第三节离子与心肌

一、钾离子
钾离子(K+)是心肌细胞内主要的阳离子，细胞内液中K+浓 度([K+]i)高达140mmol/L，为细胞的正常生化代谢活动必需。 血清或细胞外液的K＋浓度([K+]。)为3.5～5.5mmol儿，平均约 4mmol／L。心肌细胞膜上的外向钾电流是形成静息电位 (resting potential，RP)或最大复极电位和动作电位(action potential，AP)复极化的基础，此外还参与自律性细胞的4期 自动去极化的形成。
心肌细胞膜上有8～10种不同类型的钾电流。例如，内 向整流性钾电流(IK1)是形成RP或最大复极电位的离子流，还 参与AP复极化的平台期和3期的形成；延迟整流性钾电流(Ik) 参与AP复极化的平台期和3期的形成，在自律性细胞复极化 的4期，该电流又呈进行性衰减，是形成4期自动去极化的主 要原因；短暂的外向钾电流(Ito)则是形成快反应细胞AP复极 化l期的主要离子流。心肌细胞对[K+]。变化很敏感，快反 应细胞(心房肌、心室肌和浦肯野纤维)比慢反应细胞(窦房 结和房室结自律性细胞)更为敏感，其中以心房肌最为敏感， 希氏束－浦肯野纤维次之，窦房结最不敏感。
(一)高钾
[K+]o高于5.5mmol／L称为高钾血症。[K+]o 5.5～7.Ommol／ L为轻度高钾，[K+]。7～9mmol／L为中度高钾，[K+]超过 9mmol／L为重度高钾。
1、膜电位的变化
(1)RP：高钾时，膜内、膜外K+浓度梯度减小，RP绝对值减小， 这种现象称为高钾去极化。
(2)AP：在AP期间，由于RP减小，钠通道的激活程度和Na+内 流的电位梯度减小，均使钠电流(INa)减小，动作电位幅度 (action potential amplitude，APA)和0期去极化速度(Vmax） 降低。而在AP复极化期，由于[K＋]o增高，心肌细胞膜对K＋ 的通透性提高(其机制不详)，外向钾电流(主要是Ik，IK1)增 强，使动作电位时程(action potential duration，APD)缩 短，平台期和有效不应期(effective refractory period， ERP)也相应缩短。
2、生理特性变化
(1)兴奋性的变化
轻度高钾时，由于RP略有减小，RP与阈电位之间的距离 缩短而更为接近，可使引起兴奋所需的阈刺激减小，亦即兴 奋性增高。中度或重度高钾时，由于RP过低，钠通道的激活 程度和钠内流的电位梯度过低，使钠电流减小，则引起兴奋 所需的阈刺激增大，兴奋性降低。若[K＋]o过高而使RP减小到 -60mV以下时，则钠通道全部失活，钠电流不能产生，快反应 电位转变为部分失活，钠电流不能产生，快反应电位转变为 慢反应电位。因此，在[K+]。逐步增高过程中，心肌的兴奋 性呈先升高而后降低的双向性变化。如果[K+]o迅速增高，则 兴奋性将立即降低甚至消失。此外，由于AP复极化加速，APD 缩短，故ERP(有效不应期)也随之缩短。
(2)传导性的变化
轻度高钾时，由于RP略有减小，与阈电位更为接近， 则局部电位更易达到阈电位而形成兴奋扩布，故传导性略 有增高。但中度以上高钾时，由于RP显著减小，Na+内流的 电位梯度显著降低和钠通道的部分失活，使APA和Vamx显著 降低，传导性也随之降低而形成传导阻滞。因此，当血钾 逐渐增高时，对传导性也有双向性影响。但若血钾迅速增 高则立即出现传导性降低，可形成窦房间、心房内、房室 间或心室内传导阻滞。由于窦房结对高钾不敏感，而心房 肌对高钾最敏感，因此当心房的兴奋性和传导性消失而心 电图中不出现P波时，窦房结所产生的兴奋仍可通过心房内 优势传导通路传向房室结并进入心室，形成窦室传导。
(3)自律性的变化
窦房结起搏细胞由于缺乏IkI钾通道，故对高钾不敏感，高钾 对其自律性略有降低。而在快反应自律性细胞，由于在AP复极 化期K+外流增强，4期自动去极化速度降低，故自律性降低。
(4)收缩性的变化
[K+]。增高可以激活细胞膜上的Na+ - K+ATP ase，使细胞外 间隙中的Na+浓度增高而导致:
①细胞外Na+竞争性抑制Ca2+内流，使钙电流减少，Ca2+内流减少。
②细胞外Na+促进跨膜Na+-Ca2+交换，使细胞内液Ca2+外运增多。 这两者均使[Ca2+]降低，Ca2+激发心肌兴奋-收缩耦联作用减弱。 因此高血钾时心肌的收缩性降低，收缩力减弱。
3、心电图的变化
高钾时，由于APA和Vmax降低，心电图中显示心房的P波 电压降低和波幅增宽,心室的R波电压低而QRS综合波增宽。心 室复极化加速，显示T波高耸狭窄，为高血钾心电图的主要特 点。心室肌APD缩短，则Q-T间期缩短，但也可因QRS综合波增 宽而延长。房室传导减慢，故P-R间期延长。
4、心律失常
由于高钾对正常起搏点窦房结自律性活动的影响很小，而 对潜在起搏点自律性活动有强大的抑制作用，因此高血钾可使 心脏在正常起搏点的控制下更有效地制止异位起搏点的自律性 活动，而不伴有传导性降低和不应期缩短，所以应用钾盐以提 高血钾浓度可以治疗异位起搏点所形成的自律性异常的心律失 常。当血钾浓度显著增高时，由于传导性降低和不应期缩短， 易发生兴奋折返，可形成各种折返型心律失常，包括心室纤维 颤动。心电图中QRS综合波显著增宽往往是高血钾引起严重心 律失常的信号，增宽达50％左右时需做紧急处理。在浦肯野纤 维末梢发生传导阻滞时可形成心室停搏。心室停搏或心室颤动 是应用钾盐过量或血钾浓度过高导致心性猝死的主要原因。但 在心脏手术时，钾盐可作为选择性心脏停搏的药物之一，形成 心脏麻痹，可以延长心脏手术时间，并保护心脏组织而减轻缺 血性损伤。
高血钾使心脏停搏在哪一期？为什么
高钾使心脏停搏在舒张期。
原因要从钾离子对心肌生理特性谈起。
兴奋性：当[K+]大幅度升高时， RP的绝对值减小到-55mv时，
钠通道的开放效率降低，钠通道逐渐失活，细胞的兴奋性降低 或丧失，严重时，可导致心肌停搏于舒张状态。此时，仅由 Ca2+来构成动作电位，故上升支小而缓慢，使兴奋传导性降低。
收缩性：高钾对心肌收缩功能有抑制作用。因为细胞外的钾
和钙在细胞膜上有竞争性抑制，因此当膜外[K+]↑时，平台期内 流的Ca2+减少，心肌细胞内的Ca2+浓度难于升高，减小了Ca2+ 的兴奋-收缩偶联作用从而减低了心肌的收缩能力，心脏收缩与 肌质网释放钙有关，肌质网不能有效释放钙，不能引起收缩， 使心脏停在舒张期。
5、防治原则
(1)防治原发病，消除引起高血钾的原因。
(2)降低体内总钾量：一方面减少K+的摄入量；另一方面可用透 析疗法(腹膜透析或血液透析)增加机体排钾量。
(3)使K+由细胞外液转入到细胞内：应用葡萄糖和胰岛素大剂 量静脉输入，促进糖原合成。或输入碱性药物，如碳酸氢钠或 乳酸钠，提高血液PH，通过机体的缓冲机制，一方面使肾小管 Na+- H+交换减弱，刺进K+- H+交换增强，促进K+向细胞内转移， 从而降低血钾浓度。
(4)应用钙盐和钠盐拮抗高血钾对心肌的毒性作用：注射钙盐， 使[Ca2+]o增加，AP的平台期Ca2+内流量增多，可提高心肌的收 缩能力。应用钠盐，增加[Na+]。，AP的0期Na+内流量增多， APA和Vamx增大，可改善心肌的传导性。
(二)低钾
[K+]。低于3.5mmol／L称为低钾血症。
1．膜电位的变化
(1)RP：在神经和骨骼肌细胞，当[K+]。降低时，由于细 胞膜内外K+浓度梯度增大，K+外流增多，可使RP增大。但在心 肌则不同，当[K+]。降低时，心肌细胞膜对K+的通透性降低， K+外流减少(其原因未明)，故RP反而有所减小。因此，低钾对 心肌细胞膜电位也有去极化作用。
（2）AP：RP减小则使Na+内流时钠通道激活的程度和电位梯度 降低，使APA和Vamx减小，低钾时K+对平台期ca2+内流的拮抗抑 制作用减弱，Ca2+内流增强，又反馈性地抑制钙通道，故平合 期有所缩短；由于K+外流减慢，故复极3期延长，整个APD也延 长。
2、生理特性的变化
