9.2. Соотношение между скоростью

И СИЛОЙ СОКРАЩЕНИЯ В ВОЛОКНАХ МИОКАРДА

В. С. Сальманович

Кривые сила—скорость. Активность сократительного элемента может быть механически охарактеризована соотноше­нием между силой и скоростью укорочения сократительного эле­мента при данной мгновенной длине мышцы. Для того чтобы вы­явить это соотношение, нужно обеспечить постоянство длины последовательного упругого элемента; тогда наблюдаемые измене­ния длины мышцы будут соответствовать укорочению сократи­тельного элемента. Это достигается применением метода «последую­щей нагрузки» мышцы, сокращающейся в изотоническом режиме (рис. 9.1). По этому методу начальная длина мышцы задается малой «предварительной» нагрузкой и держится постоянной с по­мощью специального стопорного устройства. Затем к мышце подвешивается дополнительный груз — «последующая нагрузка», причем длина мышцы из-за фиксации ее стопором сохраняется неиз­менной. Сумма «предварительной» и «последующей» нагрузок со-ставляет ту общую нагрузку, которую должен преодолеть сокра­тительный элемент, чтобы начать укорачиваться. При раздраже­нии мышцы электрическим током происходит укорочение сокра­тительного элемента, что вызывает растяжение последовательного упругого элемента. Возникающая в результате этого взаимодей­ствия сила вначале еще мала для поднятия груза и проявляется в виде изометрического сокращения при заданной начальной длине. Растяжение упругого элемента завершается в изометрической фазе сокращения, и последующая изотоническая его фаза, возникающая, когда развиваемая мышцей сила окажется достаточной для подня­тия груза, осуществляется уже в условиях постоянства длины упругого элемента. Существенно, что в отличие от метода быстрого

174

освобождения, в данном методе переход от изометрической фазы к изотонической происходит без скачкообразного изменения усилия в мышце.

С помощью этого метода показано, что зависимость между на­грузкой и скоростью укорочения сердечной мышцы графически представляет собой отрезок кривой типа гиперболы [490, 1071 ].

Из кривой (рис. 9.4) видно, что когда нагрузка равна нулю, изо­тоническое укорочение развивается с максимальной скоростью (υ₀). Когда же нагрузка столь велика, что укорочение полностью отсутствует, сократительный элемент генерирует максимальное изометрическое напряжение (p₀). В этом смысле кривая сила— скорость для сердечной мышцы не отличается от таковой для ске­летных мышц.

Однако следует помнить, что отдельным точкам этой кривой (различным р) соответствуют,

Рис. 9.4. Соотношение сила—ско­рость для папиллярной мышцы кошки.

По оси абсцисс — нагрузка; по оси орди­ нат — начальная скорость укорочения г (отложена как функция последующей на- грузки). Начальная длина мышцы l_{0 =} = 9 мм; предварительная нагрузка 0.3 Г, частота сокращений 12 в 1 мин. Темпе­ ратура 25°. 0— —у~ ~^0- _г

во-первых, различные начальные длины сократительного элемента (при одной и той же начальной длине мышцы) и, во-вторых, разные стадии активного состояния. Действительно, момент, когда начинается изотоническая фаза, зависит от суммарного груза и, стало быть, всякий раз неодинаково отстоит как от момента мак­симума активного состояния, так и от момента стимуляции. Пред­варительное (к началу изотонической фазы) изменение длины сократительного элемента в свою очередь зависит от продолжи­тельности изометрической фазы.

Согласно теории скользящих нитей, генерируемая сократи­тельным элементом сила отражает количество взаимодействий актина с миозином, а скорость укорочения определяется скоростью, с которой актомиозин гидролизует АТФ. Это положение следует из работы Барани [334], в которой сравнивалась АТФазная актив­ность миозина и актомиозина разных мышц животных и человека, имеющих более чем 200-кратный диапазон изменения максимальной скорости укорочения. Автор установил очень высокую степень корреляции между АТФазной активностью и максимальной ско­ростью, укорочения мышц. Было также установлено, что интенсив­ность АТФазной активности мышц не обнаруживает корреляции с развиваемым ими напряжением. В свою очередь напряжение мышц

175

обнаруживало отчетливую корреляцию с содержанием актомио-зина в мышцах или, точнее, с количеством поперечных связей между актином и миозином в 1 см² поперечного сечения мышцы.

Рассматривая с этих позиций кривую сила—скорость, допу­стимо принять, что при р=0 все потенциальные места взаимодей­ствия актина с миозином свободны для гидролиза АТФ, соответ­ственно чему скорость освобождения энергии, проявляющаяся скоростью укорочения, оказывается максимальной. При макси­мальном изометрическом напряжении все поперечные мостики мо­лекулы миозина связаны с актином, в результате чего υ =0.

Влияние исходной длины волокон миокарда. Различные вмеша­тельства, которые меняют характеристики миокарда, сдвигают соотношение сила—скорость. Наиболее важными из них являются изменения частоты сокращений и начальной длины миокарди-ального волокна, поскольку именно через эти параметры осуще­ствляется адаптация интактного миокарда к насосной функции и реализуется воздействие на сердце многих физиологических фак­торов и фармакологических агентов.

