心脏电生理学

1、心 脏 电 生 理 学Cardiac Electrophysiology硕 士 研 究 生 专 题 讲 座刘 少 金第一章 心 脏 的 电 生 理 研 究 心脏的生理活动主要涉及三个方面： 电活动：起搏、兴奋、传导； 机械活动：即收缩和舒张的泵血活动； 分泌活动：心脏可分泌多种生物活性物质 心房肽、Ang?、前列腺素、洋地 黄样物质等。 本专题主要讨论心脏的电生理活动，包括电生理研究方法、心脏的离子电流、离子运转，为心电图原理和心律失常发病机理的探讨打下根底。第一节 心脏的电生理研究方法 1855年，Klliker和Mler将蛙离体神经-肌肉标本的神经一端放在其心脏外表时，骨骼肌可随心脏跳动而

2、收缩。其后，在麻醉开胸犬中，将膈神经放在暴露的心脏外表，膈肌也随心跳而收缩。 1880年，Burdon?Sanderson & Pagel 毛细管电位计观察了蛙心室肌动作电位，即把一个电极放在心室外表，另一电极放在烫伤的心尖部，记录到典型的心室肌动作电位。 1903年，荷兰Leiden大学生理学教授 Willem?Einthoven用灵敏的弦线电流计记录完整心脏的电活动，以观察心脏的兴奋功能，称为心电图心电图，ECG。但直到1910年才用于临床。由于Einthoven在心电研究的卓越奉献，于1924年荣获诺贝尔生理学奖。 1936年，Goldenberg & Rothberger 利用弦线电流

3、计记录到狗浦氏纤维动作电位。 这些观察应算是心脏电生理研究最早的实验。 心 脏 病 的 科 学 进 入 了 新 的 篇 章 ，它 不 是 靠 一 个 人 的 工 作 , 而 是 许 多 天才 的 科 学 家 ，超 越 了 任 何 政 治 藩 篱 ，潜 心 钻 研 而 成 。他 们 在 世 界 各 地 ， 为了 科 学 的 进 步 ， 为 了 达 到 造 福 于 深 受疾 病 折 磨 的 人 类 的 目 标 ，贡 献 了 全 部的 精 力 。 Willem Einthoven 摘自1924年 Einthoven 诺贝尔获奖演讲稿 纵观近百年来的心脏电生理研究，可分为整体体表电极对心脏电活动的观察

4、ECG；或从特殊部位置入电极记录希氏束电图、窦房结电图；后来，在原位心脏、离体心脏、或单个心肌细胞的膜内外进行观察，其电位变化是细胞膜两侧称为跨膜电位transmenbrane潜在的，TMP，总称为心脏细胞电生理学心脏的细胞的电生理学。 一、细胞内微电极技术 心肌细胞跨膜电位的研究比神经纤维更为困 难，如枪乌贼巨大神经轴突的直径可达1000 m， 而心肌细胞那么远比这小，牛浦肯野纤维的直径约 70m，人和犬心室肌纤维的直径约15 m，房 室交界结区细胞仅为3 m。 研究心肌细胞电生理需要解决的一个重要问题是微电极。金属可以通过加温拉制成微电极，但其弱点是，尖端越细，硬度越低，难以穿透细胞膜。

5、1949年，凌宁和Gerard在芝加哥大学创造出尖端直径小于0.5 m的玻璃微电极，其内充灌导电溶液KCl，通过金属丝与复合跟随器相连，引导的电位经放大后输入示波器显示，称为细胞内微电极技术intracellular microelectrode技术，也称标准微电极技术。220V0.5mKCl溶液 复 合跟随器 玻 璃 微 电 极 的 拉 制 与 使 用放 大 器 英国剑桥大学的Hodgkin和贺胥黎一直从事电生理研究，当他们得知凌宁的工作后，非常感兴趣， Hodgkin亲自到芝加哥大学访问凌宁，并将玻璃微电极拉制技术带回英国。利用微电极和电压钳制技术，在枪乌贼巨大神经轴突上开创了细胞膜离子电

6、流的研究工作，并获诺贝尔生理学奖。 1949年，Weidmann瑞士和 Coraboeuf法国在Hodgkin实验室用玻璃微电极研究了各种细胞的生物电，最后，他们记录了狗浦肯野纤维的跨膜电位，包括静息电位静止的潜在的和动作电位动作潜在的。 1950年，凌宁的学生Woodbury等在原位蛙心记录到心室肌细胞跨膜电活动，但稳定性较差。离体心肌那么不同，不但稳定性好，而且易于控制环境，可在灌流液中参加各种药物或试剂，以便分析和研究。 1950年，Hoffman 在美国纽约州立大学建立了心脏电生理实验室，Fuortes 从剑桥大学带来了Hodgkin实验室的经验，Cranefleld也参加到这个实验室

7、。从此，Hoffman 实验室就成为美国心肌电生理学的研究中心，大局部美国知名心肌电生理学家出自Hoffman实验室，其弟子也遍布各地。 在德国原联邦德国，Trautwein创立了自己的心肌电生理实验室，后来开展成为欧洲最有影响的研究室。 在日本，入泽Irisawa是日本心肌电生理学的奠基人。Woodbury于50年代作为原子能委员会的成员到日本工作，将心肌电生理学技术传授给入泽。后来的日本心肌电生理学家大多是入泽的门徒。 总之，20世纪50年代是心肌电生理学研究的开展与推广时期，其方法就是标准微电极与细胞内记录。这一时期的代表著作以Hoffman和Cranefield所著?心的电生理学?19

8、60最具有影响。二、电压钳制技术 电压钳电压夹子技术 ： 离子作跨膜移动时形成了跨膜离子电流I，而膜对离子的同透性大小就是膜电阻 R 或其倒数电导G，膜电导即膜的通透性。测定膜在受刺激时跨膜电流的改变，技术上是容易的，但要保持膜电位固定不变那么较难。因离子流会使不导电而有电容特性的脂质膜充电或放电，这必然要使膜电位改变。 Hodgkin等设计了一种负反响原理的电子学装置，能在膜电位恒定的情况下测量跨膜离子电流的强度的改变，并计算出膜电导。 电 压 钳 制 技 术 模 式 图VFBASG神经轴突电极2电极1跨膜离子电流 测量装置IA膜电位监视膜电位固定指令负反馈放大器电压放大器 0 1 2 3

