细胞生理学原理第13章心肌
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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Frank—Starling定律解释了心肌收缩 的内在调节
• 心脏Frank—Starling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 。
• 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(sarcolemma)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。
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。
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 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。
• 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。
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+。
• 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
• 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13-4， 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。
13.8 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。
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。
13.7 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，增加cAMP，促进心肌细胞中多种蛋白的cAMP依 赖的磷酸化。
• 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。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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Frank—Starling定律解释了心肌收缩 的内在调节
• 心脏Frank—Starling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 。
• 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(sarcolemma)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。
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。
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 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。
• 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。
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+。
• 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
• 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13-4， 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。
13.8 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。
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。
13.7 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，增加cAMP，促进心肌细胞中多种蛋白的cAMP依 赖的磷酸化。