Обмен веществ в сердце
Обмен веществ в сердце
Общие физиологические сведения
Функционирование сердца как насоса всецело зависит от непрерывного поступления энергии. Непосредственно в ткани миокарда существенные запасы энергии практически отсутствуют, поэтому адекватное кровоснабжение через сеть коронарных сосудов является критическим фактором обеспечения метаболических потребностей сердечной мышцы. Внутриклеточные затраты энергии направлены на выполнение механической работы, осуществление активного транспорта ионов, синтез макромолекул для поддержания и восстановления структурных компонентов клеток при микроповреждениях, а также на теплопродукцию. Химическая энергия, аккумулированная в макроэргических связях молекул аденозинтрифосфата, расходуется преимущественно на обеспечение процесса сокращения миокарда. Поскольку сердце генерирует сокращения непрерывно, около восьмидесяти процентов клеточного пула аденозинтрифосфата уходит на формирование поперечных актин-миозиновых мостиков и обеспечение энергозависимого транспорта ионов кальция, необходимого для электромеханического сопряжения. Лишь небольшая доля энергии потребляется для поддержания физиологических трансмембранных градиентов других ионов с помощью механизмов первично-активного транспорта.
Механическая работа сердца традиционно классифицируется на работу против давления и работу против объема. Энергозатраты на преодоление давления и перемещение ударного объема существенно различаются между левым и правым желудочками ввиду гемодинамической разницы сопротивлений в большом и малом кругах кровообращения. Ударный объем крови, выбрасываемый обоими желудочками, в норме примерно одинаков. Однако соотношение работы против давления между левым и правым отделами составляет приблизительно семь к одному, поскольку среднее артериальное давление в аорте значительно превышает гидростатическое давление в системе легочных артерий. В связи с этим миокард левого желудочка вынужден генерировать усилие, в несколько раз превышающее усилие правого желудочка, что требует соответствующих метаболических затрат.
Общая физическая работа сердца составляет в среднем около полутора джоулей на одно сердечное сокращение. В структуре общих энергозатрат на одиночный сердечный цикл примерно семьдесят пять процентов энергии расходуется на создание внутрижелудочкового давления. Около двадцати трех процентов энергии требуется на формирование и поддержание кинетики пульсовой волны в фазу изгнания. Оставшиеся два процента представляют собой работу, направленную на придание ускорения ударному объему крови при выбросе в магистральные сосуды. При патологических состояниях гемодинамики распределение энергетических ресурсов претерпевает изменения. Так, при артериальной гипертензии компенсаторно возрастает доля работы против давления, что ведет к ускоренному изнашиванию миокарда из-за повышенных метаболических потребностей. При недостаточности аортального клапана, сопровождающейся обратным током крови в левый желудочек во время диастолы, возникает существенная дополнительная нагрузка объемом, а также возрастают затраты энергии на придание ускорения избыточной массе крови. Коэффициент полезного действия механической работы здорового миокарда составляет приблизительно пятнадцать процентов, и эта величина находится в прямой зависимости от соотношения работы против давления к работе против объема.
Энергетические субстраты и пути метаболизма
Сердечная мышца нуждается в непрерывном притоке питательных веществ не только во время активного сокращения, но и в фазе диастолического расслабления. Отличительной характеристикой кардиального метаболизма является его высокая пластичность и способность адаптироваться к колебаниям доступности различных субстратов в плазме крови. В нормальных физиологических условиях около девяноста процентов энергетических потребностей миокарда в состоянии покоя обеспечивается за счет окисления свободных жирных кислот, лактата и глюкозы. Оставшиеся десять процентов метаболического запроса покрываются за счет окисления пирувата, кетоновых тел и свободных аминокислот. Миокард способен оперативно переключаться между различными видами энергетического топлива в зависимости от их концентрации в крови и текущих потребностей организма. В частности, утилизация лактата многократно возрастает при интенсивных физических нагрузках. В такие периоды скелетная мускулатура переходит на анаэробный путь окисления и активно выделяет молочную кислоту в системный кровоток. Поглощая и метаболизируя избыточный лактат, сердечная мышца не только удовлетворяет собственные энергетические потребности, но и выполняет важную функцию в поддержании системного кислотно-щелочного гомеостаза.
