心脏的电生理学基础

心脏的电生理学基础

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，心肌细胞又可分为快反应细胞和慢反应细胞。

快反应细胞快反应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。快反应细胞的整个APD中有多种向电流和外向电流参与。

慢反应细胞慢反应细胞包括窦房结和房室结细胞，其动作电位0相除极由L-型钙电流介导，速度慢、振幅小。慢反应细胞无I k1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较见表1。

表1 快反应细胞和慢反应细胞电生理特性的比较

参数快反应细胞慢反应细胞

静息电位-80~-95mV -40~-65mV

0期去极化电流I Na I Ca

0期除极最大速率200~700V/s 1~15V/s

超射+20~+40mV -5~+20mV

阈电位-60~-75mV -40~-60mV

传导速度0.5~4.0m/s 0.02~0.05m/s

兴奋性恢复时间3期复极后

10~50ms 3期复极后100ms以上

4期除极电流I f I k, I Ca, I f

二、静息电位的形成

静息电位（resting potential, RP）是指安静状态下肌细胞膜两侧的电位差，一般是外正负。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RP是指膜相对于零的电位值。在心脏，不同组织部位的RP是不相同的，心室肌、心房肌约为-80~-90mV，窦房结细胞-50~-60mV，普肯耶细胞-90~-95mV。

各种离子在细胞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Na-K泵（Na-K pump），也称Na-K-ATP酶，其作用将胞的Na+转运至胞外，同时将胞外的K+转运至胞，形成细胞外Na+和K+浓度梯度。Na-K-ATP酶的磷酸化需要分解ATP，通常每分解一分子ATP可将3个Na+转运至膜外，同时将2个K+转运至膜。

心肌细胞外Ca2+（[Ca2+]0）和细胞Ca2+（[Ca2+]i）相差万倍，维持Ca2+跨膜浓度梯度的转运系统其一是位于细胞膜上的Na+/Ca2+交换体（Na+/Ca2+exchanger），它的活动可被ATP 促进，但不分解A TP，因而也不直接耗能。Na+/Ca2+交换体对Na+和Ca2+的转运是双向的，可将Na+转入胞同时将Ca2+排出胞外（正向转运），也可将Na+排出而将Ca2+转运至胞（反向转运）。转运的方向取决于膜外Na+、Ca2+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Na+与1个Ca2+的交换，Na+/ Ca2+交换电流（I Na/I Ca）为向电流，电流方向与Na+流动的方向相一致，Na+流而Ca2+外排。经Na+/ Ca2+交换排出Ca2+的过程是间接地以Na泵的耗能活动为动力的。另一个维持Ca2+跨膜梯度的转运系统是位于肌质网（sarcoplasmic reticulum, SR）膜上的Ca泵起着主要作用。Ca泵也称Ca-ATP酶，它每分解一分子ATP可将胞浆中2个Ca2+逆电化学梯度转动至SR，使[Ca2+]i降低到0.1µmol·L-1以下。心肌细胞膜上也存在Ca-A TP酶，可逆电化学梯度将胞浆Ca2+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的电流为向电流，它引起膜的去极化；正电荷由胞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RP能保持稳定，是由于静息状态下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RP的离子电流主要是Na+和K+。原因是静息状态下膜对Ca2+几乎没有通透性，其作用可以忽略。Cl-是一个被动分布的离子，它不决定RP，而是RP 决定它的分布。以上分析表明一个稳定的RP，其外向的K+电流和向的Na+电流相等。RP 主要取决于膜的K+电导和Na+电导。膜对哪一种离子的电导更大，RP就更接近哪一种离子的平衡电位。静息时，K+电导》Na+电导，RP接近于K+平衡电位。

三、心肌细胞动作电位的产生机制

动作电位（action potential, AP）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。AP产生的基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AP的开关及其它电生理特征不尽相同。

（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应细胞，AP形态相似。

心室肌AP复极时间较长（100~300ms），其特征是存在2期平台。AP分为0，1，2，3，4期。

0期：除极期，膜电位由-80~-90mV在1~2ms去极化到+40mV，最大去极化速度可达200~400V/s。产生机制是电压门控性钠通道激活，Na+流产生去极化。

1期：快速复极早期，膜电位迅速恢复到+10±10mV。复极的机制是钠通道的失活和瞬间外向钾通道Ito的激活，K+外流。在心外膜下心肌Ito电流很明显，使AP出现明显的尖锋；在心膜下心肌该电流很弱，1期几乎看不到。

2期：平台期，形成的机制是向电流与外向电流平衡的结果。平台期的向电流有I Ca-L，I Na+/ Ca2+，以及慢钠通道电流。其中最重要的是I Ca-L，它失活缓慢，在整个平台期持续存在。

I Na+/ Ca2+在平台期是向电流，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TTX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I k1，I k和平台钾通道电流I kp。I Ca-L的失活和I k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I k，I k1和生电性Na泵电流。3期复极的早期主要是I k的作用，而在后期I k1的作用逐渐增强。这是因为膜的复极使I k1通道开放的概率增大，后者使K+外流增加并加速复极，形成正反馈，使复极迅速完成。

4期：自动除极期（又称舒期自动除极期），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期除极的最重要的向电流为I f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Na+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（I k），起搏电流（I f），电压门控性I Ca-L，I Ca-T。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I k衰减，相当于向电流逐渐加强，在4期除极中起主要作用，也是4期除极的主要机制；I f超极化激活，故在膜电位负值较大的细胞起较大作用；Ca2+流主要参与4期后半部分的除极。

心房肌动作电位与心室肌相比，主要特点是：①1期复极较迅速，平台期不明显，因为心房肌I to电流较强而I Ca-L较弱；②3期复极和静息期有乙酰胆碱激活的钾通道K Ach参与。

普肯耶细胞属于快反应自律细胞，其AP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I k1电流较强，RP可达-90mV。0期最大除极速率高；它的I to电流较强，1期复极速度较快；它的平台期持续时间长，可达300~500ms。

（二）窦房结和房室结细胞动作电位

窦房结细胞属于慢反应细胞，其AP与心室肌相比一个特点是0期去极化幅度小，没有