医学电生理学(C1)

第四部分心脏电生理学

第一章心肌细胞电活动

心肌细胞电活动反映了心肌的基本特性——自动节律性、兴奋性、传导性。这些特性不仅反映了生命活动的基本规律，它们的改变也是某些心脏疾病（心肌缺血损伤、心律失常）的重要发病机理。因此心肌细胞电活动成为基础和临床医学工作者共同关心的课题之一。本节拟以心肌细胞电活动为中心，讨论心脏电生理学研究的一些进展。

第一节心肌细胞电活动的研究方法及其进展

从上世纪五十年代开始用细胞内微电极记录心肌细胞电活动以来，在研究技术上的进展大致可以分为四个阶段，每个阶段的特点如下：

一、常规细胞内微电极记录阶段

20世纪五十年代开始，采用尖端小于1微米的玻管微电极插入心肌细胞内记录跨膜电位。采用本技术可以观察心肌细胞跨膜电位在安静、兴奋和起搏过程中的电位变化（静息电位、动作电位和起搏电位）。通过对不同类型的心肌细胞（窦房结、心房肌、房室结、浦肯野细胞、心室肌）电活动的观察，可以了解它们各自的生理特性并研究各种生理、病理、药理因素对它们的影响，因此受到广泛重视，成为心肌电生理学的奠基石。

心肌细胞内分为在体和离体两种记录方法:

1.在体记录法优点在于能观察整体条件下的心肌细胞电活动，研究各种因素通过神经、体液途径对心肌的调节和影响；缺点是微电极在细胞内的稳定性较差，很难维持在一小时以上，因此限制了它的应用。

2.离体灌流记录法稳定性佳，通常电极可以稳定在同一细胞内一整天，并可任意改变灌流液成分，作为一种分析性的研究方法，为国际上普遍采用。

二、电压钳制术阶段

心肌细胞电位变化是由于一系列的离子跨膜运动引起的。各种因素可以通过对一种或数种离子流的影响而改变心肌细胞活动和生理特性。为了研究这些因素对心肌电生理的作用机理，有必要把个别单一的离子流从众多的总跨膜离子流中分离出来，然后加以研究，唯一的方法就是采用电压钳制术。可以说，目前我们对于心肌电生理的知识，大多来自电压钳制术的研究。

三、游离单个心肌细胞电生理的研究阶段

自上世纪七十年代末期以来，国外采用酶解和机械分离的方法，已分离得到形态功能正常的游离单个心肌细胞，包括窦房结、房室结、心室肌和浦肯野细胞。本法的特点是排除了多细胞标本中相邻细胞之间的相互干扰或影响（例如细胞间隙缝中离子浓度的改变等），避免实验伪差；另一方面还可以通过细胞内注射技术，改变细胞内液的成分，从细胞膜的内侧面研究其生理机能。

四、小片膜单个离子通道活动的研究阶段

进入20世纪八十年代以来,国外开始将小片膜电压钳制术应用于心肌电生理的研究,开创了一个新纪元。国内近10年来已开始从事这方面的研究工作，且不仅用于心肌电生理，还在药理学研究以及中药提取物的有效成分作用机理的研究中应用。

第二节心肌细胞电活动及其形成原理

心脏主要由心肌细胞组成。根据其组织学和生理学特点，可将心肌细胞分为两类：

一类是构成心房和心室壁的普通心肌细胞，含丰富的肌原纤维，具有收缩性、兴奋性和传导性，执行收缩功能，又称为工作细胞；

另一类是一些特殊分化的心肌细胞，组成心脏的特殊传导系统如P细胞和浦肯野细胞，具有兴奋性、传导性和自动产生节律性兴奋的自律性，又称自律细胞。

特殊传导系统包括窦房结，房室交界，房室束（又称His束，bund1eofHis）和末梢浦肯野纤维网。窦房结主要含有P细胞（pacemakercells）和过渡细胞。P细胞是自律细胞，位于窦房结的中心部分；过渡细胞位于周边部分，其作用是将P细胞产生的兴奋向外传播到心房肌。房室交界是正常情况下兴奋由心房传至心室的惟一通路，它可分为三个功能小区，自上而下分别称为房结区，结区和结希区，除结区无自律性外均有自律性。心脏各部分心肌细胞的跨膜电位

Figure:Conductingsystemoftheheart.TypicaltransmembraneactionpotentialsfortheSAandAVnodes,otherpartsoftheconductionsystem,andtheatrialandventricularmusclesareshownalongwiththecorrelationtotheextracellu|ar|yrecordedelectricalactivity,ie,theelectrocardiogram(ECG).Theactionpotentia|sandECGareplottedonthesametimeaxisbutwithdifferentzeropointsontheverticalscale.LAE.leftanteriorfascicle.