Процесс извлечения химической энергии в здоровом миокарде протекает преимущественно в аэробных условиях, что обусловлено его приоритетным снабжением артериальной кровью. На начальных этапах клеточного дыхания из жирных кислот, глюкозы и лактата образуются молекулы-восстановители в форме никотинамидадениндинуклеотида и флавинадениндинуклеотида. В присутствии молекулярного кислорода эти эквиваленты окисляются в митохондриальной электронно-транспортной цепи, что сопровождается сопряженным фосфорилированием молекул аденозиндифосфата до аденозинтрифосфата. Ограниченное количество макроэргических связей также образуется непосредственно в ходе гликолиза и в реакциях цикла трикарбоновых кислот, где синтезируется в том числе гуанозинтрифосфат. Важнейшим механизмом стабилизации энергетического пула клетки является система креатинфосфата. За счет обратимой креатинкиназной реакции, переносящей фосфатную группу на аденозиндифосфат, креатинфосфат функционирует как мощный внутриклеточный энергетический буфер. Этот механизм эффективно предотвращает критические падения уровня доступного аденозинтрифосфата при резких изменениях сократительной активности. В состоянии покоя интенсивность обмена веществ в сердечной ткани обеспечивает синтез от двадцати до тридцати микромоль аденозинтрифосфата в минуту в расчете на один грамм миокарда.
Потребление кислорода и гипоксия
Уровень экстракции и потребления кислорода сердечной мышцей отличается исключительно высокими показателями. Базовое потребление кислорода составляет порядка четырех-пяти микромоль в минуту на каждый грамм массы миокарда. В глобальном масштабе на обеспечение функции сердца расходуется около десяти процентов от всего объема кислорода, потребляемого организмом. В фазе физиологического покоя миокарда потребление кислорода кратковременно снижается до десяти-двадцати процентов от максимальных рабочих значений, однако из-за непрерывного чередования циклов систолы и диастолы локальные потребности в окислителе флуктуируют ежесекундно. Основной объем поступающего кислорода утилизируется непосредственно кардиомиоцитами. Вклад эндотелиальных и гладкомышечных клеток сосудистого русла сердца в общий кислородный баланс органа незначителен. При достаточной доступности субстратов эндотелиоциты и гладкие миоциты способны эффективно поддерживать свою жизнедеятельность анаэробным путем.
Для сократительных клеток миокарда переход на анаэробный метаболизм является неблагоприятным фактором и признаком развития патологии. При дефиците кислорода нормальное функционирование митохондриальной дыхательной цепи блокируется. Внутри клетки происходит патологическое накопление неиспользованных восстановительных эквивалентов. Избыток этих молекул смещает биохимическое равновесие, что приводит к стимуляции превращения пирувата в лактат непосредственно в сердечной ткани. Таким образом, усиленная выработка молочной кислоты самим миокардом служит достоверным диагностическим признаком выраженной тканевой гипоксии. Интенсивность энергетического обмена в сердце резко контрастирует с крайне малыми внутренними запасами макроэргических соединений и кислорода. Тканевые резервы составляют лишь около пяти микромоль аденозинтрифосфата и семи микромоль креатинфосфата на грамм сердечной мышцы. При внезапном прекращении кровоснабжения сердце способно поддерживать механическую функцию исключительно за счет этих резервов лишь в течение нескольких секунд, после чего развиваются тяжелые функциональные нарушения. Необратимые структурные изменения в клетках миокарда наступают приблизительно через двадцать минут абсолютной ишемии, что завершается развитием некроза ткани, клинически определяемого как инфаркт миокарда.
Гемодинамика коронарного кровообращения
Экстремально высокая потребность кардиомиоцитов в кислороде удовлетворяется за счет особенностей коронарной гемодинамики. В нормальных условиях сердце извлекает из протекающей по его сосудам артериальной крови около шестидесяти трех процентов всего содержащегося в ней кислорода. На фоне тяжелой физической нагрузки этот показатель экстракции может возрастать еще на двадцать процентов. Одновременно с этим объем протекающей через коронарное русло крови способен увеличиваться примерно в пять раз. В совокупности эти механизмы позволяют сердцу при максимальной физической активности повышать потребление кислорода почти в шесть раз по сравнению с состоянием покоя. Ограничение способности коронарных сосудов к расширению является главным лимитирующим фактором сердечной функции. Способность коронарного русла увеличивать кровоток в ответ на фармакологическую или метаболическую стимуляцию при неизменном системном артериальном давлении называется коронарным резервом. В здоровом сердце коронарный резерв обеспечивает увеличение перфузии в три-четыре раза. При развитии ишемической болезни сердца сосуды теряют способность к адекватному расширению, что критически снижает доставку кислорода к тканям.