Показано [1074], что увеличение частоты сокращений при од­ной и той же начальной длине волокна приводит к возрастанию максимальной скорости укорочения без какого-либо сдвига в зна­чении р; возможно, учащение сердечного ритма увеличивает скорость течения химических процессов в сократительном элементе, но не меняет количества генерирующих силу поперечных связей [951].

В отличие от увеличения частоты сокращений увеличение на­чальной длины миокардиального волокна вызывает заметный рост масимальной силы р₀ и скорости укорочения при любых нагрузках, меньших р₀, хотя максимальная скорость укорочения при этом остается постоянной, не зависящей, таким образом, от исходной длины волокна.

Описанные изменения кривой сила—скорость в ответ на изме­нение начальной длины волокна лежат в основе феномена Франка— Старлинга (см. гл. 18), ибо активация миокардиальных волокон увеличивается с ростом исходной длины мышцы [951 ].Наряду с этим постоянство максимальной скорости укорочения при раз­ных исходных длинах волокна позволило Зонненблику [1069] рассматривать ее как истинную меру сократимости миокарда, не зависящую от механизма Франка—Старлинга.

Согласно концепции взаимодействия актиновых и миозиновых нитей, описанные изменения кривой сила—скорость при разной исходной длине волокна должны означать, что увеличение длины мышцы приводит к увеличению числа возможных поперечных связей, обусловливающих генерацию силы, хотя максимальная скорость, с которой химическая энергия превращается в механи­ческую в любом из этих мест связи, остается той же самой [951]. Такая трактовка данных согласуется с результатами электронно-микроскопического исследования особенностей строения саркоме-

ров, а также деятельностью сердечной мышцы при ее растяжении разной интенсивности [1082]. Установлено, что саркомеры в нера­стянутой мышце кошки имеют длину 1.5—1.6 мкм, в центре их выяв­ляется зона двойного перекрытия тонких нитей — так называемая А-полоса. По мере растягивания мышцы ширина этой полосы уменьшается, и при длине саркомера более 1.8 мкм полоса исче­зает. Ее исчезновение означает, что при данной длине саркомера актиновые нити уже не заходят одна за другую, а располагаются в центре саркомера «голова к голове». Это позволяет каждой реаги­ровать с миозиновыми нитями по всей своей длине и обеспечивает тем самым в мышце наибольшее число генерирующих силу попе­речных связей. Действительно, результаты сопоставления длин саркомеров с интенсивностью развиваемого мышцей напряжения показали, что максимальное напряжение создается мышцей при длинах саркомеров 2.2 мкм, когда заведомо исчезала А-полоса.

Помимо исходной длины волокна на соотношение сила—ско­рость влияют и изменения длины волокна в ходе самого сокра­щения. Это влияние осуществляется независимо от того, какой была начальная длина миокардиального волокна [490,1070,1073]. Такие данные были получены путем измерения мгновенных ско­ростей укорочения как функции длины мышцы в условиях разной исходной нагрузки.

Совокупность сведений о сократительном состоянии мио­кардиального волокна показывает, что оно определяется тремя переменными: силой, скоростью укорочения сократительного эле­мента и длиной волокна, каждая из которых зависит от времени, прошедшего после начала процесса возбуждения [1070].

Соотношение сила—скорость позволяет получить информацию о полезной мощности и работе мышцы. Полезная работа W в изо­тоническом режиме может быть определена как

W = p • ∆L (9.3)

Где p — нагрузка, ∆L — укорочение мышцы, а полезная мощность, или скорость совершения полезной работы, W как

W= p •υ (9.4)

где υ — скорость укорочения. На обоих концах кривой сила-скорость, т. е. при нулевой и максимальной нагрузках, мышца не совершает полезной работы и не производит полезной мощности. Между этими крайними значениями нагрузок полезные работа и мощность достигают своего наибольшего значения при нагрузке, равной приблизительно 40% максимальной.

176

12 Физиология кровообращения

177

'9.3. СОКРАТИТЕЛЬНЫЙ И УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТЫ МИОКАРДИАЛЬНЫХ ВОЛОКОН И НРЯЖЕНИЕ ПОКОЯ

Ш. Сальманович

Согласно модели Хилла, мышечное напряжение раз­вивается тогда, когда сократительный элемент укорачивается и растягивает последовательный упругий элемент. Если концы мышцы фиксированы (изометрическое сокращение), то на после­довательном упругом элементе создается сила, величина которой зависит от степени укорочения сократительного элемента и по­датливости самого последовательного элемента. Таким образом, свойства последовательного упругого элемента, который является пассивной пружиноподобной структурой, а также его располо­жение по отношению к сократительному и параллельному упру­гому элементам имеют весьма существенное значение для генери­руемого мышцей напряжения.

На папиллярной мышце кошки показано, что поведение после­довательного упругого элемента во время сокращения мышцы характеризуется кривой нагрузка—растяжение, которая имеет форму экспоненты [935]. Наибольшее растяжение последователь­ного упругого элемента составляет по одним данным 6—12% [490 ], по другим — 4—5% длины мышцы в покое [301, 935].