心肌细胞跨膜电位（transmembranepotentia1）产生的机制与神经和骨骼肌细胞相似，都是由跨膜离子流形成的；但心肌细胞跨膜电位的产生涉及多种离子通道，故其波形和离子机制较骨骼肌和神经纤维要复杂得多，不同类型心肌细胞的跨膜电位也不相同。各类心肌细胞电活动的不一致性，使心脏兴奋的产生以及兴奋向整个心脏传播的过程中呈现出特殊的规律。

在电生理学中，电流的方向以正离子流动的方向来命名。

凡细胞外正离子跨膜向细胞内流动或细胞内负离子向细胞外流动，称为内向离子电流，它可使膜内电位向正电性转化，促使膜去极化（depo1arization）；反之，凡是正离子外流或负离子内流，称为外向离子电流，引起膜发生复极化（repo1arization）或超极化（hyperpo1arization）。

表3-1-1总结了心肌细胞主要的跨膜离子电流。

图3.离子通道参与心肌动作电位形成的示意图图4.跨膜离子流参与静息电位和动作电位时程的关系一、静息电位

1．心肌细胞静息时呈极化状态，细胞膜外带正电，膜内带负电，膜内外的电位差称静息电位。

在非自律性细胞如心房、心室肌细胞，静息电位约为-90毫伏。

自律细胞舒张期有自动缓慢除极活动，膜电位逐步减小，无真正“静息状态”，如浦肯野细胞的最大舒张电位约为-90毫伏，窦房结起搏细胞的舒张电压约为-60毫伏。

2．静息电位的形成原理其形成机制与骨骼肌、神经纤维静息电位的形成机制相似。正常心肌细胞膜内K+浓度比膜外高35倍，且安静状态下心肌细胞膜对K+有较高的通透性，而对其它离子的通透性则很低，因此K+顺浓度梯度从膜内向膜外扩散而接近K+的平衡电位，构成静息电位的主要成分。

心肌细胞膜上有多种K+通道（potassiumionchanne1）,如:

IK1通道

IK通道

Ito通道

IK-Ach

IK-ATP。

在静息状态下，IK1通道的通透性远大于其它离子通道，由此形成的IKl电流是形成静息电位的主要离子流。

(1)静息的心肌细胞膜除了对K+有较高的通透性外，对Na+、Ca2+、Cl-也存在一定的通透性。

(2)膜上生电性Na+-K+泵的活动，也可影响静息电位，

(3)决定钾离子跨膜运动的动力是处在游离状态能够自由活动的那一部分钾离子，也就是钾离子的活度（activity）

活度=浓度×活度系数，而不是钾离子的浓度。细胞内、外液的化学组成不同，钾离子的活动系数也不同。

心肌静息电位数值的大小对其生理特性的维持正常至关重要。

高血钾、心肌损伤细胞内钾外逸时由于细胞内外的K+浓度/活度差减小，静息电位负值减小，发生除极。这种除极的心肌由于细胞膜上的快钠通道部分失活，兴奋时Na+内流量减少减慢，除极速度减慢，动作电位幅值减小，传导速度因而减慢，易于发生传导阻滞和折返激动而导致心律失常。另方面心肌除极时自动节律性增高，易于形成异位起搏点，导致早搏或快速型心律失常。

洋地黄类药物可部分抑制Na+-K+泵活动，使心肌静息电位降低。乙酰胆碱通过激活乙酰胆碱激活的K+通道，可提高心肌细胞膜对K+的通透性，有利于K+外流，使膜电位负值增大，更接近于K+平衡电位，引起膜超极化。

