Сердце, логотип
www.CARDIOGENES.dp.ua
строение и развитие сердечно-сосудистой системы
Реkлама: Чай пуэр в Киеве покупают на Puer.ua.
Кардиогенез :: Развитие структурных и функциональных факторов…
 
Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе (монография), Днепропетровск, 1996
Твердохлеб И.В. Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе. Днепропетровск, 1996
с.5
[ ⇐ назад | вперед ⇒ ]

Глава 1 Развитие структурных и функциональных факторов гетерогенности сократительного аппарата

[...]

Приведенные данные показывают, что как в отношении количества изоформ миозина, так и в отношении терминологии имеющиеся к настоящему времени сведения во многом противоречивы и мало сопоставимы между собой. В целом, дефинитивный миокард животных с различной частотой сердечных сокращений отличается экспрессией различных изоферментов миозина, уровнем активности АТФ-азы миозина (Hamilton et al., 1991). В обзоре Schuyler et al. (1990) высказывается мнение об экспрессии различных изоформ сократительных белков как о результате уникальной адаптации мышечных тканей с разными физиологическими свойствами.

Рис. 10. Динамика содержания изомолекулярных форм тяжелых цепей миозина в развивающемся миокарде
Рис. 10. Динамика содержания изомолекулярных форм тяжелых цепей миозина в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека.

При проведении электрофоретического анализа было установлено, что легкие цепи миозина существенно различаются в предсердиях и желудочках сердца свиньи (Syrovy. 1989). По данным Lohse с сотрудниками (1988), у млекопитающих регуляторные легкие цепи LC2 в желудочках сердца идентичны молекулам из медленной скелетной мышцы и являются, по-видимому, продуктами одного и того же гена. Установлено (м.Д.Принцев, 1973), что наряду с онтогенетическими изменениями изоферментного состава легких цепей миозина (называемого автором легким меромиозином) в миокарде кроликов происходит снижение комплексообразования с холинэстеразой.

Особый интерес исследователей вызвало изучение синтеза тяжелых цепей миозина; это не случайно, так как именно эти молекулы содержат в своем составе участок (зимомер), обладающий АТФазной активностью и определяющий, таким образом, функциональную активность актомиозинового комплекса (Bennett, 1983). Сочетание трансмиссионной электронной микроскопии и гель-электрофореза позволило доказать, что содержание тяжелых цепей миозина в миокарде куриных эмбрионов быстро увеличивается в ходе развития и отчетливо коррелирует со скоростью формирования саркомеров (Lim et al., 1983). Исследования Syrovy (1989) показали, что АТФазная активность миозина желудочков из сердца свиньи практически не изменяется на протяжении постнатального онтогенеза, тогда как препараты предсердий проявляют постепенно возрастающую ферментативную активность.

Рис. 11. Динамика содержания изомолекулярных форм тяжелых цепей миозина в развивающемся миокарде
Рис. 11. Динамика содержания изомолекулярных форм тяжелых цепей миозина в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца крысы.

Онтогенетические изоформные преобразования тяжелых цепей миозина наиболее подробно изучены в миокарде крыс (Buttrick et al.. 1991; Minami et al., 1993) и мышей (Wenderoth et al., 1991; Buckingham et al., 1992); были описаны, в частности, свойства "фетальной" и "зрелой" изомолекулярных форм a-тяжелых цепей миозина (Schuyler et al., 1990). Детальный анализ топологических особенностей синтеза миозиновых молекул в развивающемся миокарде человека представлен в фундаментальном исследовании Wessels с сотрудниками (1991), которые показали, что на эмбриональных этапах a-тяжелые цепи являются доминирующей формой в желудочках и выводном тракте, тогда как a-тяжелые цепи основная форма для предсердий. После разделения предсердий и желудочков с помощью фиброзного кольца в синоатриальном узле экспрессировались обе формы тяжелых цепей - а и в, однако авторы не приводят данных о наличии "фетальной" и "зрелой" изоформ в составе указанных контрактильных белков.

