医学电生理学C

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1、三、心脏起搏原理胚胎心肌就具有起搏功能。随着个体发育，心肌细胞逐步 分化特化。一部分成为在生理情况下不表现起搏功能的工作心 肌，另一部分成为具有起搏功能的心脏特殊传导系统。后者又 可分为传导功能较差而起搏功能较强的窦房结和房室结以及传 导功能强而起搏功能较弱的希氏-浦肯野系统。起搏细胞的共同电生理学特征是在电舒张期有自动发生的 舒张除极，除极达到阈电位水平产生一个新的动作电位。因此 ，对起搏原理的研究就集中在对舒张除极的发生原理上。心肌细胞在任一瞬间都有离子流在跨膜流动。工作心肌在 静息状态下，内流和外流的跨膜离子流量相等，其净流量为零 ，所以膜电位稳定在静息电位水平。正离子内流量增加或者外

2、流量减少，都可以引起细胞膜除极。起搏细胞舒张除极的发生 ，上述两种可能性都存在，但何者为主以及有哪些离子流参加 ，却一直存在争论。总体来看，在认识上有一个螺旋式上升的 过程。（一）正常起搏活动1浦肯野细胞的起搏原理早在二十世纪60年代，Vassalle发现，浦肯野纤维在起搏 过程中膜电导降低，起搏离子流在钾平衡电位方向翻转，提示是 由于K+外流衰减引起舒张除极。Noble和Tsien（1968)进一步证 明，该离子流不仅转向电位接近钾平衡电位，而且转向电位随细 胞外K+浓度变化而变化，变化值符合钾流。因此，命名之为IK2。 IK2向外流动逐步衰减引起浦肯野纤维舒张除极这一学说提出后， 得到广泛

3、的接受。上世纪70年代，人们开始注意到在多细胞标本采用电压钳制 时，细胞隙缝（cleft）中离子浓度可能发生变化。Vassalle和 Noble，Tsien用的标本都是有蹄类哺乳动物浦肯野纤维，其中的 浦肯野细胞表面80为极狭窄的隙缝所复盖，而细胞的内向整流 钾通道（IK1通道）又十分发达，在采用过度极化脉冲钳制浦肯野 纤维以研究起搏离子流时，细胞隙缝中的K+可以循IK1通道内流入 细胞，造成隙缝中K+浓度降低（耗尽），改变了细胞膜内外的K+ 浓度差。这样，测出的“转向电位”并不一定反映离子流的方向翻 转，而可能是隙缝中K+浓度变化所引起的伪差。在上述基础上， DiFrancesco（1981

4、）用 5mmo1L钡阻断IK1通道后 重复实验，发现过度极化 时膜电导不是降低，而是 升高；用低浓度铯（0.5- 1mmo1L）阻断起搏离子 流，总电流向外向移位说 明该离子流是内向的；再 进一步的实验发现这是一 个因过度极化而激活的内 向离子流，在-50mV开始激 活，-120mV充分激活，其 主要成分是Na+。由于它和 一般的电压依赖性离子通 道因除极而激活截然相反 ，十分奇特（funny），故 DiFrancesco命名之为If（ 图3-1-2）。If 的发现，在当时引起很大的震动。对忽视细胞间 隙缝中离子浓度变化引起实验伪差而导致错误结论这一现 象，很多学者叹为这是一代人的错误。在If

5、被人们普遍接 受是浦肯野细胞的起搏离子流之后，在上个世纪80，90年 代，人们发现钡不仅能阻断IK1，也能阻断IK-ACh，IK-ATP， 通道，低浓度铯除了可以阻断If外，还可以阻断钠钾泵流 等。因而对DiFrancesco的结论提出了质疑。Vassalle等 （1995）对浦肯野细胞起搏原理重新进行了研究，由于用 的是单个犬浦肯野细胞，不存在细胞间隙缝的问题，所以 他们不用任何阻滞剂，在正常生理溶液中进行研究。结果 发现浦肯野细胞在过度极化过程中有两种依赖时间的内向 离子流（起搏离子流）。一种在-50mV水平发生，这时膜 电导降低，其转向电位接近钾平衡电位，提示它是一种随 时间而衰减的外向