二、动作电位

1．心肌细胞兴奋过程中跨膜电位的变化称为动作电位。它是由于一系列的离子跨膜运动所引起的。心肌动作电位的特点是除极迅速而复极缓慢，整个过程可达200-400毫秒。动作电位的时程长短受许多因素影响，如温度、电解质、神经递质等。当心率增快时，动作电位的时程缩短。

2．不同心肌动作电位的形态、时程和产生原理都不同。根据电生理特性，可把心肌分成快反应细胞和慢反应细胞，以下分别讨论其动作电位特征和产生的原理。

(1）快反应细胞

指心房肌、心室肌和房室束—浦肯野系统的细胞。它们的动作电位特征是除极速度快、波幅大、传导速度快，每秒0.4-4米，故名。浦肯野细胞的动作电位可以分为五个时相（或期），心室肌动作电位的形态视动物种类不同而异，人心室肌也可分为五个时相，以下分别讨论动作电位各期的发生原理。

0相又称除极化期

时间短，人心室肌占1-2毫秒。心肌细胞受刺激后，膜电位从-90mv降低到-60～-70mv（阈电位）时，引起细胞膜上的钠通道（快通道）激活开放，心肌细胞膜对Na+的通透性徒增。与此同时，K+的通透性却忽然降低，PK：PNa从静息状态的1：0.01变成1:10，Na+顺浓度差从细胞外涌入心肌细胞,使膜内电位急剧上升，从-90mv升到+30mv，产生除极。

钠通道的激活、失活（开放、关闭）过程极为迅速，当心肌细胞除极到-55mv左右钠通道开始失活，到除极完毕，完全失活，全过程仅1～2毫秒。

钠通道失活后，再次激活开放能力的恢复过程却十分缓慢。钠通道再次开放能力的恢复既依赖于电压，也依赖于时间。电压方面，在心肌复极化到-55mv以前，任何强大的刺激都不能使之产生反应；时间方面，钠通道再次开放能力的恢复随复极程度而快慢不同，复极越完全，恢复越快，在部分除极的心肌恢复很慢。

当心肌缺血损伤而发生除极时，一方面快钠通道处在部分失活状态，另方面在每次心搏后，钠通道从失活中恢复的过程减慢，使传导速度更形减慢而易于发生传导阻滞。

河豚毒素（TTX）可以选择性的阻断钠通道，使心肌细胞不能产生快反应动作电位，第一类抗心律失常药物如利多卡因、奎尼丁等都能抑制快钠通道使传导速度减慢，阻断折返激动而发挥抗心律失常作用；乌头碱和藜芦碱可以使钠通道保持在持续开放状态，诱发心肌细胞反复发放冲动而产生心律失常。

当心肌细胞除极到-40mv时，心肌细胞膜上的另一条离子通道—慢通道或钙通道被激活开放。慢通道的反应特点是：

①兴奋的阈电位和快通道不同；

②专一性差，它允许Ca2+通过，也允许Na+通过；

③激活过程缓慢，需要十毫秒左右。事实上是在快通道失活后数毫秒时它才充分激活开放；

④失活过程也缓慢，比快钠通道慢20倍；

⑤电流小，仅为快钠通道的1/10；

河豚毒素不能阻断慢通道，而异搏定（verapamil）等可阻断之。

如果快反应细胞的静息膜电位由于高血钾或心肌严重缺血等原因而降低到-60mv以下（快通道逐渐失活，仅剩下慢通道），传导速度也就大大减慢，易于发生传导阻滞。这种极慢传导也为折返激动创造了条件，从而易发心律失常。1相又称快速复极初期

主要存在于浦肯野细胞和心房肌，人心室肌也存在，膜内电位由+30mV迅速恢复到0mV左右，历时约10ms。0期去极和1期复极速度均较快，记录图形上表现为尖锋状，习惯上把这两部分合称为锋电位。1期复极是由一种短暂的一过性外向电流（transientoutwardcurrent，Ito）引起。Ito通道在去极化到约-20mV时激活，约开放5～10ms。由于Ito可受细胞外Cl-浓度的影响，因此曾推测认为Cl-内流是Ito的主要成分。有的作者径直把Ito称为氯流。进入上世纪八十年代以后，上述看法有了改变。首先是对Ito的离子实质看法有了改变，比较倾向于认为Ito是由于钾离子外流引起的。