Рис.12. Динамика содержания фетальной и зрелой изомолекулярных форм легких цепей миозина I
Рис.12. Динамика содержания фетальной и зрелой изомолекулярных форм легких цепей миозина I (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека и крысы. 1 - зрелая изоформа в миокарде предсердий; 2 - фетальная изоформа в миокарде желудочков; 3 зрелая изоформа в миокарде желудочков; 4 фетальная изоформа в миокарде предсердий.

По мнению Bandman (1992), наиболее важным фактором, определяющим накопление изоформ контрактильных белков в мышечной ткани (в том числе сердечной), является соотношение процессов транскрипции и альтернативного сплайсинга макромолекул.

Пристальное внимание исследователей было уделено регуляторным аспектам сократительной функции миофибрилл на уровне межмолекулярных взаимодействий (Olson, 1993; Christensen et al., 1993; Barton et al., 1991).

 В комплексных исследованиях, проведенных на различных биологических объектах, была установлена важная регулирующая функция тропонинов по отношению к Са2 + (Godt et al., 1993) и К+ (Marino, 1987), роль М-зависимых АТФаз (Ioshida, 1990). значение молекулярных взаимодействий с цАМФ (О.Г.Гончаров и др., 1987; Worby et al., 1992).

В качестве одного из важнейших факторов, регулирующих активность сократительных структур в миокарде, были изучены креатинфосфокиназные системы кардиомиоцитов (В.А.Сакс и др., 1981; Л.В.Розенштраух и др., 1981; С.Н.Лызлова и др., 1981; Е.И.Чазов, 1981).

Рис. 13. Динамика содержания фетальной и зрелой изомолекулярных форм легких цепей миозина II
Рис. 13. Динамика содержания фетальной и зрелой изомолекулярных форм легких цепей миозина II (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека. 1 - фетальная изоформа в миокарде предсердий; 2 - зрелая изоформа в миокарде предсердий; 3 - фетальная изоформа в миокарде желудочков; 4 - зрелая изоформа в миокарде желудочков.

Данные научной литературы, приведенные в настоящем разделе, отражают чрезвычайно сложный характер перестроек сократительного аппарата кардиомиоцитов на этапах онтогенетического развития. Как выяснилось, в основе указанных перестроек заложены молекулярные взаимодействия между различными изоформами сократительных белков, обладающих различными физико-химическими свойствами. При этом, однако, до сих пор не существует отчетливого представления о механизмах распределения изомолекулярных белковых форм в саркоплазме индивидуальных кардиомиоцитов, о закономерностях объединения различных по своей функциональной активности миоцитов в конкретные клеточные комплексы. Отсутствуют также данные о топологических и хронологических особенностях формирования гетерогенитета сократительных клеток по внутриклеточным характеристикам миофибрилл и других сократительных структур.

В наших экспериментах при проведении морфолого-биохимического анализа миокарда обнаружился ряд существенных преобразований сократительных структур кардиомиоцитов, заключающихся как в генерализованном нарастании их объемных характеристик, так и в изменениях белкового спектра развивающихся миофибрилл.

Рис. 14. Динамика содержания фетальной и зрелой изомолекулярных форм легких цепей миозина II
Рис. 14. Динамика содержания фетальной и зрелой изомолекулярных форм легких цепей миозина II (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца крысы. 1 - фетальная изоформа в миокарде предсердий; 2 - зрелая изоформа в миокарде предсердий; 3 - фетальная изоформа в миокарде желудочков; 4 - зрелая изоформа в миокарде желудочков.

В эмбриональном миокарде человека (с 4й по 8-ю неделю пренатального онтогенеза) наблюдается активное формирование миофибриллярного аппарата: саркоплазма насыщается сократительными филаментами, которые перемещаются в субсарколеммальную зону клеток и объединяются в постепенно дифференцирующиеся миофибриллы (рис.1) на поперечных срезах в их составе обнаруживается от полутора до нескольких десятков типичных толстых миозиновых филаментов (диаметром около 15 нм), окруженных 6 тонкими актиновыми нитями (Рис.2).

Пространственная ориентация и упорядоченность примитивных миофибрилл на начальных этапах кардиомиогенеза находятся на невысоком уровне (Рис.3), однако необходимо отметить, что ни в одном из случаев в исследовании не выявлено обособленных миофибрилл с иным соотношением тонких и толстых нитей ни на одной из стадий кардиомиогенеза; по всей видимости, самосборка филаментов предусматривает однозначно определенную геометрическую структуру миофиламентных пучков.

