Кальций из депо ускорил работу перепелиного сердца

Сердце птиц может сокращаться с очень высокой частотой благодаря усиленному току ионов кальция из хранилищ в его клетках (кардиомиоцитах), и запасы этих частиц в таких хранилищах у птиц выше, чем у млекопитающих, сообщается в Journal of Experimental Biology. Это продемонстрировали на экспериментах с сердечной мышцей взрослых японских перепелов. У млекопитающих похожий результат достигается за счет другого строения клеток сердца, а у рептилий кардиомиоциты по структуре очень похожи на птичьи, но настолько же часто, как у птиц, их сердце сокращаться не может.

Скорость обмена веществ в организме и репертуар движений, которые он может совершать, во многом зависит от того, насколько быстро может сокращаться сердце — при условии, что оно имеется. Среди позвоночных максимальная частота сердечных сокращений выше всего у птиц и млекопитающих. Они же умеют поддерживать температуру тела постоянной, а для этого нужен быстрый метаболизм.

Для сокращения сердечной мышцы нужны ионы кальция: они активируют движение сократительных белков друг относительно друга. Поскольку сократительные белки находятся в цитоплазме клеток сердца (кардиомиоцитов), содержание кальция необходимо повысить именно там. Ионы Ca²⁺ попадают туда, например, из пространства между клетками и из особой системы внутриклеточных депо — саркоплазматического ретикулума, и часто первый процесс стимулирует второй. В обоих случаях кальций проходит через мембраны — что клеточной, что саркоплазматического ретикулума — через специальные каналы нескольких типов.

Движение кальция в цитоплазму кардиомиоцита начинается после внешнего сигнала — деполяризации наружной клеточной мембраны натрием (если говорить очень грубо, в клетке повышается содержание положительно заряженных ионов). Она происходит довольно быстро, и выброс кальция из саркоплазматического ретикулума должен успевать за изменением концентрации натрия, иначе отдельно взятый кардиомиоцит, а в итоге и целые камеры сердца, будут сокращаться очень медленно. Чем быстрее проходит связка событий «деполяризация наружной мембраны — выброс кальция в цитоплазму», которая во многом определяет частоту движений сократительных белков, тем чаще может биться сердце.

Разные группы позвоночных по-разному ускоряют эти процессы. У млекопитающих на наружной мембране кардиомиоцитов (сарколемме) есть впячивания (Т-трубочки), которые позволяют сигналу деполяризации быстрее достичь саркоплазматического ретикулума и спровоцировать выброс кальция из него. У рептилий таких трубочек в кардиомиоцитах нет, но и частота сердечных сокращений у них ниже, чем у млекопитающих. У птиц строение клеток сердечной мышцы скорее напоминает рептильное, однако сердце у них бьется не реже, а то и чаще, чем у зверей аналогичных размеров, и сила его сокращения часто выше.

Биологи из Московского государственного университета под руководством Дениса Абрамочкина выяснили, как обеспечивается высокая частота сердечных сокращений у птиц. Они измеряли ток ионов кальция через сарколемму кардиомиоцитов взрослых японских перепелов (Coturnix japonica) с помощью методики пэтч-клэмп. При этом отдельно рассматривали клетки из предсердий и желудочков. В ряде экспериментов кардиомиоциты стимулировали так, чтобы весь кальций вышел в цитоплазму из саркоплазматического ретикулума: это позволило понять, сколько его там изначально было, и сравнить эту величину с показателями для млекопитающих.

Оказалось, что ток кальция через сарколемму внутрь кардиомиоцита у птиц имеет большую амплитуду, чем у рептилий и млекопитающих. Концентрация Ca²⁺ во внутриклеточных хранилищах тоже повышена по сравнению с другими позвоночными: при 24 градусах Цельсия в кардиомиоцитах предсердий она составила 750,6±128,2 микромоля на литр, желудочков — 423,3±47,2 микромоля на литр (у млекопитающих — до 370 микромоль на литр). То есть в единицу времени в клетку сердца птиц попадает больше кальция как извне, так и из внутренних депо. Это, по всей видимости, и позволяет кальцию быстрее достигать сократительных белков и запускать их работу.

Получается, что на клеточном уровне сердце птиц «разогнано» скорее количественными приспособлениями, чем качественными. Чтобы выявить последние — например, узнать, нет ли какой-то особенности расстановки каналов для прохода кальция через мембраны — необходимы данные электронной микроскопии кардиомиоцитов, и их исследователи уже собирают для следующей статьи. Кроме того, отмечает первый автор работы Татьяна Филатова, имеет смысл также сравнить структуру кардиомиоцитов и кальциевые токи у видов птиц и рептилий с разной максимальной частотой сердечных сокращений и скоростью метаболизма — условно говоря, колибри и крокодилов.

Интенсивный обмен веществ для птиц — залог умения летать. Благодаря полету можно быстро перемещаться на значительные расстояния, чем птицы часто пользуются: с наступлением неблагоприятного сезона многие из них мигрируют туда, где пищи больше, а температура комфортнее. Поэтому среди птиц, в отличие от млекопитающих, почти нет видов, чьи представители впадают в оцепенение или спячку. Точно известно лишь одно исключение — американский белогорлый козодой Phalaenoptilus nuttallii. Вероятно, гибернировать при пониженной температуре окружающей среды может и скалистый новозеландский крапивник Xenicus gilviventris, но это еще необходимо проверить.

Светлана Ястребова