9、4 BAC-65-90（mV）（ms）电 压 钳 实 验 结 果 示 意 图NaCl氯化胆碱A-B 由Hodgkin和贺胥黎建立的电压钳制技术在枪乌贼巨大神经轴突上获得了成功，将此技术应用在心肌上也应是必然趋势。然而，由于技术难度大，在相当长的一段时期难以解决。Trautwein与甲板德国 1964用双电极电压钳制技术在狗浦肯野纤维上记录出离子电流。在欧洲，心肌离子电流工作在四个实验室相继迅速开展德国的Trautwein；英国的高尚的；比利时的Isenberg；法国的Coraboeuf。 从6080年代，心肌离子电流的研究工作可说是在欧洲进行的。在此期间，发现并说明了心肌细胞各主要离子电流的根

10、本特性，如：INa、ISi、Ik1、Ik、ITo、ITi、INa-Ca、Ipump等，为心肌细胞电生理学构建了离子水平的根本框架。值得提出的是Isi的发现，这是神经纤维上没有的，也是以前不为人所知的电流，它的发现，带动了钙离子流及其阻断剂研究的热潮。 1975年M.Callister，高尚的和 Tsien以牛的浦肯野纤维为标本，研究了离子电流，并根据已有的电压钳研究结果加以镶嵌总结，提出了MNT模型。 1984年，高尚的根据电压钳制术的进展，将单个细胞和小片膜钳制术的初步研究结果加以总结，于1984年在安Rer Physio.发表了重要评论，并对以前的研究结果加以更正。三、单个细胞技术 198

11、0年，Powell 应用心脏的单个细胞进行了研究，称单个细胞技术单一的单元技术。将游离的单个心肌细胞，用细胞内微电极技术观察其电位变化，也可进行单个细胞电压钳制术或小片膜钳制术观察离子电流。 单细胞的获得：大细胞用切割法，小细胞用酶别离法胶原酶、胰蛋白酶。 单个细胞与多个细胞组织相比，可防止临近细胞之间的干扰和细胞间离子浓度变化的影响。此外，对单个细胞的电压钳制，作用快速而均匀，并可进行细胞内各种试剂或药品的注射，以观察其效应。 但是，细胞别离后，与原来在多细胞时的状态有所不同，其结果应综合分析。四、细胞膜小片钳制术 离子电流研究的进一步开展，就提出了如何揭示单个离子通道活动的问题。1976年

12、，德国生理学家 Neher 和 Sakmann首次报道在单个骨骼肌纤维上用他们独创的方法记录到单通道电流，称为膜片钳技术片夹子技术。1981年，Hamill等经过对该技术的改进，在单个心肌细胞应用膜片钳技术对单个离子通道的离子电流进行了观察。 片夹子技术是将加热、抛光的微吸管电极尖端由负压紧密吸附在小片膜上，可在单细胞或从细胞撕下的小片膜上进行。 随着对单个离子通道及其离子电流活动规律的深入了解，使跨膜电位的形成机理得到了更为确切的说明，对心肌细胞电生理的研究跨入历史新阶段产生了重要影响。Hamill 等的成就获得了生理学诺贝尔奖，这是在离子通道与离子电流研究中所获得的第二个诺贝尔奖，可见这方

13、面研究的重要性。 20世纪50年代以来，心肌细胞电生理研究的开展，使心脏的兴奋功能得以在电变化和离子活动的理化根底上加以说明。但对心肌电生理的研究，由于技术上存在着较多的困难，目前对心脏兴奋功能根本原理的了解还不够充分，心律失常的形成机制亦远未能清楚地认识，因此，临床上抗心律失常药物的应用根本只在经验疗法阶段，与合理疗法尚有较大距离，有待深入研究。第二节 心 肌 的 离 子 电 流 一、离子电流的概念带电离子的 跨膜活动称为离子电流离子的 当前的，一般以毫微安nA计算。Ii 代表整个细胞的离子电流，即很多通道所形成的平均电流，ii 代表单个通道的离子电流。 一离子电流的形成 1.离子扩散 离子

14、从膜的高浓度一侧向低浓度一侧所形成的流动，包括内流流入和外流流出物，均可产生离子 电流。离子电流具有一定的性质、方向、大小和速度，主要取决于膜的离子电导和跨膜电-化梯度。 离子电导离子的电导，gi是指膜对离子通透性的大小，即膜电阻的倒数。有钠电导gNa、钾电导gK、钙电导gCa等。 离子电导以姆欧姆欧为单位， 姆欧是欧姆欧姆的反写。 因此: 离子电流=离子电导?跨膜电位 离子平衡电位 2.离子通道 1离子通道的组成 离子通道(离子的通道)是镶嵌在细胞膜上的特殊蛋白质，贯穿于整个细胞膜的脂质双分子层中。通道具有充水小孔，并有选择性滤器选择性适合,SF), 以选择可通过的带电的离子。通道还受阀门门

15、控制，以决定通道的开放和闭。阀门是通道内的带电成分，可受跨膜电场势的影响而产生定向移动，形成阀门活动，使通道开放或关闭。 2离子通道的类型 电位-依从性通道潜在的-依靠的 通道,PDC 亦称电压-依从性通道电压-依靠的 通道,VDC 此通道的阀门活动受跨膜电位的控制，并随时间而改变，即具有时间-依从性和电位-依从性。 受体-操纵性通道受体-操作 通道,巨鸟 此种离子通道与特殊受体蛋白相联系，当配体冲动受体时，引起通道内化学阀门 的构型改变，使通道激活开放。 渗漏通道漏洞通道 此通道非电位和非时间依从性，无论在静息电位还是动作电位，通道均保持开放状态，故总有离子通过，形成一 种渗漏电流漏洞当前的