Рис. 15. Динамика содержания изомолекулярных форм актина (%) в развивающемся миокарде желудочков
Рис. 15. Динамика содержания изомолекулярных форм актина (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека. 1 -"гладкомышечная" изоформа в миокарде предсердий; 2 - "гладкомышечная" изоформа в миокарде желудочков; 3 - "сердечная" изоформа в миокарде предсердий; 4 - "сердечная" изоформа в миокарде желудочков; 5 - "скелетная" изоформа в миокарде предсердий; 6 - "скелетная" изоформа в миокарде желудочков.

Результаты ультраструктурного анализа позволяют также отвергнуть возможность самостоятельного существования упорядоченных миозиновых пучков (без примеси актиновых нитей), однако в эмбриональном и раннем плодном миокарде часто наблюдаются своеобразные актиновые структуры, которые играют, по-видимому, исключительно важное значение в процессе миофибриллогенеза и в формировании сократительной функции в целом.

На поперечных срезах пучков тонких актиновых филаментов (диаметром 5-6 нм) сколько-нибудь фиксированная геометрия их взаимного расположения не определяется; расстояние между отдельными фибриллами также широко варьирует (Рис.4). Кроме того, полиморфными являются профили поперечных сечений актиновых пучков и их размеры. На ультратонких срезах описываемые полигональные фибриллярные структуры распределяются неравномерно в различных кардиомиоцитах: некоторые клетки насыщены ими в степени, превосходящей объем обычных миофибрилл (Рис.5); в большинстве клеток фибрилла-подобные полигоны обнаруживаются лишь в следовых количествах или не определяются вовсе.

Плотность актиновых филаментов на протяжении поперечного профиля одного пучка неодинакова (Рис.6 А-Д); ряд актиновых фибрилл включают уплотнения нитей диаметром около 5 нм, в которых накапливается тонкодисперсный осмиофильный материал. Локусы подобных накоплений наблюдаются, как правило, в суб-сарколеммальной зоне сократительных кардиомиоцитов. По своей электронной плотности уплотнения тонкофиламентных пучков приближаются к материалу зачаточных Z-дисков, иногда они ассоциируются с сарколеммой (Рис.6Б).

Рис. 16. Динамика содержания изомолекулярных форм актина (%) в развивающемся миокарде желудочков
Рис. 16. Динамика содержания изомолекулярных форм актина (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека. 1 -"гладкомышечная" изоформа в миокарде предсердий; 2 - "гладкомышечная" изоформа в миокарде желудочков; 3 - "сердечная" изоформа в миокарде предсердий; 4 - "сердечная" изоформа в миокарде желудочков; 5 - "скелетная" изоформа в миокарде предсердий; 6 - "скелетная" изоформа в миокарде желудочков.

На продольных ультратонких срезах эмбрионального миокарда в саркоплазме кардиомиоцитов наряду с формирующимися миофибриллами, включающими до 5-6 саркомеров. встречаются также тонкофиламентные или смешанные Фибрилло-подобные комплексы, которые представляют собой пучки плотно сгруппированных актиновых и миозиновых нитей длиной около 1 мкм (Рис.7), в ряде случаев скрепленных осмиофильным Z-подобным материалом (так называемыми Z-тельцами) (Рис.8). По своему принципу строения они напоминают сократительные структуры, описанные в научной литературе как "стресс"-фибриллы немышечных клеток (в частности, фибробластов), и соответствуют, видимо, фибрилло-подобным полигонам, определяемым нами на поперечных срезах кардиомиоцитов.