6、钾流，它被钡阻断。这种钾流不是延迟整流钾流（IK）去激活成分，而是一个 新发现的发生在舒张除极期间的钾流，故命名之为IKdd。据 测定，在膜电位-75mV时，Ikdd的幅值可达44pA，以浦肯野 细胞平均膜电容280pF估算，可以产生160mVs的舒张除极 速率，因此其重要性不容忽视。另一种起搏离子流在较负 的膜电位被激活，在它产生时，膜电导升高，这种离子流 幅值随过度极化程度而增加，到-115mV也未见电流方向翻 转，它也不能被钡所阻断，这种离子流就是DiFrancesco发 现的If。实验又表明，Ikdd和If都可以被低浓度的铯所阻断 。Vassal1e等的工作不仅加深了人们对浦肯野细胞起

7、博原 理的理解，更具有普遍意义的是告戒我们，在研究工作中 应用阻滞剂时，不能只及一点，不及其余，必须全面考虑 阻滞剂可能产生的各方面的作用。2窦房结细胞起搏原理窦房结（SAN）在结构和功能上是一个非匀质组织，由起搏 细胞（P细胞）和过渡细胞组成。SAN中央部位的起搏细胞较小 ，胞内肌细丝较少，最大舒张电位为-50-60mV；周边部位的起 搏细胞较大，胞内肌细丝较多，最大舒张电位达-70mV或更负。 在生理条件下，中央部位的起搏细胞自律性最高，周边的是潜 在起搏细胞。但在游离单细胞，周边部位起搏细胞的自律性却 高于中央。在体的SAN周边部位起搏细胞自律性较低是由于受到 其周围心房肌细胞的电紧张抑

8、制之故。SAN起搏细胞体积较小，细胞膜电容仅40pF左右。以舒张除 极速率70-140mVs估算，只需要2-5pA的净内向离子流就足够 了。在SAN起搏细胞舒张除极过程中，有众多离子流。何者是主 要的起搏离子流，几十年来一直有争论，但也正是这些学术争 论促进了研究工作的不断深入，逐步统一了认识。SAN细胞的起搏原理十分复杂，其中舒张早期IKr的去 激活衰减、If的激活和Ib起着重要作用，舒张晚期ICa-T也 参与。在区域性差异中，中央部位ICa-L较重要，而If和Ina 在周边部位的起搏中起作用。图3-1-3为目前大家所公认 的窦房结动作电位和起搏电位的离子机制。（二）起搏功能的调控在SAN的

9、起搏原理被初步阐明后，20世纪90年代中后期 心肌电生理工作者的兴趣逐步转向其起搏功能的调控，发现 了许多物质对它具有调控作用，如腺苷，NO，血管紧张素等 。本文仅就自主神经及其递质对SAN起搏功能调节的研究进 展作一介绍。 通常认为：ACh通过激活IK-ACh通道和抑制ICa-L通道，引起SAN细胞膜 过度极化，减慢起搏频率。肾上腺素通过增强ICa-L和If，引起SAN起搏频率加快。近年来对这一问题有了进一步的认识。DiFrancesco等 发现，极低浓度的异丙肾上腺素（10nmo1L）和ACh（ 3nmo1L）就可以加快和减慢游离单个SAN起搏细胞的舒张 除极速率和起搏频率，而不影响最大舒

10、张电位和动作电位形 态。这提示轻度交感和副交感神经兴奋不需要通过IK-ACh和ICa-L改变SAN起搏频率。新近Demir等的工作也提示，低浓度ACh 减慢SAN起搏频率不需要通过IK-ACh。DiFrancesco进行了ACh对If，IK-ACh，ICa-L三种离子流的相对 作用强度研究，发现ACh对窦房结If离子流的半最大抑制浓度为 0.013mo1L，而对IK-ACh的半最大抑制浓度需要0.2mom/L，两 者相差10倍以上。ACh 0.03mo1L对ICa-L没有影响，需要增加 到1-3mo1L才有明显影响。但也有作者报道0.05mo1L就可 以使ICa-L，幅值降低18。这一研究表明

11、，在这三种离子流中， 以If对ACh的敏感性最高。在迷走神经轻度兴奋时，ACh和M受体结合后，抑制腺苷酸环 化酶，减少cAMP产生，使If通道受抑制，开放速率减慢，单通道 开放概率降低，激活曲线左移，If幅值降低，SAN起搏频率降低。肾上腺素在低浓度时加快SAN细胞起搏频率看来是通过If离子 流发挥作用的。Choi等（1999）报道，310-8mo1L异丙肾上腺 素就可以加快SAN起搏频率和DiFrancesco的报道相符。1mo1L 异丙肾上腺素可以使If激活曲线右移，通道开放速率和开放概率 增加，If离子流幅值增加，SAN起搏频率增加。其机制是和受体 结合，激活腺苷酸环化酶，使细胞内cAM