16、,Li,亦称背景电流后面的地面当前的,Ib。 3离子通道的状态 离子通道根据阀门的活动，可有以下几种 状态： 静息静止的、激活活化、 失活inactivation和恢复恢复。 四种状态有规律性的转换关系为：几种状态之间的变化是顺时钟进行，不能跳跃，亦不能逆向，这主要由通道的特性所决定。静息失活激活 恢复 钠 通 道 的 活 动 过 程 二离子电流的类型 离子电流根据其离子的种类、电荷性质、扩散方向、流动速度等特性，将离子电流分为两大类。 1.内向离子电流inward ionic currents 正离子内流或负离子外流称为内向离子电流，此电流使膜内电位趋向于正，对膜有去极化作用。 2.外向离子

17、电流outward ionic currents 正离子外流或负离子内流称为外向离子电流，此电流使膜内电位趋向于负，对膜有负极化作用。二、离子电流的种类 一钠电流 钠电流钠当前的，INa亦称快钠内向电流紧的向内钠当前的或兴奋性钠电流有刺激性的钠当前的。钠电流形成快反响动作电位的0期去极化，它为心肌、神经和骨骼肌所共有，其特性也非常相似。 1.钠通道的特性 钠通道钠通道在心肌细胞膜和T管上都有，但其密度后者只有前者的1/2。根据膜片钳的研究，心室肌细胞膜上的Na+通道为1016个/m2，远比骨骼肌200300和巨大神经轴突200500为少。 钠通道的选择性较强，除Na+外，只有Li+能通过，Li

18、+的直径和生物学特性与Na+相近，亦能形成内向电流。钠通道的外侧口可被河豚毒tetrodotoxin，TTX和贝介毒saxtoxin，STX选择性和可逆性阻断。 TTX的分子量为320，只堵塞外侧口，对通道内的阀门无影响，故将其注入细胞内不起作用。心肌对TTX的敏感性比神经和骨骼肌低，如心肌的浓度为10-6M，神经和骨骼肌只需10-9M。 钠通道的内侧还可被局麻药可卡因和某些抗心律失常药利多卡因、奎尼丁、慢心利等所阻断，故有细胞内抗心律失常作用。 2.钠通道的阀门 钠通道有开阀和关阀两种门，开阀m为激活阀，位于通道外侧部；关阀h为失活阀，位于通道内侧部。细 胞 膜 的 钠 通 道 示 意 图细

19、胞膜mh选择性滤 1开阀的活动 钠通道的阀门活动是电位和时间-依从性，开阀的活动快速。 稳态激活变数：膜电位保持在一定水平时开阀充分激活的数值称为稳态激活变数稳固的情形活化变量，m。激活变数与跨膜电位之间的关系形成稳态激活曲线不变的活化曲线，此曲线呈“ S 型。 研究说明，随着膜去极化，m 激活的数量不断增多。激活变数在90mV时，m为0，即全部m关闭。约70mV开始激活， 40mV为0.5，即m 50%的激活开放， 20mV为1，即全部激活开放。在其后的去极化过程中，m门继续保持开放，在复极化时迅速失活关闭。 钠 通 道 与 离 子 电 流-90-700mh-70-900mhNa+Na+Na

20、+Na+m=0-20-40m=0.5m=1 激活时间常数： m 的激活速度非常快，其激活时间常数活化时间常数，m1ms，激活开始后0.1ms大局部m 开放，约1ms全部开放。研究说明，大鼠心室肌细胞单个Na+通道的激活常数为0.8ms。由于快钠通道几乎同时激活开放，故整个细胞Na+通道的激活时间也在0.8ms左右。 2 关阀的活动 关阀h的失活较慢。 稳态失活变数: 不变的inactivation变量，h ，h门的稳态失活曲线也呈“S型，但其变化与m相反。膜电位在90 80mV时h 为1，即尚未失活，完全处于开放状态。去极化到约75mV时开始失活，约在-70mV时为0.5，即半数失活，约-50

21、mV时为0，即全部h失活关闭。 失活时间常数：h 的失活时间常数 h约为5ms，从失活开始起约经1ms后，只有小局部h失活关闭。大鼠心室肌膜片钳研究说明，Na+通道失活有两种不同时间，90%的失活时间较短，只需数毫秒，10%的失活非常缓慢，可达数百毫秒。 3.钠通道的活动过程 钠通道的活动可分为四个过程： 1静息状态 m 关闭，h 开放，Na+通道处于可被激活的备用状态可用到的情形。 2激活过程 当去极化到阈电位-70mV时，m 迅速开放，经0.1ms大局部开放，至1ms全部开放。 h 的失活较慢，约-75mV开始关闭，约经1ms小局部关闭，2ms半数关闭，5ms大局部关闭。因m 快，h 慢，

22、故Na+通道全开时间约1ms。Na+依其电-化梯度迅速内流，形成0 期去极化。 Na+通道的特点是整个细胞的通道几乎同一时间全部开放。据测定，每次开放时约有10000个Na+进入细胞内。 3失活过程 即h 关闭，90%的Na+通道约在45ms内失活，10%的失活缓慢，形成晚期Na+内流，此时的Na+通道对TTX 更敏感 。 研究说明，单个心肌细胞的晚期Na+内流有三种成分： 稳态Na+电流不变的钠当前的亦称窗Na+电流窗口钠当前的，是由一小局部保持开放的Na+通道形成的一种微弱稳态电流，其强度为锋电位的0.06%，这种Na+电流为电位-依从性，而非时间-依从性，膜电位在-60-15mV之间产生

23、，对0期去极化无影响，与2期平台的持续和动作电位时程APD的延长有关。稳态Na+电流并不出现在膜电位?-90mV时，即不影响静息电位，因而也不是Na+内向背景电流。 缓慢Na+电流慢的钠当前的，这是一电位和时间-依从性Na+电流，对TTX 特别敏感，失活时间常数可达数百毫秒，形成一种微弱而持久的内向电流。 Na+内向背景电流向内背景钠当前的，INa.b，这是一种非电位和非时间-依从性的渗漏电流， Na+通过无门钠通道内流，INa.b与静息电位的形成以及2期平台的持续有关。-90-700快Na+内流缓慢Na+内流稳态Na+内流背景Na+内流晚期钠内流心 肌 细 胞 晚 期 Na+ 内 流 示 意

