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1、第13章 心肌,13.1 心肌是横纹肌，但是与骨骼肌不同，心肌是非随意肌,骨骼肌为随意肌，并受到中枢神经系统的控制。与骨骼肌相反，心肌为非随意的横纹肌；一个内在的起搏器使得心脏在没有任何外界影响的情况下产生节律性的收缩。而且，心肌细胞形成电合胞体(electrical syncytium)以使所有的心肌细胞能以一种同步化(波动)的方式收缩，这种方式对心脏的泵血行为非常重要。心肌和骨骼肌之间的不同还体现在兴奋一收缩耦联和收缩力的调节等方面。,13.2 心肌细胞形成电合胞体,心肌细胞比骨骼肌细胞小很多。典型地，心肌细胞直径约为10um，长度约为100um。心肌细胞通过闰盘(intercalated
2、 disk)相互连接，这种连接包括机械的和电学的连接。 机械连接包括黏合膜和桥粒，使心肌细胞在收缩时不会相互分离。另一方面，心肌细胞之间的缝隙连接(gap junction)，则在细胞之间提供了电耦合，使得动作电位可以在心脏内传播，并使心脏产生同步化的收缩。,心肌细胞中粗丝和细丝的基本组织结构与骨骼肌中的相类似。心肌是横纹肌，其收缩单位为肌节(sarcomere)。相似地，心肌细胞中的肌原纤维也被一个称为肌质网(sarcoplasmic reticulum，SR)的内部网络所包裹。 但是，心肌中的SR不如骨骼肌中的SR来得稠密。SR的终端紧邻着横小管(T tubule)或紧靠着肌膜(sarco
3、lemma)的下方。 在动作电位发生时细胞内Ca2+的升高过程中起重要作用。动作电位触发心肌细胞SR释放Ca2+的机制与骨骼肌有所不同。 心肌拥有丰富的线粒体，线粒体在心肌占有30的体积。高密度的线粒体赋予心肌高度的氧化能力，远远超过骨骼肌的氧化能力。,心肌细胞的肌膜上也有横小管的嵌入，这与骨骼肌相似。但是在心肌，它们朝向Z线排列，而不是像骨骼肌中那样聚集在明带和暗带的交界处。在心肌，横小管和 SR的连接也不如骨骼肌那么丰富。,13.3 心脏在没有外界影响的条件下自发搏动,心肌是由起搏细胞驱动的非随意肌。 起搏细胞是位于右心房窦房结(sinoatrial node)的一种特化的细胞，这种细胞会
4、自发地产生去极化并产生动作电位(见第17章)，由其产生的动作电位然后通过缝隙连接和心房中特化的传导纤维在心房细胞问传播。动作电位通过心房所花时间不到70 ms。动作电位必须通过房室结(atrialventricular node)才能传到心室，并通过特化的传导通路希氏束(bundle of His)和浦肯野系统(Purkinje system)以及闰盘处的缝隙连接传遍心室。 动作电位自窦房结发起到传遍整个心脏所需时间不到220 ms。由于心肌细胞的收缩持续时间典型地为300 ms，如此快速的传播速度导致了心肌细胞的几近同步的收缩。,13.4 在动作电位产生过程中。需要细胞外Ca2+来诱导肌质网
5、的Ca2+释放，并启动收缩,由于电压门控的L型Ca2+通道的激活，心肌动作电位具有一个长长的平台期。 Ca2+通过这个通道进入细胞并使心肌细胞产生收缩。因此，与骨骼肌不同，心肌细胞在没有细胞外Ca2+的情况下不会收缩。但是，在一次动作电位中进人心肌细胞内的Ca2+只是少量的，并不能促使肌动蛋白一肌球蛋白的相互作用。在动作电位发生过程中内流的Ca2+诱导了SR的Ca2+释放，而后者促使肌动蛋白一肌球蛋白的相互作用和细胞收缩。,13.4 粗丝上的肌球蛋白横桥拉动肌动蛋白细丝向肌节中心滑动，产生心肌收缩,包含4个阶段的肌球蛋白横桥循环既适用于骨骼肌细胞，也适用于心肌细胞。,骨骼肌的松弛需要Ca2+通
6、过SR钙泵(SR Ca2+ pump，SERCA)的重积聚。SERCA在降低细胞内Ca2+和心肌松弛的过程中起着一个关键作用，这个过程和骨骼肌相比更为复杂。这是因为在动作电位发生时，一些“触发器Ca2+”通过肌细胞膜上的 Ca2+通道进入心肌细胞。因此，一定有一个机制来排出这些触发器Ca2+；不然的话，SR中的Ca2+必然会不断增加，导致Ca2+的超载。 一些Ca2+通过肌膜上的3Na+-1ca2+逆向转运体和肌膜Ca2+泵被排出心肌细胞外。 细胞外Ca2+为毫摩尔水平，而细胞内Ca2+则为微摩尔下水平，因此Ca2+的外排是逆化学浓度梯度的。 细胞外的Na+远远高于细胞内。这个逆向转运体因此利