其理由如下：

①人为地把细胞外液中的Cl-浓度降低到正常值的10%时，Ito的幅值只减弱20%，两者相关性很差；

②Ito可以被选择性的钾通道阻断剂四乙基胺和4-氨基吡啶阻断；

③采用重复多次激活Ito的电压钳制术方法，可以使Ito增大，放射性同位素K+的外流量也增加，而4-氨基吡啶可同时阻断这两者，证明Ito的主要离子成分是K+。

目前认为，K+外流是Ito的主要离子成分，即K+外流所致的一过性外向电流是心室肌1期复极的主要原因。

2相又称缓慢复极期

在人心室肌约占100毫秒左右。当1期复极结束后，复极过程变得非常缓慢，膜内电位基本停滞于0mV左右，记录的图形比较平坦，常称平台期（p1ateau），持续约100～150ms，是整个动作电位持续时间长的主要原因，也是心室肌细胞动作电位区别于骨骼肌细胞、神经纤维动作电位的主要特征。

平台期的形成涉及多种离子电流的参与，其中主要决定于Ca2+（以及少量Na+）的内流与K+外流分别形成的内向去极化电流与外向复极化电流的互相平衡状态。

在平台期初期，内向离子电流与外向离子电流处于相对平衡的状态，使膜电位稳定在0mV左右。随后，内向Ca2+电流逐渐减弱，外向K+电流逐渐增强，总的结果是出现一种随时间推移而逐渐增强的微弱的净外向电流，导致膜电位缓慢地复极化，形成平台期的晚期。

Ca2+的内流需通过Ca2+通道。在心肌细胞膜上存在L（long-1asting）型和T（transient）型两种Ca2+通道，两者均为电压门控通道，其中L型Ca2+通道最为重要。

T型Ca2+通道与Na+通道相似，阈电位为-50～-60mV，激活和失活均快，其单通道电导小于L型Ca2+通道，所形成的Ca2+内流参与0期去极过程，因其电流微弱和失活快，故在0期去极和平台期的形成中作用不大。

L型Ca2+通道激活的阈电位为-30～-40mV，明显小于Na+通道的-70mV。L型Ca2+通道激活、失活和复活均慢，经L型Ca2+通道Ca2+跨膜内流起始慢，开放后持续时间长，故称为L（long-1asting）型，在平台期的形成中起重要作用。

L型Ca2+通道可被Mn2+和多种Ca2+通道阻断剂（如维拉帕米）阻断，而对可阻断快Na+通道的河豚毒（TTX）和细胞膜内-50mV的持续去极化状态不敏感。Ca2+通道阻断剂可使平台期提前结束，并降低平台期的电位水平。

与平台期K+外流有关的通道主要是IK1和IK通道。

IK1通道是决定静息时K+外流的主要通道。如图所示，当膜内电位被钳制在负于K+平衡电位EK的水平时，由于此时促进K+内流的电场力大于促进K+外流的浓度势能，K+将内流；IK1电流强度与细胞膜电位变化成线性关系，且曲线较陡峭，表明此时K+通透性较大。当膜内电位被钳制在正于EK水平时，此时促进K+外流的浓度势能大于阻碍K+外流的电场力，K+将外流，但IK1的电流强度与膜电位不成线性关系，且曲线平坦，表明膜对K+的通透性降低，尤其是当膜电位钳制在正于-30mV的水平时，IK1已接近于零。这种钾电导（K+通透性）因膜去极化而降低的现象称为内向整流（inwardretification），IKl通道的内向整流特性，使它在0期去极过程中关闭，并造成平台期中K+的通透性较低，不能迅速复极化。

IK通道在+20mV时激活，-40--50mV时失活，其激活和失活缓慢，可持续数百毫秒。因为它激活缓慢，被称为延迟整流电流（de1ayedrectifier）。因此，尽管IK通道在0期去极未开始激活，但通透性增加缓慢，从而形成平台期逐渐增大的外向K+电流。

