком (при синдромі преекзитації таких з’єднань більше). Потім через шлуночкову провідну систему збудження досягає міокарду шлуночків. Завдяки швидкому проведенню робочі кардіоміоцити шлуночків збуджуються та змушені скорочуватися майже в один і той самий час (збудження шлуночків триває 80–100 мс). Серцева недостатність супроводжується порушеннями внутрішньошлуночкового проведення, викликаними у т. ч. блокадою лівої ніжки пучка Гіса. У випадку блокади вільна стінка лівого шлуночка збуджується значно пізніше, аніж міжшлуночкова перетинка, результатом чого є диссинхронія систоли шлуночка. Погіршення гемодинамічної функції шлуночка – її негайний наслідок. Віддалені наслідки – зміни у фрагменті вільної стінки з диссинхронією, а саме: активація його скоротливості згідно з механізмом Франка-Старлінга, зростання споживання кисню, порушення експресії та функції білків внутрішньоклітинного обігу Ca 2+ , апоптоз, фіброз та інші зміни, типові для процесу ремоделювання міокарду. Ресинхронізаційна терапія ( CRT ), відповідно рано розпочата, корегує функцію серця та викликає реверсію процесу ремоделювання. Це свідчить про те, що електрична функція є важливою детермінантою гемодинамічної функції серця.

Частота спонтанних збуджень клітин синусового вузла є комбінацією власного ритму клітин синусового вузла та одночасних впливів симпатичної нервової системи (що прискорює синусовий ритм), а також парасимпатичної нервової системи (що сповільнює синусовий ритм). У дорослих осіб у стані спокою вплив симпатичної нервової системи на ритм невеликий. Про це свідчить факт, що блокада β-адренергічних рецепторів сповільнює синусовий ритм на кільканадцять збуджень на хвилину. Натомість атропін, який блокує холінергічні рецептори, в аналогічних умовах викликає підвищення частоти збуджень на ≈40%. Це вказує, що синусовий ритм залишається під домінуючим, сповільнюючим впливом блукаючого нерва.

Швидкість проведення електричних збуджень у тканині серця підвищується разом зі зростанням амплітуди потенціалів дії кардіоміоцитів та електричної провідності щілинних контактів між сусідніми кардіоміоцитами (білкові структури у клітинній мембрані, що формують канали, які поєднують сусідні кардіоміоцити), напр. одна з причин повільного проведення у серці при його недостатності — зменшена експресія конексонів, тобто білків, що формують щілинні контакти.

Амплітуда потенціалів дії є тим вища, чим у клітини більш негативний потенціал спокою. Тому всі чинники, що спричиняють деполяризацію серцевих клітин, викликають зменшення амплітуди їх потенціалів дії та сповільнення проведення. У робочих кардіоміоцитах передсердь та шлуночків, а також у системі Гіса та Пуркіньє — дуже висока амплітуда потенціалів, оскільки залежить від натрієвого потоку. В цих зонах проведення швидке (0,5–2 м/с) і на нього впливають втручання, що модифікують активність натрієвих каналів (антиаритмічні ЛЗ І класу сповільнюють проведення, оскільки блокують натрієві канали). Натомість у клітинах синусового вузла та AV-вузла амплітуда потенціалів невелика, оскільки залежить від кальцієвого потоку типу L. Тому проведення в обох вузлах є дуже повільним (

Енергетика серця та коронарний кровотік

Серце продукує ≈5 кг АТФ на добу і 70–80% цієї кількості використовується для генерації скорочення. Серцевих запасів високоенергетичних сполук (АТФ та креатинфосфату) вистачає тільки на кільканадцять чергових скорочень. З метою підтримки скоротливої функції серця необхідно, щоб вироблення АТФ постійно не відставало від його споживання. Вироблення АТФ у великій кількості безперервно триває усе життя. Його забезпечує аеробне окиснення жирних кислот, глюкози та молочної кислоти, що відбувається у мітохондріях. Серце пристосоване до аеробної продукції АТФ, тому мітохондрії займають 30–40% об’єму кардіоміоцитів, а судини мікроциркуляторного русла — 30–40% об’єму усієї тканини серця. Специфіка коронарного кровообігу полягає в тому, що екстракція кисню з крові серцем складає 60–70%, і в ситуаціях, коли збільшується навантаження на серце і його потреба у кисні — екстракція кисню уже практично не може зростати. Підвищення коронарного кровотоку — це єдиний спосіб підвищення подачі кисню до серця. У здоровому серці коронарний кровотік зростає лінійно, разом зі зростанням навантаження на серце.