Кровоснабжение миокарда правого и левого желудочков характеризуется существенными различиями, обусловленными разной механической нагрузкой этих отделов. Кровоток в правой коронарной артерии, питающей преимущественно правый желудочек, в значительной степени синхронизирован с кривой давления в аорте и остается непрерывным на протяжении всего сердечного цикла. Кровоток в системе левой коронарной артерии, напротив, подвержен резким фазовым колебаниям из-за феномена миокардиальной компрессии. Во время систолы мощное сокращение мышечной массы левого желудочка генерирует внутриполостное давление порядка ста двадцати миллиметров ртутного столба. В это же время тканевое давление в субэндокардиальных слоях миокарда достигает аналогичных значений, что приводит к механическому сдавлению интрамиокардиальных сегментов коронарных артерий и полному прекращению субэндокардиального кровотока. В субэпикардиальных слоях тканевое давление значительно ниже, поэтому перфузия наружных слоев сердца сохраняется. Резкий дефицит кровоснабжения во время систолы полностью компенсируется в фазу диастолы, когда расслабление миокарда снимает компрессию с сосудов, и кровоток в левой коронарной артерии достигает максимальных значений. Несмотря на гемодинамическую компенсацию, субэндокардиальные слои левого желудочка отличаются более низкой средней величиной парциального давления кислорода и более высокой артериовенозной разницей по кислороду. Эти анатомо-физиологические особенности делают внутренние слои миокарда левого желудочка зоной максимального риска развития ишемического повреждения, особенно при наличии атеросклеротического поражения сосудов, когда внутрисосудистое давление на дистальных участках артерий исходно снижено.
Регуляция коронарного кровотока
Адекватность коронарного кровотока обеспечивается сложной системой регуляции тонуса гладкомышечных элементов сосудистой стенки. Контроль перфузии осуществляется через интеграцию системных, локальных метаболических и ауторегуляторных механизмов. Системная нейрогуморальная регуляция реализуется преимущественно посредством симпатической нервной системы и гормонов мозгового вещества надпочечников. Терминали симпатических нервов высвобождают норадреналин, который избирательно взаимодействует в основном с бета-адренорецепторами. Циркулирующий в кровотоке адреналин проявляет большее сродство к альфа-адренорецепторам. В условиях психоэмоционального стресса или физической нагрузки массивный выброс этих катехоламинов вызывает мощное увеличение сократительной активности миокарда с параллельным расширением коронарных сосудов для обеспечения возросших метаболических запросов органа.
На тканевом уровне ведущую роль в модуляции сосудистого тонуса играют местные метаболические факторы. Снижение концентрации кислорода, повышение уровня углекислого газа, а также накопление в межклеточном пространстве аденозина являются мощными стимулами к вазодилатации. Аналогичным расслабляющим действием на гладкомышечные клетки коронарных артерий обладают эндогенный оксид азота и специфические простагландины. Важной физиологической особенностью коронарного русла является выраженный механизм миогенной ауторегуляции. При повышении системного артериального давления механическое растяжение стенок коронарных сосудов инициирует рефлекторное сокращение гладких мышц, что повышает сосудистое сопротивление. И наоборот, падение давления и ослабление растяжения стенки приводят к реактивному снижению тонуса и расширению просвета сосуда. Благодаря этой системе обратной связи коронарный кровоток сохраняет стабильность и независимость от колебаний системного артериального давления в широком физиологическом диапазоне от шестидесяти до ста сорока миллиметров ртутного столба. В ситуациях патологической генерализованной вазодилатации, когда давление в аорте падает ниже критических значений, коронарное перфузионное давление может фатально снизиться.
Клинические аспекты и методы исследования
Параметры сердечной производительности и энергетического обмена имеют фундаментальное значение для клинической кардиологии, так как на их основе разрабатываются стратегии медикаментозной терапии. Функциональное состояние сердца оценивается через показатели производительности, интегрирующие величины внутрижелудочкового давления, ударного объема и частоты сердечных сокращений. Критерием инотропного состояния, или сократимости, служит максимальная скорость нарастания изоволюмического давления в полости желудочков в начальную фазу систолы. Увеличение этого гемодинамического показателя строго коррелирует с ростом потребления кислорода миокардом. Важнейшими параметрами также являются систолическое и диастолическое напряжение стенки миокарда, поскольку именно диастолическое расслабление создает необходимые условия для оптимального коронарного кровотока в левом желудочке.
Для детализированного изучения метаболизма миокарда и состояния коронарного русла применяются современные инструментальные методы. Неинвазивная визуализация метаболических процессов и перфузии ткани осуществляется с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии и позитронно-эмиссионной томографии. Эти высокотехнологичные методики позволяют оценивать жизнеспособность миокарда без прямого вмешательства в сердечно-сосудистую систему. В случаях, требующих прямой оценки анатомии сосудов и определения коронарного резерва, используются инвазивные эндоваскулярные технологии. В ходе процедуры специальный катетер вводится через периферическую артериальную сеть и аорту непосредственно в устье исследуемого коронарного сосуда. В случае выявления гемодинамически значимых стенозов применяется метод баллонной дилатации: наконечник катетера позиционируется в просвете суженного участка, после чего посредством надувания баллона производится механическое расширение артерии. Данный подход позволяет восстановить адекватное кровоснабжение ишемизированных участков миокарда и нормализовать энергетический обмен в кардиомиоцитах.