24、 图+30钠 通 道 的 阀 门 活 动 变 数开 1 0.5关 0-80-60-40-200+20h m 膜电位（mV） 1 0.5 00 1 2 3 4 5 6 7m h时间（ms）AB-100 4恢复过程 即指通道解除失活的过程。复极化过程中，m 大局部迅速关闭，h 逐渐开放，但h 开放慢，至3期-60mV时少量开放，此时，假设部分去极化到钠阈电位而激活m，那么由于h开放的数量少，只有少量Na+内流产生一种低常性AP，称为期前去极化早熟的去极或期前兴奋早熟的刺激。 假设h尚未开放，那么完全不能产生Na+内流，称为有效不应期ERP。随着复极化的继续，h开放的数量不断增多，复极化到静息电位时

25、，h全部开放，钠通道的失活完全解除，进入可再激活的备用 状态，称为恢复过程。+mhm = 0h = 1s+mhm = 1h = 1sNa+mhm = 1h = 0s+静息激活失活恢复钠 通 道 的 活 动 过 程 示 意 图 二钙电流 钙电流钙当前的，ICa因较钠电流慢，故称缓慢内向电流慢的向内当前的，Isi，或称第二内向电流。 ICa 是形成慢反响动作电位及其兴奋功能的主要成分，此外，在肌肉收缩、腺体分泌、递质释放、酶的活性和生化代谢中也发挥重要作用，形成一种钙信使系统。钙电流的发 现也是“钙通道阻断剂的产生根底，具有重要生理意义。 1.钙通道的特性 钙通道亦称慢通道，存在于心肌的细胞膜、横

26、管膜、肌质网膜上，钙通道的直径比钠通道大，但其密度那么较低约5个/m2。 据测定，大鼠每个心室肌细胞含钙通道约200010000个。在膜脂质双层中，钙通道蛋白呈现一定间隔。 钙通道也是一种双门通道，且有选择性滤器，但其选择性较钠通道为低，除Ca2+外，Na+亦少量通过，产生慢钙内向电流慢的向内钙当前的，ICa.s和慢钠内向电流慢的向内soldium当前的，INa.s。 钙通道可被某些阳离子锰Mn2+、钴carbon dioxide 二氧化碳+、镍Ni2+、镧La3+及钙通道阻断剂异搏定、硝苯吡啶、D-600等选择性阻断。 2.钙通道的种类 1电位-依从性钙通道VDC或PDC T 型：短暂型短暂

27、的类型，Tt，亦称低阈型钙通道，其激活所需的阈电位负度较大约-40mV，失活较快，形成短暂Ca2+电流ICa.t，其作用主要触发心肌内的肌质网释放Ca2+。T 型Ca2+通道可被上述阳离子所阻断，而硝苯吡啶那么无作用。 L型：持久型长的-永久的类型，Lt，亦称高阈型钙通 道，其激活所需的阈电位负度较小约为0mV，失活较慢，形成持续钙电流ICa.L，其作用主要补充心肌细胞内的Ca2+浓度。可被硝苯吡啶所阻断。 S 型：缓慢型慢的类型，St，其激活的阈电位约为-60mV，较T 型的更负，失活非常缓慢，失活时间常数在-30mV时为400ms。 S型钙通道所形成的慢Ca2+内向电流参与平台期的形成和心

28、肌收缩，可被异搏定阻断。 2非电位、亦非时间-依从性钙通道 又称渗漏钙通道。此种通道无门控制，故不受电位和时间的影响，形成一种钙内向背景电流Ica.b。因水合钙离子直径较大，安静时电流较小，主要参与自律性的形成。 3受体-操纵性钙通道受体操作通道，巨鸟 心肌特殊受体被选择性冲动剂作用后，通过一系列生化反响，引起通道蛋白磷酸化而发生构型改变，使巨鸟激活开放，细胞外的Ca2+内流而形成钙电流。 在心肌，受体作用和电位变化互相关联，通过同一途径产生作用。 儿茶酚胺类物质并非本身引起钙通道开放，而是通过冲动受体后来影响电位-依从性机制，从而调节钙通道的状态。 受体阻断剂心得安可使电位激活的钙通道数量减

29、少。 受体冲动后，通过产生的露营地使蛋白质磷酸化而起作用，因此，胞浆内露营地浓度增高，可使电位-依从性钙通道的Ca2+内流增加。 但在心脏以外的其它细胞，两种钙通道是各自分别起作用。如在血管，K+和NE 都可引起平滑肌收缩，但作用机制不同， K+是通过去极化而激活电位-依从性钙通道，促进Ca2+内流而产生收缩；NE那么是通过与受体结合而激活受体-操纵性钙通道，在并无去极化的情况下促进 Ca2+内流而产生收缩。 钙通道阻断剂-La3+和硝苯吡啶等对K+去极化引起的血管收缩有很强的抑制作用，而对NE的缩血管效应那么根本无抑制作用。故在血管平滑肌中巨鸟更为重要。 3.钙通道的阀门心肌细胞的电位-依从

30、性钙通道亦属双门通道，开阀d和关阀f，而受体-操纵性钙通道属单门通道，其阀门是一种磷酸化-依从性阀g 阀。 1开阀d 亦称激活阀，随膜电位而变化，并需一定时间以T 型钙通道为例。 图18 钙 通 道 的 阀 门 活 动 A：电位-依从关系 B：时间-依从关系 稳态激活变数d ： -90mV为0-40mV为0.5+10mV为1B10f d-80 -40 0 +20膜电位（mV）-80 -40 0 +20膜电位（mV）tdtf td 50（ms） tf 500（ms）A0.5 激活时间常数 t d：d 的激活慢，激活开始后约经2030ms达最大，-20mV时的激活开放时间最长，约达40ms，负于-

31、50mV或正于+10mV时显著缩短。 2关阀f 亦称失活阀，其失活的时间比d 阀的激活时间更长。 稳态失活变数 f ：膜电位在-90mV或?-60mV时为1全部开放，随着去极化而失活关闭。膜电位?-60mV时开始失活，-25mV时为0.5，+10mV时为0。 失活时间常数tf：f 阀的失活时间常数随去极化而增大，-80为40ms，-25为100ms，+20为400ms。 3磷酸化-依从性阀g 阀phosphorylation-依靠的门 g 阀位于通道内侧，非电位-依从性，内源性物质如NE、组织胺等可激活心肌特殊受体，引起g 阀磷酸化，调整钙通道，产生Ca2+电流。图1-9 钙通道磷酸化-依从性