На механические свойства последовательного упругого эле­мента не влияет функциональное состояние сократительного элемента. Такое заключение основано на следующих фактах: 1) жесткость последовательного элемента при данном уровне напряжения одинакова во время подъема и спада сокращения, когда интенсивность активного состояния миокарда заведомо разная; 2) на кривую нагрузка—растяжение последовательного элемента не влияют ни вещества, оказывающие инотропное влияние на миокард (например, адреналин), ни частота сокращений. Не­изменной остается кривая и в условиях постэкстрасистолической потенциации. Кривая нагрузка—растяжение не зависит от на­чальной длины миокардиального волокна [1074]. В гипертониче­ских растворах растяжимость последовательного упругого элемента уменьшается.

Общепризнано, что сократительный элемент модели Хилла локализуется в саркомере, точнее — на поперечных мостиках, соединяющих во время сокращения толстые миозиновые нити с тонкими актиновыми. Локализация последовательного упругого элемента модели в сердечной мышце неясна. Предполагают, что последовательный упругий элемент сердечной мышцы связан главным образом с самой сократительной системой. Возможно, что часть его локализуется в местах соединения актиновых нитей с Z-линиями, другая же часть во время сокращения располагается в зонах контакта миозиновых головок с тонкими актиновыми

178

нитями — там, где развивается и активное напряжение [681—684, 951]. Не исключено, что часть последовательного упругого эле­мента находится в местах клеточных границ миокарда — у вста­вочных дисков, которые располагаются приблизительно через каждые 100 мкм волокна. Наличие большого числа вставочных дисков в единице объема миокарда может, в частности, определять большую степень податливости сердечной мышцы по сравнению со скелетной [1071, 1073].

Напряжение покоя в миокарде значительно выше, чем в ске­летной мышце. Как полагают, в скелетной мышце оно создается за счет упругости сарколеммы; в сердечной мышце происхождение напряжения покоя более сложное. Некоторые исследователи свя­зывают его с внеклеточными эластическими структурами сердца — коллагеном и эластином [815].

Содержание коллагена в сердечной мышце, по данным разных авторов, составляет 1—5.5%. В стенке желудочка кролика оно в 7 раз выше, чем в скелетной мышце [554]. Полагают, что соотно­шение нагрузка—растяжение для коллагена и эластина графиче­ски имеет форму экспоненты и соответствует тем самым форме кривой нагрузка—растяжение сердечной мышцы в покое. Если выразить податливость как процентное изменение длины, вызывае­мое увеличением нагрузки в е раз (где е — основание натуральных логарифмов), то для коллагена и эластина она составляет соответ­ственно 1 и 15%. Эти цифры близки к податливости сердечной мышцы, равной 6—10% при длине саркомера от 1.9 до 2.2 мкм. Это показывает, что эластин и коллаген могут участвовать в форми­ровании напряжения покоя сердечной мышцы. •

Зонненблик с сотрудниками установили [1073, 1082], что в на­пряжении покоя сердечной мышцы существенную роль играет длина саркомера. Они показали, что в вырезанной папиллярной мышце кошки напряжение покоя появляется при длине саркоме-ров около 1.5 мкм (нерастянутые одиночные сухожильные волокна имеют длину саркомеров 1.9 мкм). При длине саркомеров 2.2 мкм, при которой развивается максимальное активное напряжение, напряжение покоя значительно возрастает, составляя 40—80% величины максимального активного напряжения. Эта величина напряжения покоя в 10 раз больше того, которое развивает скелет-ная мышца в тех же условиях, т. е. при максимальном активном напряжении и длине саркомеров 2.2 мкм. При больших длинах саркомеров, при которых активное напряжение падает до нуля, напряжение покоя в обоих типах мышц — сердечной и скелетной — становится приблизительно одинаковым [370, 580, 581 ]. Поскольку разные длины саркомера характеризуются разной степенью пере­крытия и взаимодействия актиновых и миозиновых нитей, выска­зано предположение, что напряжение покоя сердечной мышцы существенно зависит от степени взаимодействия нитей [1074]. При больших длинах саркомеров, когда взаимодействие между актиновыми и миозиновыми нитями снижается или Делается не-

179

возможным, напряжение покоя в сердечной мышце целиком оп­ределяется тем же фактором, что и в скелетной мышце — упру­гостью сарколеммы.

Наряду с этим получены и другие данные, которые устанавли­вают существенную роль в происхождении напряжения покоя структуры тонких актиновых нитей. Изучая растяжимость папил­лярной мышцы крысы до и после воздействия протеолитическими ферментами и растворами, экстрагирующими белки, Гримм и Уайтгорн [590 ] обнаружили, что под действием протеолитических ферментов уменьшаются как напряжение покоя, так и активное напряжение сердечной мышцы. В то же время экстракция актомио-зина (но не миозина) вызывала заметное снижение напряжения по­коя. Отсюда авторы заключили, что высокое напряжение покоя сердечной мышцы может быть специфически связано со свойствами и структурой тонких нитей, а не определяться только коллагено-выми волокнами и сарколеммой.