Коронарний кровотік (Q) залежить від перфузійного тиску (ΔP, тобто різниці між тиском у аорті та у правому передсерді) та від судинного опору (R), що описується формулою Q = ΔP/R.

Судинний опір обернено пропорційний до четвертого степеня радіуса судини (закон Пуазейля). Оскільки перфузійний тиск у коронарному кровообігу — це радше стала величина, коронарний кровотік регулюють зміни судинного опору.

Коронарний кровообіг можна поділити на 4 функціональні сегменти:

1) великі епікардіальні артерії

2) субендокардіальні артерії (відходять від епікардіальних артерій перпендикулярно углиб міокарду, де багаторазово поділяються на дрібніші судини)

3) мікроциркуляторне русло (артеріоли та венули з діаметром

Загальний опір коронарного кровообігу — це сума опорів, що виникають в усіх судинних сегментах. При нормальному коронарному кровообігу мікроциркуляторне русло, а саме діаметр його судин, визначає 80% судинного опору. Регуляція кровотоку у здоровому серці відбувається переважно шляхом змін поточного напруження гладких м’язів, що формують стінки судин мікроциркуляторного русла (функціональна складова опору). Додатково на опір мікроциркуляторного русла впливає тиск ззовні, створений міокардом, який скорочується (компресійна складова опору).

Поточне напруження гладких міоцитів судин є результатом взаємодії одночасно діючих чинників — вазоспастичних та вазодилятуючих. Головним вазоспастичним чинником судин мікроциркуляторного русла є міогенна активність гладких м’язів, яка полягає в тому, що гладкі міоцити скорочуються пропорційно до зростання перфузійного тиску та розтягнення судинної стінки. Це призводить до того, що загалом кровотік у різних судинних ложах, у т.ч. і коронарний кровотік, залишається незмінним ( феномен ауторегуляції кровотоку ) — рис. I.A.1-6.

Сполуки, які викликають максимальну вазодилятацію та максимальне зростання кровотоку (аденозин, дипіридамол), нівелюють ауторегуляцію, тому залежність між коронарним кровотоком та перфузійним тиском у присутності цих сполук стає лінійною — рис. I.A.1-6.

Коронарний резерв — це максимально можливе зростання коронарного кровотоку, виражене як відсоток коронарного кровотоку (в нормі 300–600%). У здоровому серці коронарний резерв не є фактором, що обмежує фізичне навантаження (в момент максимального навантаження коронарним судинам безперервно доступний ще дилятаційний резерв).

Коронарний резерв зменшується разом із:

1) падінням перфузійного тиску (рис. I.A.1-6)

2) прискоренням ритму серця (див. нижче)

3) ступенем погіршення функції ендотелій-залежної вазодилятації (т. зв. дисфункція ендотелію)

4) зменшенням густини судин мікроциркуляторного русла або їх ремоделюванням (напр., при артеріальній гіпертензії), а також

5) під впливом чинників, які підвищують коронарний кровотік у спокої (напр., анемія).

Зменшення тканинної концентрації кисню, що супроводжує зростання навантаження на серце (перевантажені кардіоміоцити споживають більше кисню), є ключовим стимулом, що викликає дилятацію судин мікроциркуляторного русла (метаболічна регуляція кровотоку). Це відбувається шляхом обмеження проникнення Ca 2+ до гладких міоцитів. Дилятація судин мікроциркуляторного русла тягне за собою падіння загального коронарного опору та пропорційне зростання коронарного кровотоку. Цей механізм забезпечує негайне пристосування коронарного кровотоку до метаболічних потреб серця.