由于平台期有多种离子流参与，膜电阻又高，只要其中有任何一种离子流变化，就可以引起膜电位的变化，造成平台期的延长或缩短平台的膜电位水平抬高或降低。因此动作电位平台期是心肌细胞对各种因素最敏感的时期。

心电图的S-T段大致相当于心室肌动作电位的2期，因此S-T段易于受各种因素的影响而发生改变。

3相：又称快速复极末期

此期内心室肌细胞膜的复极速度加快，膜电位由平台期的0mV左右迅速恢复到-90mV，完成复极过程，历时100～150ms。2期与3期之间无明显界限。

3期复极是由于L型Ca2+通道关闭，Ca2+内流停止，而K+外流进行性增加所致。3期复极的K+外流有赖于IK和IK1通道的参与。在平台期逐渐增大的IK电流导致平台期的终止和触发3期复极，直至3期复极膜电位降到-50mV左右才关闭，如图所示，当膜内电位由-20mV变化到-60mV时，由于内向整流作用的减弱，IK1通道开放增多，故随着膜的复极化，膜对K+的通透性进行性增大，K+外流不断增强，为再生性正反馈过程，导致膜快速复极化。

从0期去极化开始至3期复极化完毕的时间称为动作电位时程（actionpotentialduration，APD），心室肌细胞约为200-300ms。

动作电位时程的长短可随心率的增快而缩短。如前所述，IK通道失活缓慢，可持续数百毫秒，当心率增快时，在前一动作电位所激活的IK通道尚未完全失活的基础上又发生新的动作电位，此时因膜对K+通透性较大，K+外流增多，故平台期和APD缩短。

3相时间的长短，主要取决于细胞膜对钾离子的通透性。当细胞外钾离子浓度升高时，细胞膜对钾离子的通透性升高，3相复极加速；反之则3相复极时间延长。反映在心电图上表现为高血钾时Q-T间期缩短而低血钾时T波增宽变平，Q-T间期可以延长。

Figure28-16.LongQTsyndromeduetogeneticabnormalitythatblocksHERGK+channels.Thispredisposestoventriculararrhythmiasbecauseits|owsK+efflux|,prolongirlgthecardiacactionpotentialandhencetheQTinterval.(ModifiedfromkeatingM,SanguinettiMCMolecu1argeneticinsightsintocardiovasculardiseaseScience1996;272:681.)

4相又称恢复期

膜电位已恢复到静息膜电位水平，此期内膜电位虽稳定在-90mV，但在动作电位期间进入细胞的Na+、Ca2+和流出细胞的K+所造成的细胞内外离子分布的变化并未恢复。因此，在4期内仍有活跃的离子转运，以恢复细胞内外离子的正常浓度梯度，从而保持心肌细胞正常的兴奋性，

(1)通过膜上Na+-K+泵的活动，每消耗1分子ATP排出3个Na+、摄取2个K+。

(2)Ca2+的主动外运主要通过细胞膜上Na+-Ca2+交换体（Na+-Ca2+exchanger）进行，Na+-Ca2+交换体是Ca2+的双向转运系统，按3：1的比例进行Na+-Ca2+交换。

(3)此外，尚有少量的Ca2+可通过膜上Ca2+泵主动排出细胞。

3：2的Na+-K+耦联主动转运产生的净正电荷外流称为泵电流（Ip）；而3：1的Na+-Ca2+交换产生的净正电荷内流称为Na+-Ca2+交换电流（INa-Ca）。因此，心室肌细胞4期膜电位虽然稳定于静息电位水平，但并不意味着各种跨膜电流的停止。实际上，静息电位是各种内向和外向电流综合平衡的结果。

心房肌细胞的动作电位时程较短，历时仅150ms左右，其形成机制与心室肌细胞大致相同。由于心房肌细胞膜对K+的通透性大于心室肌，故平台期和动作电位时程较短。

在非自律细胞，4相内膜电位稳定，处在静息电位水平。在具有自动节律性活动的快反应细胞如浦肯野细胞，动作电位3相复级达到最大舒张水平后，在4相电舒张期内自动发生缓慢的舒张除极，达到阈电位水平就产生一个新的动作电位。这种舒张期自动除极就是正常心肌自律细胞起搏活动的基础，其发生原理将于下面进行讨论。