32、的激活过程示意图激动剂受体G NGDPACRCdGfSG NGDPACATP cAMPCRdGf+ATP ADP + POOO- O-GDPGTPAB蛋白激酶+ 4.钙通道的活动过程 心肌钙通道的活动不同步，在较长时间内相继开放或关闭，因此，Ca2+内流缓慢而持久。亦可分为4个过程： 1静息状态 约-90mV时，d阀关闭，f 阀开放，通道处于备用状态。 2激活过程 去极化到钙阈电位约-40mV时，钙通道激活开放，但较慢，激活时间常数为1040ms，每个钙 通道的开放约1ms。 关闭时间有两种，快的0.61.3ms，慢的320ms。 3失活过程 随着复极化，f 阀逐渐关闭，约+10mV全部关闭。

33、但钙通道的失活缓慢，失活时间常数为100400ms，失活机制有三： 电位-依从性失活已于前述。 Ca2+-依从性失活钙-依靠的inactivation：当 Ca2+i增高可使钙通道失活，因Ca2+可与通道内侧部结合，促进f阀关闭。如给豚鼠心室肌细胞内注入Ca2+可使通道失活加快，平台期和APD缩短。反之，注入钙螯合剂EGTA，钙通道失活减慢，平台期延长。此外， Ca2+i增高可激活K+通道，使Ik.Ca 增大，K+外流增加使膜复极化加快，平台期和APD缩短。说明 Ca2+i 增加对 Ca2+电流有负反响抑制，这是钙通道失活的重要机制。 3脱磷酸化失活：钙通道的g 阀脱磷酸化亦可使钙通道失活。当

34、 Ca2+i 增高时，激活Ca2+-依从性磷酸蛋白磷酸酶钙-依靠的磷蛋白质phosphatase，使g阀脱磷酸而产生构型改变，导致钙通道失活。 4恢复过程：复极化过程中，d 和f 均处于关闭，f 再开放所需时间较长，达125235ms。此外，解除失活尚有赖于 Ca2+i 降低和g 阀再磷酸化，因此复活的时间就更长。 从去极化到通道复活相当于有效不应期，钙通道的有效不应期持续到复极化完毕后，称为复极后不应期。 5.钙电流的成分 钙电流ICa有三种成分： 1快钙电流紧的钙当前的，ICa.f 缓慢内向电流第一成分Isi.1，由T型钙通道介导。膜电位? -40mV激活，激活较快，25ms达最大。 失活

35、也较快，失活时间常数为1020ms，50ms内完全失活。ICa.f 主要触发终池的Ca2+释放，与心肌兴奋-收缩耦联有关，而与平台期的形成关系较小。 2交换性钙电流 交换钙当前的或钠-钙交换电流Na-Ca交换当前的，亦称缓慢内向电流第二成分Isi.2，它由细胞内的Ca2+所激活，当胞内Ca2+ 瞬时性增高时，就激活Na-Ca交换机制，交换器每次内运3个 Na+，外运1个Ca2+，形成一种微弱的内向电流，在-20mV时出现，经50100ms达峰值，经同样时间衰退，参与平台期的形成。 3慢钙电流慢的钙当前的，ICa.s，亦称慢内向电流第三成分Isi.3。 Ica.s 的通道受阀门控制，去极化到-6

36、0mV开始激活，-30mV达峰值，维持一段稳定状态后逐渐衰退。失活非常缓慢，-30mV的失活时间常数为400ms， ICa.s 远比Ica.f 弱，与平台期的形成和心肌收缩的持久有关。 Ica.s的特点： 不为Ba2+钡所代替； 不被异丙肾所增强； 不被Cd2+ 镉所阻断；在豚鼠心室肌快反响电位中，参加TTX10M以消除Na+电流，再加Cd2+0.2mM以消除快钙电流后，尚可出现一种幅度低而时间长的电位，是由慢钙电流所形成。 豚 鼠 心 室 肌 单 细 胞 的 跨 膜 电 位0-90-70（mV）400ms用TTX 后用Cd2+后正常AP+30 6.钙电流的调节 与钠电流不同，钙电流受多种因素

37、的调节。 1能量代谢调节 钙电流为能量-依从性，与代谢活动有关，依赖ATP，通过产生露营地调节钙电流。胞内露营地增多可使钙电流增大，而缺氧时ATP减少，露营地降低，钙电流减小。 2植物性神经调节 NE与1 受体结合，露营地增多激活钙通道，促进钙电流。Ach与M2受体结合，抑制钙电流。阿托品可阻断Ach的这种作用。拟胆碱药氨甲酰胆碱的抑制作用比Ach大10倍。 三钾电流 钾电流较复杂，参与心肌兴奋过程中的各项跨膜电活动。 1.钾外向背景电流potassium出口backgyound当前的，Ik 1，Ik b 1K1通道的特性： 电位-依从性，非时间-依从性，通道内侧部有激活阀，但无失活阀，属单门

38、通道。无独特的失活机制，受内入性整流的控制。K1通道也受内流Ca2+的调节，故是一种钙激活钾电流Ik.Ca。 K1通道在平台期范围内激活，钾电导gK在-40-60mV后显著增高，随着膜内负度增大而继续增高。通道内部可被四乙基铵茶、铯Se+和钡Ba2+等所阻断。 2IK1的调节： 内入性整流 (向内纠正), 亦称内向整流，是一种异常整流，为心肌所特有，即膜的钾电导与其推动力呈反变关系。内入性整流作用使膜对内向电流比外向电流更容易通过。 IK1受内入性整流的控制，内入性整流随着K+的电-化梯度而改变，当膜内电位升高或K+o?，K+外流的跨膜电-化梯度加大，这时，内入性整 流也增大，K+外向背景电流

