心脏的电生理学基础

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1、心脏的电生理学根底一、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

2、又可分为快反响细胞和慢反 响细胞。快反响细胞 快反响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。 快反响细胞的整个中有多种内向电流和外向电流参与。慢反响细胞 慢反响细胞包括窦房结和房室结细胞，其动作 电位 0 相除极由型钙电流介导，速度慢、振幅小。慢反响细胞无 1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拟见表 1。表 1 快反响细胞和慢反响细胞电生理特性的比拟参数快反响细胞慢反响细胞静息电位-8095-40650期去极化电流I Ca0期除极最大速率200700115超射+2040-520阈电位

3、-6075-4060传导速度兴奋性恢复时间3期复极后10503期复极后100以上4期除极电流,1Ca,二、静息电位的形成静息电位,丨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，因此是指膜内相对于零的电位值。在心脏，不同组织部 位的是不一样的，心室肌、心房肌约为-8090，窦房结细胞-5060， 普肯耶细胞-9095。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。如泵，也称酶，其作用将胞内的转运至胞外，同时将胞外的转运至胞内， 形成细胞内外和浓度梯度。酶的磷酸化需要分解，通常每分解一分子可

4、将3个转运至膜外，同时将 2个转运至膜内。心肌细胞外2+2+0和细胞内2+冷相差万倍，维持2 跨膜浓度梯度的转运系统其一是位于细胞膜上的2+交换体2+，它的活动可被促进，但不分解，因而也不直接耗能。2+交换体对和2+的转运是双向的，可将转入胞内同时将2+排出胞外正向转运，也可将排出而将2+转运至胞内反向转运。转运的方向取 决于膜内外、2+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个与 1个2+的交换， 2+交换电流为内向电流， 电流方向与流动的方向相一致，内流而2+外排。经 2+交换排出 2的过程是间接地以泵的耗能活动为动力的。另一个维持2+跨膜梯度的转运系统是位于肌质网 ,

5、膜上的泵起着主要作用。泵 也称酶，它每分解一分子可将胞浆中 2个 2+逆电化学梯度转动至 内，使2+i降低到0.1卩1以下。心肌细胞膜上也存在酶，可逆 电化学梯度将胞浆内 2+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。 决定的离子电流主要是和。 原因是静息状态下膜

6、 对 2+几乎没有通透性， 其作用可以忽略。 是一个被动分布的离子， 它不决定，而是决定它的分布。以上分析说明一个稳定的，其外 向的电流和内向的电流相等。 主要取决于膜的电导和电导。 膜对 哪一种离子的电导更大， 就更接近哪一种离子的平衡电位。 静息 时，电导 ?电导，接近于平衡电位。三、心肌细胞动作电位的产生机制动作电位 , 是指一个阈上刺激作用于心肌组织可引起一个扩布性的去极化膜电位波动。 产生的根本原理是心肌组织受到 刺激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的开关及其它电生理特征不尽

7、一 样。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响细胞，形态相似。心室肌复极时间较长 100300，其特征是存在 2 期平台。 分为 0，1，2，3，4 期。0 期：除极期，膜电位由 -8090 在 12 内去极化到 +40，最大 去极化速度可达 200400。产生机制是电压门控性钠通道激活， 内流产生去极化。1 期： 快速复极早期，膜电位迅速恢复到 +10 10。复极的机 制是钠通道的失活和瞬间外向钾通道的激活， 外流。在心外膜下 心肌电流很明显， 使出现明显的尖锋； 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

8、流平衡的结果。 平台期的内向电流有， 2+ ，以及慢钠通道电流。其中最重要的是 I ，它失活缓慢，在整个平台期持续存在。 2+ 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 1，和平台钾通道电流。的失活和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， 1 和生电性泵 电流。 3 期复极的早期主要是的作用，而在后期 1 的作用逐渐增 强。这是因为膜的复极使 1通道开放的概率增大，后者使外流增 加并加速复极，形成正反响，使复极迅速完成。4 期

9、 ：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 ，起搏电流 ，电压门控性， 。这些离子电流没有一个能独 立完成窦房结的 4 期除极，外向衰减，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； 超极化激 活，故在膜电位负值较大的细胞起较大作用；2+内流主要参与 4期后半局部的除极。心房肌动作电位与心室

10、肌相比， 主要特点是： 1 期复极较迅 速，平台期不明显，因为心房肌电流较强而较弱；3期复极和静息期有乙酰胆碱激活的钾通道参与。普肯耶细胞属于快反响自律细胞，其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 1电流较强，可达-90。 0 期最大除极速率高；它的电流较强， 1 期复极速度较快；它的 平台期持续时间长，可达 300500。二窦房结和房室结细胞动作电位窦房结细胞属于慢反响细胞，其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各时相的离子 电流也与快反响细胞不同。 0

11、期去极化是激活引起的，激活过程 较慢，故 0 期的去极化速度低。 3 期复极主要是由于的失活和的 激活形成的，也参与了 3 期复极。房室结细胞的 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 是指心肌细胞受刺激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。对快反响细胞来说，形成的关键是钠通道的激活。当静息电 位绝对值高于 80 时，所有钠通道都处于可开放状态，承受阈刺 激即可产生动作电位。 随着膜的去极化， 电压门控钠通道开放的 概率增大， 当刺激能使膜电位去极化到某一临界值

12、时， 这一临界 值称为阈电位 ，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的 0 期。慢反响细胞形成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。根据钠通道的工作模型，电压依赖性钠 通道受膜

13、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 、开放状态 和失活状态 。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，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

14、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T m比失活门关闭的时间常数 T h小得多，假设刺激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 外刺激使通道从失活关闭状态进入到静息关闭状态后， 通道才能 再度承受外界刺激而激活开放。这一过程称为复活 。钠通道 的膜电位在 -8090 时，几乎全部通道都处于关闭状态，一旦迅速 去极化， 钠通

15、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。 即的减小超过一定程度时阈电位会上移， 使与 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。轻度高血钾使略微减小如从 -90 减少至 -80 时，阈电位无显著变化，与阈电位差距减少，故兴 奋性升高； 重度高血钾时进一步减小而使阈电位升高， 兴奋性那 么降低。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，随着复极过程的进展，兴奋 性又逐渐恢复， 其机制为随着膜电位的增大， 失活状态的钠通道或钙通道逐步进入关闭状态， 即复活过程。 复活是电压和时间依 赖性的，在快反响细胞，钠通道复活过程为电压依赖性，根据复 极过程中膜电位的变化， 将心肌复极过程中的兴奋性分为以下几 期：绝对不应期，终止于 3期复极至-55左右，此期钠通道全 部处于失活状态，不产生兴奋。有效不应期