心脏的电生理学基础

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一、心肌细胞的分类

心肌细胞按生理功能分为两类：一类为工作细胞，包括心房肌及心室肌，胞浆内含有大量肌原纤维，因而具有收缩功能，主要起机械收缩作用。除此以外，还具有兴奋性、传导性而无自律性。另一类为特殊分化的心肌细胞，包括分布在窦房结、房间束与结间束、房室交界、房室束和普肯耶纤维中的一些特殊分化的心肌细胞，胞浆中没有或很少有肌原纤维，因而无收缩功能，主要具有自律性，有自动产生节律的能力，同时具有兴奋性、传导性。无论工作细胞还是自律细胞，其电生理特性都与细胞上的离子通道活动有关，跨膜离子流决定静息膜电位和动作电位的形成。

根据心肌电生理特性，心肌细胞又可分为快反应细胞和慢反应细胞。

快反应细胞  快反应细胞包括心房肌细胞、心室肌细胞和希-普细胞。其动作电位0相除极由钠电流介导，速度快、振幅大。快反应细胞的整个APD中有多种内向电流和外向电流参与。

慢反应细胞  慢反应细胞包括窦房结合房室结细胞，其动作电位0相除极由L-型钙电流介导，速度慢、振幅小。慢反应细胞无Ik1控制静息膜电位，静息膜电位不稳定、易除极，因此自律性高。有关两类细胞电生理特性的比较见表1。

表1 快反应细胞和慢反应细胞电生理特性的比较

参数	快反应细胞	慢反应细胞
静息电位	-80~-95mV	-40~-65mV
0期去极化电流	INa	ICa
0期除极最大速率	200~700V/s	1~15V/s
超射	+20~+40mV	-5~+20mV
阈电位	-60~-75mV	-40~-60mV
传导速度	0.5~4.0m/s	0.02~0.05m/s
兴奋性恢复时间	3期复极后10~50ms	3期复极后100ms以上
4期除极电流	If	Ik, ICa,  If

二、静息电位的形成

静息电位（restingpotential, RP）是指安静状态下肌细胞膜两侧的电位差，一般是外正内负。利用微电极测量膜电位的实验，细胞外的电极是接地的，因此RP是指膜内相对于零的电位值。在心脏，不同组织部位的RP是不相同的，心室肌、心房肌约为-80~-90mV，窦房结细胞-50~-60mV，普肯耶细胞-90~-95mV。

各种离子在细胞内外的浓度有很大差异，这种浓度差的维持主要是依靠位于细胞膜和横管膜上的离子泵。如Na-K泵（Na-K pump），也称Na-K-ATP酶，其作用将胞内的Na+转运至胞外，同时将胞外的K+转运至胞内，形成细胞内外Na+和K+浓度梯度。Na-K-ATP酶的磷酸化需要分解ATP，通常每分解一分子ATP可将3个Na+转运至膜外，同时将2个K+转运至膜内。

心肌细胞外Ca2+（[Ca2+]0）和细胞内Ca2+（[Ca2+]i）相差万倍，维持Ca2+跨膜浓度梯度的转运系统其一是位于细胞膜上的Na+/Ca2+交换体（Na+/Ca2+ exchanger），它的活动可被ATP促进，但不分解ATP，因而也不直接耗能。Na+/Ca2+交换体对Na+和Ca2+的转运是双向的，可将Na+转入胞内同时将Ca2+排出胞外（正向转运），也可将Na+排出而将Ca2+转运至胞内（反向转运）。转运的方向取决于膜内外Na+、Ca2+浓度和膜电位。无论是正向还是反向转运，其化学计量学都是3个Na+与1个Ca2+的交换，Na+/Ca2+交换电流（INa/ICa）为内向电流，电流方向与Na+流动的方向相一致，Na+内流而Ca2+外排。经Na+/Ca2+交换排出Ca2+的过程是间接地以Na泵的耗能活动为动力的。另一个维持Ca2+跨膜梯度的转运系统是位于肌质网（sarcoplasmic reticulum, SR）膜上的Ca泵起着主要作用。Ca泵也称Ca-ATP酶，它每分解一分子ATP可将胞浆中2个Ca2+逆电化学梯度转动至SR内，使[Ca2+]i降低到0.1μmol·L-1以下。心肌细胞膜上也存在Ca-ATP酶，可逆电化学梯度将胞浆内Ca2+转运至胞外。