7、用了跨膜的Na+浓度梯度来将 Ca2+逆向转运出细胞。由于在这个过程中；有3个Na+进入细胞内，同时只有1个Ca2+被排出，3Na+-1Ca2+逆向转运体因此是生电的，并产生去极化电流。另一方面，肌膜Ca2+泵则利用ATP能量来排Ca2+。这两种机制以及SERCA因此通过降低细胞内Ca2+而使心肌松弛。,13.5 心肌并不能通过更多肌细胞的募集或强直刺激来增加收缩力,由于心脏表现为电合胞体，也就是说在一次搏动过程中所有的心肌细胞都产生收缩，所以不可能像骨骼肌那样，通过更多肌细胞的募集来增加收缩力。而且，心脏的强直收缩会因为破坏了心脏的泵血功能而导致死亡。心脏因此采用其他的方式来增加收缩力。 在
8、心肌细胞中由于L型电压门控Ca2+通道激活而产生的长时间的动作电位，导致长的不应期，并进而防止了强直收缩的产生。在动作电位过程中L型电压门控Ca2+通道的调节，可以通过对细胞内Ca2+的调节来实现收缩力的调节。,13.6 心脏的FrankStarling定律解释了心肌收缩的内在调节,心脏FrankStarling定律的基本概念是，心脏在伸展的情况下，产生更大的收缩力。可以在离体心脏(或心肌条)上显示这个机制，因此这是心脏的一个内在的特性 。 这个机制主要在于能使心脏将它所接受的血液全部都泵出去 。,这个舒张诱导的收缩力增加的机制与肌动蛋白一肌球蛋白相互作用的Ca2+敏感性的提高有关(见图13-
9、4， B)，因此在Ca2+临近最高值的时候，会有更多的肌球蛋白和肌动蛋白产生相互作用，并因此增加了收缩力。在舒张时，最大收缩力也会有所增加，提示心脏的舒张也会使与肌动蛋白产生相互作用的肌球蛋白分子数量增加(图13-4，B)。最大收缩力增加的机制并不清楚，但这和粗丝与细丝之间交叠程度的改变无关。,13.7 通过激素刺激肾上腺素受体引起的心肌收缩的外来控制,当人体处于兴奋状态，以及准备“格斗或逃跑”的时候，交感神经系统受到刺激。在心脏，肾上腺髓质激素肾上腺素(epinephrine)或交感神经递质去甲肾上腺素(norepinephrine)水平的增加会激活心肌细胞上的肾上腺素受体，激活腺苷酸环化酶
10、，增加cAMP，促进心肌细胞中多种蛋白的cAMP依赖的磷酸化。 L型电压门控的Ca2+通道(与触发器 Ca2+的内流有关)和称为受磷蛋白的 与 SERCA相关联的蛋白都通过cAMP依赖性蛋白激酶得到磷酸化。,这些磷酸化的综合效果是增加了SR中Ca2+的总量。特别是，肌膜 Ca2+通道的磷酸化会导致更多的触发器Ca2+进入细胞，而受磷蛋白的磷酸化则会提高SERCA的活动性，使得 Ca2+通过3Na+-Ca2+逆向转运体和肌膜Ca2+泵被排出之前，SR能积聚更多的Ca2+。 这些过程的综合效果是， SR能在下一次动作电位到来的时候，将更多的Ca2+释放到胞质内，促进更大程度的肌动蛋白一肌球蛋白相互
11、作用，并产生更大的收缩力。 由交感刺激诱导的 SERCA活动性的增加也会由于SR对Ca2+的快速重积聚而导致短暂的收缩。这会使心脏收缩频率提高。交感刺激的另一个结果是其直接作用在起搏细胞上而导致心率增加,13.8 心肌在很大程度上依赖于包括脂肪氧化的有氧代谢，以满足能量需求,当心肌由于冠状血管阻塞而导致完全的氧缺乏(如断流性缺血)，收缩会很快停止(在30 S内)。这并不是由于ATP或磷酸肌酸的耗尽，因为它们的降低过程较为缓慢。即使断流性缺血发生10 min以后，当磷酸肌酸水平接近0，并且ATP水平仅为正常值的20，这些能量的储存也能通过重灌注得以恢复，并使收缩能力得以恢复。 但是，将断流性缺血持续时间延长至20 min，则导致 ATP水平的进一步降低。在这种情况下，再灌注的效果会显著减弱，ATP和磷酸肌酸的水平以及收缩活动只能在有限程度上得到恢复。,本章结束,