（2）慢反应细胞

包括窦房结和房室结的心肌细胞。细胞膜上快通道数目较少；同时由于其最大舒张电位低，钠通道处在失活状态，兴奋时只有慢通道激活开放，故除极速率慢，动作电位波幅小，传导速度慢。如用通电的方法或用氨甲酰胆碱（carbamylcholine）处理窦房结细胞，使其最大舒张电位增加，则兴奋时钠通道也能被激活，动作电位的除极速率可以稍增快。

由于慢反应细胞兴奋时只有慢通道激活，传导速度很慢，每秒仅0.01-0.1米，同时其不应期长，在复极完毕后还有一段时间的不应期，因而易于发生传导阻滞。

应该指出，快通道、快反应电流只有快反应细胞具有，而慢通道、慢反应电流则是所有心肌细胞所共有的电生理特性。它和正常窦性节律的发生、房室交界处的传导延搁以及心肌兴奋—收缩偶联都密切有关。当快反应细胞静息电位减小而导致快通道失活后，仅剩下慢通道，这时传导速度将大大减慢而自律性异常升高，易于发生传导阻滞、折返激动、异位节律而形成心律失常。快反应和慢反应的电生理特性比较参见表3-1-2。

表4快反应和慢反应的生理特征电生理特性快反应 慢反应

静息膜电位 -80～-95mv -40～-70mv 阈电位 -60～-70mv-30～-40mv 动作电位幅度100～130mv 35～75mv 最大除极速率（Vmax）200～1000v/秒1～10v/秒 膜通道的激活、失活快慢 依赖细胞外离子 Na+ Ca2+、Na+

阻断剂 河豚毒素 异搏定等 传导速度 0.5～4.0m/s0.01～0.1m/s 传导的安全系数 高 低 不应期短,在复极完毕前终止长,延长到复极化完成后 对刺激的反应全或无 随刺激强度而变

三、心脏起搏原理

胚胎心肌就具有起搏功能。随着个体发育，心肌细胞逐步分化特化。一部分成为在生理情况下不表现起搏功能的工作心肌，另一部分成为具有起搏功能的心脏特殊传导系统。后者又可分为传导功能较差而起搏功能较强的窦房结和房室结以及传导功能强而起搏功能较弱的希氏-浦肯野系统。

起搏细胞的共同电生理学特征是在电舒张期有自动发生的舒张除极，除极达到阈电位水平产生一个新的动作电位。因此，对起搏原理的研究就集中在对舒张除极的发生原理上。

心肌细胞在任一瞬间都有离子流在跨膜流动。工作心肌在静息状态下，内流和外流的跨膜离子流量相等，其净流量为零，所以膜电位稳定在静息电位水平。正离子内流量增加或者外流量减少，都可以引起细胞膜除极。起搏细胞舒张除极的发生，上述两种可能性都存在，但何者为主以及有哪些离子流参加，却一直存在争论。总体来看，在认识上有一个螺旋式上升的过程。

（一）正常起搏活动

1．浦肯野细胞的起搏原理

早在二十世纪60年代，Vassalle发现，浦肯野纤维在起搏过程中膜电导降低，起搏离子流在钾平衡电位方向翻转，提示是由于K+外流衰减引起舒张除极。Noble和Tsien（1968)进一步证明，该离子流不仅转向电位接近钾平衡电位，而且转向电位随细胞外K+浓度变化而变化，变化值符合钾流。因此，命名之为IK2。IK2向外流动逐步衰减引起浦肯野纤维舒张除极这一学说提出后，得到广泛的接受。

上世纪70年代，人们开始注意到在多细胞标本采用电压钳制时，细胞隙缝（cleft）中离子浓度可能发生变化。Vassalle和Noble，Tsien用的标本都是有蹄类哺乳动物浦肯野纤维，其中的浦肯野细胞表面80％为极狭窄的隙缝所复盖，而细胞的内向整流钾通道（IK1通道）又十分发达，在采用过度极化脉冲钳制浦肯野纤维以研究起搏离子流时，细胞隙缝中的K+可以循IK1通道内流入细胞，造成隙缝中K+浓度降低（耗尽），改变了细胞膜内外的K+浓度差。这样，测出的“转向电位”并不一定反映离子流的方向翻转，而可能是隙缝中K+浓度变化所引起的伪差。