39、减小。反之，当促进K+外流的电-化梯度降低时，内入性整流也减小，K+外向背景电流增大。心肌的这种现象与正常原理相反，故称异常整流，其原理尚未明了。由于受内入性整流的影响， IK1在平台期范围内，随着膜内负度加大和K+o?而继续增大，形成快速复极3期。 细胞内Ca2+：内流的Ca2+和终池释放的Ca2+使胞浆Ca2+增高时，可激活K1通道，促进K+外流，使IK1增大，复极化加速，这是复极3期较快的原因之一。 3IK1的生理意义： 形成静息电位或最大舒张电位的背景外向电流； 形成平台期的外向电流之一； 形成复极3期的外向电流的主要成分。 K1通道的数量与细胞的快、慢反响性即膜电位的大小有关，如心房

40、、心室快反响C， K1通道较多，静息电位也较大；而窦房结、房室交界慢反响C， K1通道较少，其MDP亦较小。 2.短暂外向电流短暂的出口当前的，Ito Ito是一种电位和时间-依从性、Ca2+激活性钾外向电流。 1Ito的通道特性： 电位-时间关系 Ito通道的激活、失活都很快，但再激活的时间却很长。去极化到?-20mV开始激活，持续时间短，约510ms，失活时间常数为5080ms，因而平台期所占时间短，但因再激活长约1ms，故在AP其它时间内均处失活状态。 2Ito 的生理意义 Ito是形成1期的离子电流，快反响细胞都有，浦肯野纤维最明显。 过去曾认为1期是Cl-内流形成的，1978年Ise

41、nberg发现1期可被注入茶或铯+所抑制，1979年Carmeleit证明1期的电变化与42K的外流相一致，并可被钾通道阻断剂4-氨基吡啶所消除，因而否认了Cl-电流。 3.延缓性钾电流耽误potassium当前的，Ik,过去称为平台外向电流Ix 1 Ik的活动特性 Ik是一 种电位和时间依从性的离子电流，其通道仅有激活阀而无失活阀，其失活亦受内入性整流的控制。激活机制包括去极化、 Ca2+i?，因而也属于钙-激活性钾电流Ik.Ca。激活变数在-60mV时为0，约-55mV时开始激活，-20mV为0.5，+20mV为1。 Ik通道激活缓慢，激活时间常数以-25mV时为最大约达500ms。 2

42、Ik的生理意义 ： Ik是形成快反响C平台期的主要内向电流； ICa的失活和Ik的继续，使外向电流超过内向电流，造成平台期末复极加快，并对3期复极有触发作用。 在慢反响C， Ik的衰减是形成舒张期自动去极化的重要因素。 4.泵电流泵当前的，Ip Ip是心肌细胞的Na-K泵运转时所产生的一种电流，即Na-K泵活动时，每摄入2个K+和排出3个Na+形成一种净外向电流，这种电流可使膜复极化。泵电流产生的负度较小，不超过-10mV，与静息电位的形成和3期复极化加速有关。 5.Ach-激活性钾电流 Ach-激活性钾电流Ach-活化potassium当前的，Ik.Ach 是一种由Ach激活、非电位非时间-

43、依从性的钾电流。 Ach作用于心肌的M2受体，激活一种特殊的钾通道，产生钾外向电流，对膜有复极化作用。可使静息电位增大或产生超级化，如迷走神经- Ach对心脏的抑制作用。 Ik.Ach可被M受体阻断剂阿托品所消除。 6.ATP-敏感性钾电流 ATP-敏感性钾电流ATP-敏感的potassium当前的，Ik.ATP是由细胞内ATP调节的钾电流，当胞内ATP明显低于正常时，便激活Ik.ATP通道，使K+外流增大。反之，胞内注入ATP可抑制此通道，使K+外流减少。 Ik.ATP 最早由走马疳1983在单个心肌细胞和小片膜钳制术中发现，实验中观察到一种特殊外向电流，即当缺氧或氰化物处理细胞，导致胞内A

44、TP浓度降低时，该电流显著增大，而将ATP注入细胞内那么减小。 实验说明细胞内ATP对Ik.ATP 通道有抑制作用。 Irisawa1984对Ik.ATP 进行了定量观察，结果说明，胞内ATP浓度? 2mM时该钾通道关闭，? 2mM时开放。 Ik.ATP 的生理意义尚未明了，可能与胞内ATP使心肌保持较长的复极化时间、延长不应期，防止心律失常有关。 7.钠-激活性钾电流 钠-激活性钾电流钠-有活性的potassium当前的，Ik.Na是一种由胞内Na+激活的钾外向电流，由Kameyama1984在心肌细胞中发现。当细胞内Na+浓度升高到2030mM时，这种钾通道激活开放，形成一种钾外向电流。

45、这与胞内Ca2+无关。Ik.Na的生理意义尚未明了，可能与Ik.ATP 相似。留神肌缺血、缺氧或代谢障碍时，由于ATP产生减少，钠泵转运降低，细胞内Na+浓度增高，激活钾通道而产生K+外流，使复极化加速，APD和不应期缩短，这与心律失常有关。第三节 心 肌 的 离 子 转 运 一、钠-钾转运一钠-钾转运的意义 心肌AP过程中，有Na+内流和K+外流，如犬心室肌AP后，胞内Na+增加约1/300，假设反复兴奋300次，胞内的Na+即可与胞外相等。又如甲鱼心肌兴奋过程中 ， 一次AP后， K+外流量约为胞内的1/400，据计算，数分钟后K+亦全部丧失。 为使心肌能保持正常兴奋功能，细胞膜不断地进行

46、着离子转运，以恢复兴奋前的跨膜Na+ 、K+浓度。 Na+-K+转运在4期内即可完成，但转运速度比弥散慢，如Na+外运的速度为内流的1/160。 二钠-钾转运酶 1.钠-钾转运酶的特性 Na+外运和K+内运相耦联，此酶以Mg2+为辅助因子，称为Na.K-ATP酶，或Mg依从性Na.K激活的ATP酶Mg-depen-凹Na.K activited ATP美证券交易所，简称钠-钾泵 Na-K泵。钠-钾泵通过水解ATP获得能量，并转运Na+、K+。心肌细胞膜和T管膜上都有，前者比后者高约15倍。 钠-钾泵受膜内高Na+和膜外高K+激活，但不被膜内K+或膜外Na+所激活，其转运效率与Na+、K+浓度或