带电功率离子的跨膜流动将产生膜电位的变化，变化的性质和幅度决定于电流的方向和强度。离子电流的方向是以正电荷移动的方向来确定的；正电荷由胞外流入胞内的电流为内向电流，它引起膜的去极化；正电荷由胞内流出胞外的电流称为外向电流，它引起膜的复极化或超极化。心室肌、心房肌的RP能保持稳定，是由于静息状态下内向电流与外向电流大小相等，电荷在膜两侧的净移动为零。决定RP的离子电流主要是Na+和K+。原因是静息状态下膜对Ca2+几乎没有通透性，其作用可以忽略。Cl-是一个被动分布的离子，它不决定RP，而是RP决定它的分布。以上分析表明一个稳定的RP，其外向的K+电流和内向的Na+电流相等。RP主要取决于膜的K+电导和Na+电导。膜对哪一种离子的电导更大，RP就更接近哪一种离子的平衡电位。静息时，K+电导》Na+电导，RP接近于K+平衡电位。

三、心肌细胞动作电位的产生机制

动作电位（action potential,AP）是指一个阈上**作用于心肌组织可引起一个扩布性的去极化膜电位波动。AP产生的基本原理是心肌组织受到**时会引起特定离子通道的开放及带电离子的跨膜运动，从而引起膜电位的波动。由于不同心肌细胞具有不同种类和特性的离子通道，因而不同部位的心肌AP的开关及其它电生理特征不尽相同。

（一）心室肌、心房肌和普肯耶细胞动作电位

心室肌、心房肌和普肯耶细胞均属于快反应细胞，AP形态相似。

心室肌AP复极时间较长（100~300ms），其特征是存在2期平台。AP分为0，1，2，3，4期。

0期：除极期，膜电位由-80~-90mV在1~2ms内去极化到+40mV，最大去极化速度可达200~400V/s。产生机制是电压门控性钠通道激活，Na+内流产生去极化。

1期：快速复极早期，膜电位迅速恢复到+10±10mV。复极的机制是钠通道的失活和瞬间外向钾通道Ito的激活，K+外流。在心外膜下心肌Ito电流很明显，使AP出现明显的尖锋；在心内膜下心肌该电流很弱，1期几乎看不到。

2期：平台期，形成的机制是内向电流与外向电流平衡的结果。平台期的内向电流有ICa-L，INa+/ Ca2+，以及慢钠通道电流。其中最重要的是I Ca-L，它失活缓慢，在整个平台期持续存在。INa+/ Ca2+在平台期是内向电流，参与平台期的维持并增加平台的高度。慢钠通道电流是一个对TTX高度敏感的钠电流，参与平台期的维持。参与平台期的外向电流有Ik1，Ik和平台钾通道电流Ikp。ICa-L的失活和Ik的逐渐增强最终终止了平台期而进入快速复极末期（3期）。

3期：快速复极末期，参与复极3期的电流有Ik，Ik1和生电性Na泵电流。3期复极的早期主要是Ik的作用，而在后期Ik1的作用逐渐增强。这是因为膜的复极使Ik1通道开放的概率增大，后者使K+外流增加并加速复极，形成正反馈，使复极迅速完成。

4期：自动除极期（又称舒张期自动除极期），主要存在于自律细胞，如普肯耶细胞和窦房结细胞。普肯耶细胞4期除极的最重要的内向电流为If电流。由于它激活速度较慢，故它的4期除极速率较慢。在普肯耶细胞4期除极的后期，稳态的Na+窗电流参与自动除极过程。窦房结细胞参与4期除极的离子有延迟整流钾电流（Ik），起搏电流（If），电压门控性ICa-L，ICa-T。这些离子电流没有一个能***完成窦房结的4期除极，外向Ik衰减，相当于内向电流逐渐加强，在4期除极中起主要作用，也是4期除极的主要机制；If超极化激活，故在膜电位负值较大的细胞起较大作用；Ca2+内流主要参与4期后半部分的除极。

心房肌动作电位与心室肌相比，主要特点是：①1期复极较迅速，平台期不明显，因为心房肌Ito电流较强而ICa-L较弱；②3期复极和静息期有乙酰胆碱激活的钾通道KAch参与。

普肯耶细胞属于快反应自律细胞，其AP与心室肌相比一个显著区别是具有4期自动除极过程。普肯耶细胞Ik1电流较强，RP可达-90mV。0期最大除极速率高；它的Ito电流较强，1期复极速度较快；它的平台期持续时间长，可达300~500ms。