Наряду с такими I-Z-I-подобными комплексами в саркоплазме кардиомиоцитов определяются также пучки филаментов, содержаще смесь тонких и толстых нитей (вне обычных миофибрилл), однако в этом случае они представлены двумя вариантами взаимного расположения: 1) полтора саркомеро-подобных сегмента (ZI-AIZ-IA-комплекс); 2) половина сегмента (Z-1-А-комплекс). Обязательным условием существования таких комплексов является их фиксация к адгезивному участку вставочного диска, тогда как актиновые I-Z-1комплексы располагаются в клеточном объеме свободно и ориентируются параллельно длинной оси кардиомиоцита; в большинстве случаев "стресс"-подобные структуры находятся в непосредственной близости к формирующимся миофибриллам по всей их длине. Аналогичная закономерность прослеживается и на поперечных срезах сократительных клеток; кроме того, во внутренней зоне формирующихся миофибрилл часто можно обнаружить своеобразные полости, не заполненные стандартными гексагональными ансамблями толстых и тонких филаментов. Иногда здесь определяются лишь остатки актиновых нитей (Рис.6Д).

Рис. 17. Динамика содержания скелетной изомолекулярной формы тропонина Т
Рис. 17. Динамика содержания "скелетной" изомолекулярной формы тропонина Т (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека и крыс.

Важным обстоятельством, характеризующим возможную роль актиновых фибрилл, является онтогенетическая динамика соотношения их объемных характеристик с уровнем содержания миофибрилл в сократительной клетке. Так, в раннем эмбриональном периоде развития человека (с 4й по 6-ю неделю пренатального онтогенеза) на фоне активного нарастания плотности упаковки миофибрилл (с 0,036 до 0,146 мкм3/мкм3) содержание актиновых I-Z-I-комплексов превосходит величины миофибриллярного аппарата желудочковых кардиомиоцитов. однако на протяжении 7й недели плотность упаковки актиновых полигонов резко уменьшается (от 0,181 мкм3/мкм3 до 0,042 мкм3 7мкм3) и к началу 4-го месяца внутриутробного развития составляет следовые количества в саркоплазме кардиомиоцитов (Рис.9).

Рис. 18. Динамика содержания сердечной изомолекулярной формы тропонина Т
Рис. 18. Динамика содержания "сердечной" изомолекулярной формы тропонина Т (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека и крыс.

Редукция количества актиновых фибрилло-подобных комплексов сопровождается стабилизацией плотности упаковки миофибрилл; после 12й недели плодного развития накопление миофибриллярной массы активно ускоряется, однако это не сопровождается сколько-нибудь значимым увеличением содержания актиновых полигонов - оно остается на фоновом уровне на протяжении пренатального онтогенеза, а в миокарде З6-недельных плодов человека указанные структуры не обнаруживаются вовсе. Стереологическое измерение абсолютной удельной площади поверхности миофибрилл показало (Табл.1), что первый период активного накопления миофибриллярной массы обусловлен нарастанием количества миофибрилл за счет их новообразования и удлинения (в эмбриональном периоде активно увеличивается их суммарная площадь в клетке); при этом содержание актиновых полигонов высоко. Второй период нарастания плотности упаковки миофибрилл обусловлен утолщением уже имеющихся пучков (но не их синтезом dе novo) на фоне стабилизации абсолютной удельной площади поверхности миофибрилл и невысокого содержания актиновых фибрилло-подобных структур. Аналогичная динамика накопления миофибрилл и актиновых фибрилл (полигонов) и соотношение между ними обнаруживаются при изучении желудочкового миокарда крыс (Рис.9; Табл.2). При анализе описанных структур становится очевидным, что сократительный аппарат развивающихся кардиомиоцитов представлен полиморфными фибриллярными образованиями, имеющими непосредственное отношение к процессам миофибриллогенеза.

 

Таблица 1 Динамика значений абсолютной удельной площади поверхности миофибрилл желудочковых кардиомиоцитов в пренатальном онтогенезе человека (мкм-1).

Стадия развития (нед) Значение параметра (х ± sx)
ЭБРИОН 5 0.68±0.08
6 1.12±0.13
7 1.63±0.21
8 1.77±6.24
ПЛОД 10 1.84±0.23
12 2.12±0.29
14 2.06±0.34
16 1.73±0.26
20 1.84±0.20
24 1.75±0.22
28 2.16±0.28
32 2.21±0.35
36 1.90±0.32
40 1.78±0.28

Логично предположить, что смешанные (актиново-миозиновые) комплексы и актиновые полигоны имеют неодинаковое значение в механизмах формирования миофибрилл. Вероятна, что варианты морфологии смешанных пучков отражают самые начальные этапы новообразования миофибрилл, тогда как характер онтогенетических сдвигов, локализации и ориентации I-Z-I-подобных полигонов в саркоплазме указывает на их возможное участие в инициации саркомерогенеза (при этом, разумеется, нельзя исключить самостоятельную сократительную активность "стресс"-подобных фибриллярных структур, характерную для некоторых немышечных клеток).