47、结合点饱和程度有关。膜外侧的K+结合点经常处于饱和，但其内的Na+结合点饱和度那么常有改变，故有限速作用。 Na+、K+转运所消耗的能量与其所要克服的电-化梯度成正变关系，Na-K泵的最高转运速度约为15000次/min。 多种阳离子Rb+、铯+、Ti+在 细胞内可替代Na+以激活Na-K泵，Li+虽可替代Na+形成内向电流，但在细胞内不能激活Na-K泵。 Na-K泵的膜外侧有洋地黄类药物亲和点选择性极强，称为洋地黄受体洋地黄受体，用3H哇巴因进行放射配体结合法测定，可了解泵的数量。测定显示，心肌的密度比血管平滑肌的高，如猫的心室乳头肌为760个/m2，兔的主动脉平滑肌仅74个/m2。 2.钠

48、-钾泵的组成 钠-钾泵已从多种细胞中被提纯，并可嵌入人工脂质膜上而具有Na-K转运功能。将Na-K泵嵌入红细胞血影膜上的研究说明，泵的内侧部可有ATP酶可分解ATP而获得能量，其外侧部可与强心甙如哇巴因结合而阻断转运。 Na-K泵是一种由两对亚基组成的对称性四联体，即一对亚基和一对亚基形成的“ 四联体，两对亚基假设别离即失去活性。 Na-K泵上有7个结合位点，即3个Na+结合点、2个K+结合点、1个ATP 结合点和1个强心甙结合点。 亚基：分子量为100000，跨越整个膜，其内有ATP结合点，其外有哇巴因结合点。 亚基：分子量为40000，暴露于膜的外侧面。 亚基和亚基均可作为抗原引起抗体产生

49、，以抑制此酶的活性。钠 - 钾 泵 结 构 示 意 图脂质双分子层糖类外侧内侧ATP蛋白亚基三钠-钾泵的转运机制钠 - 钾 泵 转 运 机 制 示 意 图3Na+ Na+ Na+ Na+ADP Na+ Na+ Na+2K+ + PiPK+K+ Na+Na+ Na+K+K+ATP膜外膜内PATPATP 四钠-钾转运的生电性 大多数细胞的Na+-K+转运并非11，每消耗1分子ATP，排出3Na+个、摄入2个K+，因而有1个Na+净外运，形成一种Na+外向电流，亦称泵电流。表示为：3Na+i+2K+o+ATP3Na+o+2K+i+ADP+Pi安静时，心肌由泵电流引起的外向复极化作用较小，不超过-10

50、mV，只是心肌在连续快速兴奋后才显著增大，可达-30mV以上。 五钠-钾转运的调节 1.能量代谢：钠-钾转运中所消耗的能量与其所克服的电-化梯度成正比，由于Na+内流的电-化梯度远比K+外流的为大，故Na+外运所消耗的能量也比K+内运为多约为10倍。当代谢障碍或能量缺乏时缺血、缺氧或代谢抑制，可由于钠-钾泵转运降低而影响心脏的离子电流、跨膜电位、兴奋功能。 2.H+： H+对钠-钾泵抑制作用显著，如鸡胚心脏，当pH为6.3时钠-钾泵活动降低50%，pH为5.8时降低75%。 3.2受体：冲动2受体对钠-钾泵有激活作用，如NE、Adr、舒喘灵等均可冲动2受体，通过腺苷酸环化酶而产生露营地， 露营

51、地可促进Na+-K+运转，外向泵电流增大，并有降低血K+的作用。2 受 体 对 钠 - 钾 转 运 的 影 响ATPcAMP2NAC激动剂Na+Na+Na+K+Na-K泵细胞膜膜外膜内K+ATP 二、钙 转 运 钙亦为主动转运。内流的Ca2+和终末池释放的Ca2+均需通过细胞膜外运和肌质网内运贮存，以保持跨膜Ca2+梯度和细胞内Ca2+恒定，并恢复跨膜电位和舒张状态。 一细胞膜的钙转运 细胞膜的钙转运包括Na-Ca交换Na-Ca交换和钙泵转运Ca泵传送器。心肌以Na-Ca交换为主，平滑肌那么以钙泵为主，而红细胞几乎完全由钙泵进行。 1.Na-Ca交换 心肌的Na-Ca交换占Ca2+排出量的80

52、% 1 Na-Ca交换的过程：是由膜的载体蛋白进行的交换性弥散。载体有两个负电荷，可与2个Na+或1个Ca2+相结合，膜外，载体与Na+的亲和性高，膜内，与Ca2+的亲和性高。未与离子结合的载体无活性，结合了Na+ 、Ca2+后，载体才能在膜上移动。Li+可代替Na+，Sr2+可代替Ca2+进行交换。心 肌 钠 - 钙 交 换 过 程 示 意 图Na2X2 Na+Ca2+X=X=CaXNa2XX=X=Ca2+2 Na+CaX123456X=载体外侧内侧细胞膜 2 Na-Ca交换 的因素： Na-Ca交换 性Ca2+外运的决定因素是细胞外的Na+浓度，当Na+o增高时， Na-Ca交换 增强，C

53、a2+外运增多， Na+i降低那么相反。 Na-Ca交换 不直接耗能，亦无ATP酶参与，能量来自Na-K泵，由Na-K转运所维持的胞外Na+浓度来推动Na-Ca交换 ，因而，Na-K转运和Na-Ca交换密切相连。 Na-Ca交换是可逆性的，决定其交换方向的主要因素是膜内外Na+和Ca2+浓度的改变，Na+占主导地位。如前所述，Na-K泵主动转运后，膜外的Na+浓度升高，此时的Na-Ca交换是促使Ca2+外运；而当Na+i增高时，通过逆转性Na-Ca交换，可使Ca2+内运。如豚鼠心房肌内Na+浓度增高时，可测出同位素45Ca内运增多，胞内Ca2+浓度亦增高。心肌Na-K转运与Na-Ca交换耦联示