在上述基础上，DiFrancesco（1981）用5mmo1／L钡阻断IK1通道后重复实验，发现过度极化时膜电导不是降低，而是升高；用低浓度铯（0.5-1mmo1／L）阻断起搏离子流，总电流向外向移位说明该离子流是内向的；再进一步的实验发现这是一个因过度极化而激活的内向离子流，在-50mV开始激活，-120mV充分激活，其主要成分是Na+。由于它和一般的电压依赖性离子通

道因除极而激活截然相反，十分奇特（funny），故DiFrancesco命名之为If（图3-1-2）。

If的发现，在当时引起很大的震动。对忽视细胞间隙缝中离子浓度变化引起实验伪差而导致错误结论这一现象，很多学者叹为这是一代人的错误。在If被人们普遍接受是浦肯野细胞的起搏离子流之后，在上个世纪80，90年代，人们发现钡不仅能阻断IK1，也能阻断IK-ACh，IK-ATP，通道，低浓度铯除了可以阻断If外，还可以阻断钠钾泵流等。因而对DiFrancesco的结论提出了质疑。Vassalle等（1995）对浦肯野细胞起搏原理重新进行了研究，由于用的是单个犬浦肯野细胞，不存在细胞间隙缝的问题，所以他们不用任何阻滞剂，在正常生理溶液中进行研究。结果发现浦肯野细胞在过度极化过程中有两种依赖时间的内向离子流（起搏离子流）。一种在-50mV水平发生，这时膜电导降低，其转向电位接近钾平衡电位，提示它是一种随时间而衰减的外向钾流，它被钡阻断。这种钾流不是延迟整流钾流（IK）去激活成分，而是一个新发现的发生在舒张除极期间的钾流，故命名之为IKdd。据测定，在膜电位-75mV时，Ikdd的幅值可达44pA，以浦肯野细胞平均膜电容280pF估算，可以产生160mV／s的舒张除极速率，因此其重要性不容忽视。另一种起搏离子流在较负的膜电位被激活，在它产生时，膜电导升高，这种离子流幅值随过度极化程度而增加，到-115mV也未见电流方向翻转，它也不能被钡所阻断，这种离子流就是DiFrancesco发现的If。实验又表明，Ikdd和If都可以被低浓度的铯所阻断。Vassal1e等的工作不仅加深了人们对浦肯野细胞起博原理的理解，更具有普遍意义的是告戒我们，在研究工作中应用阻滞剂时，不能只及一点，不及其余，必须全面考虑阻滞剂可能产生的各方面的作用。

2．窦房结细胞起搏原理

窦房结（SAN）在结构和功能上是一个非匀质组织，由起搏细胞（P细胞）和过渡细胞组成。SAN中央部位的起搏细胞较小，胞内肌细丝较少，最大舒张电位为-50--60mV；周边部位的起搏细胞较大，胞内肌细丝较多，最大舒张电位达-70mV或更负。在生理条件下，中央部位的起搏细胞自律性最高，周边的是潜在起搏细胞。但在游离单细胞，周边部位起搏细胞的自律性却高于中央。在体的SAN周边部位起搏细胞自律性较低是由于受到其周围心房肌细胞的电紧张抑制之故。

SAN起搏细胞体积较小，细胞膜电容仅40pF左右。以舒张除极速率70-140mV／s估算，只需要2-5pA的净内向离子流就足够了。在SAN起搏细胞舒张除极过程中，有众多离子流。何者是主要的起搏离子流，几十年来一直有争论，但也正是这些学术争论促进了研究工作的不断深入，逐步统一了认识。

SAN细胞的起搏原理十分复杂，其中舒张早期IKr的去激活衰减、If的激活和Ib起着重要作用，舒张晚期ICa-T也参与。在区域性差异中，中央部位ICa-L较重要，而If和Ina在周边部位的起搏中起作用。图3-1-3为目前大家所公认的窦房结动作电位和起搏电位的离子机制。