（二）窦房结合房室结细胞动作电位

窦房结细胞属于慢反应细胞，其AP与心室肌相比一个特点是0期去极化幅度小，没有1期和2期，由0期直接过渡到3期，也具有4期自动除极过程。另一个特点是窦房结产生AP各时相的离子电流也与快反应细胞不同。0期去极化是ICa-L激活引起的，激活过程较慢，故0期的去极化速度低。3期复极主要是由于ICa-L的失活和Ik的激活形成的，IKAch也参与了3期复极。

房室结细胞AP的0期除极速度与幅度略高于窦房结，而4期去极化速度较低。

四、心肌细胞的电生理特性

（一）兴奋性

1．心肌兴奋性的产生机制

兴奋性（excitability）是指心肌细胞受**后产生动作电位的能力。包括静息电位去极化到阈电位水平以及有关离子通道的激活两个环节。

对快反应细胞来说，形成AP的关键是钠通道的激活。当静息电位绝对值高于80mV时，所有钠通道都处于可开放状态，接受阈**即可产生动作电位。随着膜的去极化，电压门控钠通道开放的概率增大，当**能使膜电位去极化到某一临界值时，这一临界值称为阈电位（thresholdpotential），内向钠电流的强度充分超过了背景外向电流使膜迅速去极化形成AP的0期。

慢反应细胞形成AP的关键是钙通道的激活而产生的。

2．影响兴奋性的因素

心肌兴奋性主要取决于静息膜电位的大小及阈电位水平。静息膜电位绝对值减小，阈电位水平下降均能提高心肌兴奋性。其中阈电位水平是最重要的。

决定阈电位的主要因素是钠通道的机能状态。虽然钠通道的关闭状态和失活状态都是不导通的，但它们对兴奋性的影响却是截然相反的。关闭状态的通道越多，兴奋性越高；而失活状态通道所占的比例越大，细胞就越不容易兴奋。在此处简述一下钠通道的三种机能状态。根据钠通道的Hodgkin-Huxley（H-H）工作模型，电压依赖性钠通道受膜电位的影响，在不同电压影响下，通道蛋白发生构象变化而使通道不断转换于静息态（resting state）、开放状态（open state）和失活状态（inactive state）。通道内侧有m激活闸门和h失活闸门来控制通道的开启和关闭（图6-1-2）。静息时，m门位于通道内，使通道处于关闭状态，即静息态；兴奋时，在去极化作用下，m闸门激活而移出通道外，使通道开放，Na+内流，即为激活态；但在去极化作用下，原来位于通道外的h闸门也被激活，而以稍慢的速度移到通道内部，从而使通道开放瞬间后失活而关闭，即为失活态；随后在膜电位复极化的作用下，m和h闸门又逐渐移到原来的位置，即m闸门位于通道内，h闸门位于通道外，进入静息状态，此时兴奋恢复正常。单从电压依赖性上看，两个闸门几乎没有同时开放的可能性，但两个闸门的动力学参数相关很大，激活门开放的时间常数τm比失活门关闭的时间常数τh小得多，若**使膜从静息状态迅速去极化时，激活门迅速开放而失活门还未来得及关闭，钠通道便进入两个闸门都开放的激活状态，此时Na+内流。随着失活门随后的关闭，钠通道便进入失活状态。失活关闭状态的通道不能直接进入开放状态而处于一种不应期。只有在经过一个额外**使通道从失活关闭状态进入到静息关闭状态后，通道才能再度接受外界**而激活开放。这一过程称为复活（recovery）。钠通道的膜电位在-80~-90mV时，几乎全部通道都处于关闭状态，一旦迅速去极化，钠通道开放的概率也很高，较低程度的去极化就可以激活钠通道，因而阈电位较低（负值较大），兴奋性较高。随着静息电位的减小，失活闸门逐渐关闭或进入失活状态的钠通道越来越多，需较强的去极化才能激活钠通道，阈电位上移，兴奋性逐渐降低甚至消失。即RP的减小超过一定程度时阈电位会上移，使RP与阈电位的差距增大，兴奋性减小甚至消失。高血钾对心肌兴奋性的影响就是一个典型的实例。轻度高血钾使RP略微减小（如从-90mV减少至-80mV）时，阈电位无显著变化，RP与阈电位差距减少，故兴奋性升高；重度高血钾时RP进一步减小而使阈电位升高，兴奋性则降低。

此外，某些因素（如药物）通过改变钠通道激活和失活过程而影响兴奋性。例如1类抗心律失常药可使钠通道稳态失活曲线左移，阈电位上移，兴奋性降低。

3．兴奋性的恢复

心肌兴奋后，兴奋性暂时丧失，随着复极过程的进行，兴奋