Зростання кровотоку, що залежить від метаболічного чинника, одночасно активує залежну від ендотелію складову регуляції коронарного кровотоку. Ендотелій частково бере на себе тягар регуляції кровотоку та уможливлює подальше реагування мікроциркуляції на метаболічний стимул. Пропорційно до величини кровотоку зростає і т. зв. зсувна сила (сила тертя в’язкої крові по поверхні ендотелію, що вистилає коронарні судини) [shear force], яка стимулює ендотеліоцити до підвищеної продукції оксиду азоту ( NO ), який викликає виражену вазодилятацію.

Численні сполуки, такі як катехоламіни, ацетилхолін, серотонін, АДФ, гістамін та ендотелін 1 виявляють вазодилятуючу чи вазоспастичну дію залежно від функціонального стану ендотелію. У судинах зі здоровим ендотелієм переважає їх ефект, що є наслідком вивільнення NO — тому розвивається дилятація судин. Натомість у судинах з пошкодженим ендотелієм дані сполуки викликають вазоспазм.

Коронарні судини знаходяться в товщі міокарду, який під час систоли стискає судини мікроциркуляторного русла, підвищуючи їх опір. Ця зовнішньосудинна компресія невелика у правому шлуночку, проте дуже велика у субендокардіальному шарі лівого шлуночка (у період систоли шлуночка кровотік у мікроциркуляторному руслі повністю зупиняється!), і знижується у напрямку епікарду. Тому перфузія субендокардіального шару лівого шлуночка можлива лише у період діастоли шлуночка.

Загальний коронарний опір — це сума функціонального та компресійного опору. У здоровому серці метаболічна регуляція судинного опору повністю зрівноважує зростання опору, що супроводжує прискорену ЧСС, а отже серцевий ритм не обмежує коронарний кровотік. Однак це відбувається за рахунок зменшення коронарного резерву. Вплив компресійного опору проявляється натомість у ділянках серця, в яких вичерпаний дилятаційний резерв мікроциркуляторного русла, напр. у місцях, яким забезпечують кровопостачання звужені епікардіальні артерії. У такій ситуації препарати, що сповільнюють ритм серця (напр., β-блокатори), — зменшують компресійну складову опору та поліпшують перфузію ділянки міокарду, що розміщена дистальніше від місця звуження артерії.

Продуктивність серцевого насосу є результатом взаємодії ударного об’єму та частоти серцевого ритму. Ударний об’єм залежить від відношення максимальної сили скорочення м’язу (скоротливості) до величини його навантаження (рис. I.A.1-2).

У камерах серця переважає тиск, який тисне на стінки та генерує в них складову частину сили, що викликає їх розтягнення. Загальна сила, що розтягує стінку, описується терміном “ напруження стінки ” (τ) і є виміром навантаження на стінку як на ціле. В кулястих або циліндричних судинах величину напруження описує закон Лапласа : τ = P × r (τ — напруження, P — тиск у судині, r — радіус її кривизни). З поміж камер серця лише лівий шлуночок має досить постійну форму (середнє між кулею та циліндром), тому тільки у його випадку можлива у певній мірі точна оцінка напруження (навантаження) стінки.

Кардіоміоцити “вписані” у кривизну камер серця та розтягнені під дією напруження стінки. У товстій стінці напруження поділяється на більшу кількість кардіоміоцитів, тому кожен з них розтягується слабше, натомість у тонкій стінці окремі кардіоміоцити більш розтягнені при даному напруженні. Тому виміром сили, що розтягує окремі клітини лівого шлуночка серця (виміром навантаження на них), є напруження лівого шлуночка (τ) поділене на площу поверхні перерізу його міокарду. Ця величина описується терміном “ напруження стінки ” (σ); це є сила, що розтягує окремі кардіоміоцити у період діастоли шлуночка, а також сила, супроти якої відбувається скорочення. Напруження (σ) стінки судини також описує закон Лапласа, який має інший вигляд у випадку кулястих та циліндричних судин. При клінічних дослідженнях зазвичай оцінюють т. зв. циркулярне ( vs поздовжнє) напруження лівого шлуночка, яке розраховують на підставі ехокардіографічного вимірювання короткої вісі лівого шлуночка та товщини його стінки. При наукових дослідженнях розраховують циркулярне напруження лівого шлуночка, використовуючи як рівняння для кулі (σ к ), так і рівняння для циліндра (σ ц ). Ці рівняння мають наступний вигляд:

1) σ к (г/см) = [P × D/4 h (1 + h/D)] × 1,36

(P — тиск у лівому шлуночку, D — коротка вісь лівого шлуночка [D = 2 × радіус кривизни шлуночка], h — товщина стінки лівого шлуночка).