(1)兴奋性的变化：RP减小,则RP与阈电位更为接近，引起兴 奋所需的阈刺激减小，因此兴奋性增高。由于复极期缩短，兴 奋的ERP缩短；由于APD延长，故超常期延长。
(2)传导性的变化：APA和Vamx降低，则兴奋扩布的速度减慢， 传导性降低。
（3)自律性的变化；低钾时窦房结起搏细胞对K+不敏感，自律 性可能略有增高。快反应自律细胞在低钾时钾外向电流减小， 而钠内向电流超过钾外向电流，故4期自动去极化的速度加快， 自律性增高。
(4)收缩性的变化：低钾时心肌收缩能力增强。但在严重或慢 性低血钾时，可引起细胞内缺钾，使心肌细胞代谢障碍而发生 变性坏死，因而心肌收缩减弱。
3、心电图的变化
低钾时心肌的传导性降低，在心电图中显示P-R间期轻 度延长的QRS综合波增宽。复极二期平台缩短，显示S-T段 下移。复极3期延长则显示T波电压降低和增宽，井可在其末 期出现U波。APD延长则显示Q-T间期延长。
4、心律失常
低钾时易发生各种类型的严重心律失常。例如，由于兴奋性增高，超 常期延长，异位自律性增高，易产生异位节律而形成各种自律性异常的心律 失常；又由于传导性降低，ERP缩短，易产生折返型心失常。
5、防治原则
(1)防治原发病，消除失钾的原因，尽快恢复饮食和肾功能。
(2)补钾：对严重低钾血症或出现明显临床症状者，应及时补钾。
注意问题：①纠正酸中毒后才能补钾。
②肾功能正常时才能输入K+。因为K+主要通过肾脏排泄。尿少 时不宜补钾，每天尿量在500ml以上时才能进行注射补钾。
③钾盐不能进行皮下或肌肉注射，钾盐只能进行静脉滴注，且 浓度不宜过高(低于0.l％)，速度不宜过快。
④密切观察心率、心律，定时测定血钾浓度。
二、钙离子
Ca2+除了参与心肌细胞的兴奋-心缩耦联，增强心肌收缩力外， 还参与心肌细胞的电活动。细胞外Ca2+经钙通道内流而形成钙 电流。它在慢反应细胞中形成AP去极化0期和复极化2期，也是 4期自动去极化的主要因素，在快反应细胞，在AP去极化0期之 末的Ca2+内流，参与超射的形成。在AP复极化二期平台，也主 要是Ca2+内流所产生的。
Ca2+与其他离子之间也有相互作用。例如在细胞膜外侧， Ca2+能抑制Na+内流，称为膜屏障作用。
钙通道的口径较大，对离子的选择性较低，因此与Na+有竞 争性抑制作用。 Ca2+在细胞内可作用于某些钾通道(Ik1、Ik及Ito) 的内侧面，使其构型改变而激活这些通道，促进K+外流。另外， H+在细胞内可与Ca2+竞争肌钙蛋白上的Ca2+结合位点，H+还能 与肌钙蛋白的抑制亚基有协同作用，降低肌钙蛋白对Ca2+的亲 和力。
(一)高钙
正常人血清钙浓度为2.25～2.75mmol／L，儿童稍高，常 处于上限。血清钙高于2.75mmol／L为高钙血症。
1、膜电位的变化
(1)RP略有增大。这是因为Ca2+进入细胞内增多，可激活一种 钾电流(IK1)，使K+外流增强； Ca2+在细胞外又能抑制INa，使 Na+内漏减少。
(2)AP：由于Ca2+抑制Na+内流，故APA 和Vamx均降低，平台期 Ca2+内流增多，平台增高。但Ca2+内流增多，使[Ca2+]i增高， 能反馈性地抑制钙通道的开放，故平台期缩短。另外， Ca2+ 内流增多，还激活子某些钾通道(IKl、Ik及Ito等)，使K+外流增 强，也能缩短平台期，同时复极3期也加速，APD缩短。慢反应 细胞4期自动去极化速度增快(Ca2+内流增强)，而快反应自律 细胞4期自动去极化的速度是减慢的(Ca2+的膜屏障作用——抑 制Na+内流)。
2、生理特性的变化
(1)兴奋性降低：由于钠通道受抑制，阈电位上移，RP值增 大，与阈电位的差距增大，故兴奋性降低；由于平台期缩短， APD缩短，故ERP缩短。
(2)传导性降低：由于APA及Vamx减小，阈电位上移，加之细 胞间的连接膜通道在高钙时部分抑制，引起细胞间脱耦联，故 传导性降低。
(3)自律性：在慢反应细胞，由于钙电流增强，自律性可略有 增强。在快反应自律细胞，由于If和INa. 均减小，而钾外向电 流增强，4期自动去极化速度减慢，其自律性降低。