Рис. 19. Динамика содержания скелетной изомолекулярной формы тропонина I
Рис. 19. Динамика содержания "скелетной" изомолекулярной формы тропонина I (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека и крыс.

При использовании лишь электронно-микроскопического исследования весьма сложно преодолеть рамки указанных предположений и перейти к более определенной характеристике биологического значения гетеро-морфкых сократительных структур; проблема гетерогенности сократительного аппарата кардиомиоцита находится в плоскости макромолекулярных взаимодействий между различными белковыми компонентами миофибрилл и I-Z-I-подобных полигонов. В соответствии с этим мы провели электрофоретическое разделение главных (мажорных) сократительных белков из миокарда человека (с 6й по 40-ю неделю пренатального онтогенеза) и крыс (с 14х суток эмбриогенеза до зрелого возраста).

 

Таблица 2 Динамика значений абсолютной удельной площади поверхности миофибрилл желудочковых кардиомиоцитов в пренатальном, онтогенезе крыс (мкм-1).

Стадия развития (сут) Значение параметра (х ± sx)
П Р Е Н А Т А Л Ь Н О Е 11 0.57±0.07
12 0.92±0.15
14 1.34±0.17
16 1.56±0,19
18 1.64±0.27
20 1.88±0.30
22 2,11±0.33
П О С Т Н А Т А Л Ь Н О Е 1 2.03±0.32
3 1.97±0.27
5 2.15±0.23
10 1.89±0.25
20 1.97±0.29
30 2.08±0.32
60 1.88±0.31
180 2,02±0,37

Результаты исследований показали, что относительное содержание А и b-тяжелых цепей миозина в составе актомиозина желудочковых кардиомиоцитов с 6-й по 12-ю неделю внутриутробного развития составляет около 40% от всех сократительных белков (Рис.10). На электрофореграммах полоса указанных белков располагается в области с молекулярной массой 220 KD; по своей относительной электрофоретической подвижности (ОЭП) регистрируемый белок соответствует фракции Vt. Начиная с 4-го месяца плодного периода происходит активное снижение уровня указанной фракции (от 40% на 14й неделе до 20% на 28й неделе), однако при этом в зоне А и b-тяжелых цепей миозина появляются дополнитель ные полосы, соответствующие описанным в литературе V2- и V3-изоформам.

Рис. 20. Динамика содержания "сердечной" изомолекулярной формы тропонина I
Рис. 20. Динамика содержания "сердечной" изомолекулярной формы тропонина I (%) в развивающемся миокарде желудочков и предсердий сердца человека и крыс.

Относительное содержание фракции V2 быстро нарастает и достигает максимума на 20й неделе развития; затем происходит эффективное снижение доли этой изоформы тяжелых миозиновых цепей (к 28й неделе указанные белки составляют лишь 4% от всех сократительных протеинов и остаются на этом уровне до конца внутриутробного развития). Уровень фракции V3 повышается вплоть до 28й недели плодного периода развития, однако в последующем стабилизируется на уровне 24% (Рис.11). Суммарный уровень всех трех изоформ й и b-тяжелых цепей миозина составляет около 40% от сократительных белков на всех исследуемых этапах пренатального онтогенеза.

Далее — [характер сдвигов изомолекулярного состава тяжелых цепей миозина обнаружен при биохимическом анализе желудочковых кардиомиоцитов крыс...].

Поддержка
 © 2008-2015 Cardiogenes.dp.ua
© обработка Dr. Andy  
Key words: heart, cardiogenesis, cardiac development. Ключевые слова: сердце, кардиогенез, гистогенез миокарда эндокарда эпикарда, ангиогенез, развитие сердечно-сосудистой системы, васкулогенез, эмбриология, теоретическая кардиология, врожденные пороки сердца, струны сердца. Миокард человека и животных, наука, медицина, ветеринария, сердце.
Rambler's Top100 li MyCounter