Навантаження на кардіоміоцити лівого шлуночка (σ) зростає разом з тиском у шлуночку і довжиною його короткої вісі (що збільшується разом з об’ємом шлуночка), і є тим більше [навантаження], чим тонша стінка шлуночка. При станах, що супроводжуються зростанням напруження у стінках шлуночків, серце прагне до нормалізації напруження шляхом активації механізму зростання товщини стінки шлуночка. Серцева недостатність — це стан, при якому гіпертрофія міокарду не встигає за зростанням напруження. Споживання кисню серцем, у перерахуванні на грам серцевої тканини, тісно корелює з величиною напруження у лівому шлуночку. Це демонструє, що напруження — зручний вимір навантаження на міокард шлуночка.

Тиск у шлуночку, радіус та товщина стінки, а разом з ними напруження у стінці — невпинно змінюються під час серцевого циклу. Тому з огляду на легкість вимірювання та функціональне значення, напруження лівого шлуночка аналізують зазвичай лише на початку та в кінці ізоволюмічного скорочення шлуночка.

Переднавантаження — це сила, з якою стінка шлуночка розтягується кров’ю наприкінці періоду діастоли (в момент закриття стулок AV-клапану). Його величина є відповідно пропорційна до кінцево-діастолічного тиску та об’єму шлуночка (до радіуса його кривизни). З функціональної точки зору, переднавантаження є чинником, що характеризує рівень активності механізму Франка-Старлінга.

Післянавантаження — це сила, з якою стінка шлуночка розтягується у момент відкриття півмісяцевого клапану аорти. Його величина пропорційна до систолічного тиску та об’єму шлуночка в цей момент. На післянавантаження має вплив саме серце (через об’єм та товщину стінок шлуночка), а також система артерій через зміни судинного опору, які характеризують діастолічний тиск в аорті: тиск в аорті = хвилинний об’єм серця × загальний судинний опір.

Післянавантаження лівого шлуночка — це сила, супроти якої його міокард скорочується у фазі вигнання та виштовхує кров до аорти. Ударний об’єм крові залежить від кінцево-діастолічного об’єму шлуночка, проте переважно від амплітуди укорочення міокарду шлуночка у фазі вигнання.

Часта причина зростання післянавантаження лівого шлуночка — різкий підйом артеріального тиску, що викликає миттєве зменшення ударного об’єму лівого шлуночка, його фракції викиду та одночасне зростання кінцево-діастолічного об’єму, а також розтягнення стінки лівого шлуночка. Таким чином запускається механізм Франка-Старлінга, завдяки якому ударний об’єм та фракція викиду повертаються до початкового стану. Однак це відбувається за рахунок зростання роботи викиду та підвищення енергетичної потреби міокарду. Зростання тиску погіршують спорожнення шлуночка більшою мірою у великих, аніж у малих серцях. Саме тому у осіб зі збільшеним серцем підвищення тиску можуть викликати гостру серцеву недостатність.

Енергетична продуктивність серця як насосу складає 5–20%; тільки такий відсоток енергії, спожитої серцем, використовується для виконання гемодинамічної роботи, а решто перетворюється на тепло. Найбільше енергії потребує створення напруження у стінці шлуночка під час ізоволюмічного скорочення. Енергетичне навантаження на серце росте пропорційно до серцевого ритму, а зростання скоротливості міокарду пов’язане з падінням енергетичної продуктивності серця. Енергетична продуктивність гемодинамічної роботи найвища у осіб, які мають: повільний серцевий ритм, невеликі розміри шлуночка, низький артеріальний тиск та низьку скоротливість міокарду.