54、意图Na+Na+Na+Na+Ca2+K+K+ATPNa-K泵Na-Ca交换细胞膜 膜外膜内 3Na-Ca交换 的生电性：哺乳类心肌的Na-Ca交换并非都是电中性，如对犬心室肌应用同位素24Na和45Ca测定，结果说明，Na-Ca交换的比值为3Na+:1Ca2+，每次交换就有1个Na+净内运。蛙心房肌Na-Ca交换的比值为4Na+:1Ca2+。 说明 Na-Ca交换亦有生电性，形成一种钠内向电流，称为钠-钙交换电流INa.Ca，是一种无特殊通道的离子电流，在心肌安静时占内向背景电流的10%。 4 Na-Ca交换的意义： 排除内流的Ca2+ ，以恢复胞内Ca2+浓度的恒定； 留神脏兴奋频率增高时，

55、由于膜反复去极化，胞内Na+浓度增高，通过逆转性Na-Ca交换使胞内Ca2+浓度增高，产生强心作用； Na-K转运与Na-Ca交换相关联，间接依赖能量，留神肌缺血、缺氧或代谢障碍时， Na-K转运降低，胞内Na+浓度增高， Na-Ca交换逆转，致使胞内Ca2+浓度增高； 洋地黄类药物选择性抑制钠-钾泵，使胞内Na+浓度增高，通过逆转性Na-Ca交换使胞内Ca2+浓度增高，从而产生强心作用。 洋地黄阻断钠-钾泵与Na-Ca交换逆转洋地黄ATPNa+Na+Na+Na+Ca2+Na+Ca2+ Na-Ca交换 逆转Ca2+Ca2+兴奋-收缩耦联细胞膜膜外膜内 2.细胞膜的钙泵转运 心肌细胞膜上亦有钙泵

56、，称为以Mg2+为辅助因子的钙-激活ATP酶。此酶是一种单链多肽蛋白质，分子量为130000，对Ca2+有高亲和性。膜的内侧面有Ca2+结合部位和催化部位，可催化ATP获得能量逆浓度外运Ca2+。钙泵的活性与钙调素有关，Ca2+先与钙调素结合成复合物，再激活钙泵转运。钙泵转运对维持细胞内安静时Ca2+稳定有重要意义。 心 肌 细 胞 膜 钙 泵 活 动 过 程 示 意 图ATPATPPADPPCa2+钙调素细胞膜膜外膜内结合部催化部 二肌质网钙转运 肌质网通过膜上的钙通道释放Ca2+到胞浆中是扩散，而从胞浆中将Ca2+摄入到肌质网那么要通过钙泵转运。 肌质网膜含脂质45%，蛋白质55%，钙泵占

57、蛋白质成分的5080%，这种泵Ca2+作用对心肌兴奋-收缩耦联有重要意义，即肌质网释放Ca2 +促进收缩，转运Ca2 +促进舒张。 1.肌质网钙转运的过程 肌质网的钙泵有两种状态，即E1和E2， 这两种状态都可与高能磷酸键结合，形成磷酸化酶即E1 P和E2 P。E1和E1P对Ca2+的亲和性高，而E2和E2 P对Ca2+亲和性低。在钙泵转运过程中，Ca-ATP酶分子中的活性点与Ca2+和ATP相结合，并产生变构，然后从膜外侧移向膜内侧，将Ca2+转运到肌质网内。1个Ca-ATP酶一次可分解1分子ATP转运2个Ca2+ 。其转运过程可用以下图表示： 肌 质 网 的 钙 泵 转 运 过 程 示 意

58、 图E1ATP2Ca2+E1ATP2CaOADP2CaO E1P2Cai E2PE2P2Ca2+E2P1H2O123456肌质网膜膜外膜内Mg2+ 通过钙泵转运使胞浆中的Ca2+浓度降低到?10-8M，形成跨膜钙梯度。 2.肌质网钙转运的调节 肌质网钙转运受肌质网调节蛋白的调节，也称受磷蛋白，是一种酸性蛋白，分子量22000。该蛋白贯穿肌质网膜，可被外源性蛋白激酶激活而磷酸化。受磷蛋白的磷酸化可提高Ca-ATP酶的活性。 在图118中有两个限速步骤，即6E2E1和3E1E2，6是使钙亲和性提高，3是使钙亲和性降低。磷酸化受磷蛋白对限速步骤有促进作用，使钙泵转运加速，受磷蛋白有两个不同的磷酸化部

59、位，可被两种酶作用而磷酸化。 1露营地-依从性蛋白激酶：在 露营地-依从性蛋白激酶作用下受磷蛋白磷酸化，促进肌质网的钙泵转运。 2钙调素-依从性蛋白激酶：在钙调素-依从性蛋白激酶作用下受磷蛋白磷酸化，钙调素与Ca2+结合成有活性的复合物，激活钙调素-依从性蛋白激酶而催化受磷蛋白的磷酸化。两种激酶催化受磷蛋白磷酸化的部位不同，故二者有相加作用，均可促进肌质网的钙转运。第二章 离子对心脏的影响第一节 钾 K+是心肌细胞内的主要阳离子。K+外流是形成静息电位、最大舒张电位和复极化的离子根底。因此， K+主要通过静息电位和复极化而影响心脏功能。心脏内不同部位对K+的敏感性差异很大，这与细胞膜上K+通道

60、的数量和密度有关。快反响细胞比慢反响细胞敏感，希氏-浦肯野系统次之，窦房结最不敏感。 如K+o升至5.4mM时即可使浦肯野纤维产生传导阻滞，而窦房结那么需高达21.6mM才能抑制。K+可形成多种外向电流，主要受膜内外浓度差、电位差以及内入性异常整流作用的影响，如高血K+时，跨膜K+浓度差减小， K+外流推动力减小。但由于内入性整流作用减弱，又会使钾电导与钾通透性增大。低血K+是那么相反。 Vassalle1965在离体浦肯野纤维中用细胞内微电极输入外加电流测量，发现胞外K+浓度改变对膜的钾阻抗有很大影响，当K+o从2.7 5.4mM，膜的钾阻抗降低，反之，当K+o从5.4 2.7mM，膜的钾阻