12、P增加而引起的。用同时测定细胞内钠离子活度和起搏电位的方法，Choi等 证明异丙肾上腺素和氨甲酰胆碱在低浓度时的作用主要通过If引 起，If的主要成分是Na+。cAMP作为第二信使，一般认为它对离子通道的作用是通过激 活蛋白激酶A（PKA），引起通道蛋白磷酸化而激活。但新近的研 究发现，cAMP对If通道的作用与上述的不同。是通过一个非磷酸 化途径或非代谢途径引起的。cAMP直接作用于If通道的细胞内侧 面使之激活，不仅cAMP可以，cGMP，cCMP都可以激活If通道，只 是作用较弱。用链霉蛋白酶（Pronase）处理SAN起博细胞膜的内 侧面后，If通道仍能被过度极化所激活，但不能再被cA

13、MP激活， 这说明If通道存在两种门控系统电压门控系统和环核苷酸门 控系统，两者在通道蛋白分子结构上的部位是不同的。关于SAN起搏功能调控的研究，目前尚在起步阶段，各种神 经体液因素如何整合来调节SAN起搏功能以适应生理功能的需要 ，以及它们作用的分子机制，都有待于进一步研究阐明。（三）异常起搏活动在病理条件下起搏活动不仅见于特殊传导组织，也可以发生于 工作心肌。异常起搏活动的命名，各家不一。Cranefield从基本电 生理学出发，把异常起搏活动分为两大类，一类是早期后除极（ early afterdepolarization，EAD），另一类是延迟后除极（ delayed afterdep

14、olarization，DAD），被各家所广泛接受。以下 分别讨论其发生机理。1早期后除极浦肯野细胞的膜电位除极到一定水平时，其膜电位不稳定而 倾向于产生自发震荡，这种膜电位的震荡发生于-40mv-+10mv之间 ，接近动作电位平台期的电位水平，故又名平台震荡（plateau oscillation）。平台震荡也可以发生于工作心肌，例如由于低钾 、缺血缺氧或酸中毒等因素造成心肌细胞动作电位复极受阻而膜电 位徘徊于上述数值时，膜电位即可发生震荡除极而产生一连串的异 位起搏（图3-1-4）。正由于这种除极发生在完全复极化以前，故 称之为早期后除极。在平台的膜电位水平，快钠通道已处在失活状态，震荡波

15、的除极和 复极分别由慢内向离子流（isi）和延迟复极离子流（ixi）所引起。例 如豚鼠乳头肌的平台震荡除极是由于Ca2+、Na+内流引起的（Ca2+、Na+是 豚鼠乳头肌isi的主要成分），减少细胞外Ca2+或Na+的浓度都可以使震 荡的波幅减小，尤其以Ca2+的影响更为明显。当细胞外Ca2+浓度从正常的 1.8mM/L降低到0.9mM/L时，平台震荡停止；而增加细胞外Ca2+浓度可引 起震荡波幅增加。N-乙酰普鲁卡因酰胺、-肾上腺制剂的中毒，Sotalol中毒都可引发 早期后除极，导致心律失常。2 2延迟后除极延迟后除极浦肯野细胞洋地黄中毒时，在电刺激引起的动作电位复极完浦肯野细胞洋地黄中毒

16、时，在电刺激引起的动作电位复极完 毕后往往以一个短暂的震荡除极波，这个除极波如果达到阈电位毕后往往以一个短暂的震荡除极波，这个除极波如果达到阈电位 ，就可以诱发产生一个新的动作电位，形成一次异位搏动（图，就可以诱发产生一个新的动作电位，形成一次异位搏动（图3-13-1 -5-5）。这种除极波由于发生在前一动作电位充分复极以后，故称）。这种除极波由于发生在前一动作电位充分复极以后，故称 为延迟后除极。为延迟后除极。延迟后除极的波幅和除极速率随着刺激频率的延迟后除极的波幅和除极速率随着刺激频率的 增加而增加。在高频刺激下，延迟后除极的波幅增增加而增加。在高频刺激下，延迟后除极的波幅增 加，除极速率也加快，因而由它所诱发的异位搏动加，除极速率也加快，因而由它所诱发的异位搏动 和前一动作电位的联律间距缩短。这可能就是洋地和前一动作电位的联律间距缩短。这可能就是洋地 黄中毒时出现超速兴奋的机理。黄中毒时出现超速兴奋的机理。延迟后除极不仅见于洋地黄中毒，凡是能引起延迟后除极不仅见于洋地黄中毒，凡是能引起 细胞内细胞内CaCa2+2+超