（二）起搏功能的调控

在SAN的起搏原理被初步阐明后，20世纪90年代中后期心肌电生理工作者的兴趣逐步转向其起搏功能的调控，发现了许多物质对它具有调控作用，如腺苷，NO，血管紧张素等。本文仅就自主神经及其递质对SAN起搏功能调节的研究进展作一介绍。

通常认为：

ACh通过激活IK-ACh通道和抑制ICa-L通道，引起SAN细胞膜过度极化，减慢起搏频率。

肾上腺素通过增强ICa-L和If，引起SAN起搏频率加快。

近年来对这一问题有了进一步的认识。DiFrancesco等发现，极低浓度的异丙肾上腺素（10nmo1／L）和ACh（3nmo1／L）就可以加快和减慢游离单个SAN起搏细胞的舒张除极速率和起搏频率，而不影响最大舒张电位和动作电位形态。这提示轻度交感和副交感神经兴奋不需要通过IK-ACh和ICa-L改变SAN起搏频率。新近Demir等的工作也提示，低浓度ACh减慢SAN起搏频率不需要通过IK-ACh。

DiFrancesco进行了ACh对If，IK-ACh，ICa-L三种离子流的相对作用强度研究，发现ACh对窦房结If离子流的半最大抑制浓度为0.013μmo1／L，而对IK-ACh的半最大抑制浓度需要0.2μmom/L，两者相差10倍以上。ACh0.03μmo1／L对ICa-L没有影响，需要增加到1-3μmo1／L才有明显影响。但也有作者报道0.05μmo1／L就可以使ICa-L，幅值降低18％。这一研究表明，在这三种离子流中，以If对ACh的敏感性最高。

在迷走神经轻度兴奋时，ACh和M受体结合后，抑制腺苷酸环化酶，减少cAMP产生，使If通道受抑制，开放速率减慢，单通道开放概率降低，激活曲线左移，If幅值降低，SAN起搏频率降低。

肾上腺素在低浓度时加快SAN细胞起搏频率看来是通过If离子流发挥作用的。Choi等（1999）报道，3×10-8mo1／L异丙肾上腺索就可以加快SAN起搏频率和DiFrancesco的报道相符。1μmo1／L异丙肾上腺素可以使If激活曲线右移，通道开放速率和开放概率增加，If离子流幅值增加，SAN起搏频率增加。其机制是和β受体结合，激活腺苷酸环化酶，使细胞内cAMP增加而引起的。

用同时测定细胞内钠离子活度和起搏电位的方法，Choi等证明异丙肾上腺素和氨甲酰胆碱在低浓度时的作用主要通过If引起，If的主要成分是Na+。

cAMP作为第二信使，一般认为它对离子通道的作用是通过激活蛋白激酶A（PKA），引起通道蛋白磷酸化而激活。但新近的研究发现，cAMP对If通道的作用与上述的不同。是通过一个非磷酸化途径或非代谢途径引起的。cAMP直接作用于If通道的细胞内侧面使之激活，不仅cAMP可以，cGMP，cCMP都可以激活If通道，只是作用较弱。用链霉蛋白酶（Pronase）处理SAN起博细胞膜的内侧面后，If通道仍能被过度极化所激活，但不能再被cAMP激活，这说明If通道存在两种门控系统——电压门控系统和环核苷酸门控系统，两者在通道蛋白分子结构上的部位是不同的。

关于SAN起搏功能调控的研究，目前尚在起步阶段，各种神经体液因素如何整合来调节SAN起搏功能以适应生理功能的需要，以及它们作用的分子机制，都有待于进一步研究阐明。

（三）异常起搏活动

在病理条件下起搏活动不仅见于特殊传导组织，也可以发生于工作心肌。异常起搏活动的命名，各家不一。Cranefield从基本电生理学出发，把异常起搏活动分为两大类，一类是早期后除极（earlyafterdepolarization，EAD），另一类是延迟后除极（delayedafterdepolarization，DAD），被各家所广泛接受。以下分别讨论其发生机理。

1．早期后除极

浦肯野细胞的膜电位除极到一定水平时，其膜电位不稳定而倾向于产生自发震荡，这种膜电位的震荡发生于-40mv～+10mv之间，接近动作电位平台期的电位水平，故又名平台震荡（plateauoscillation）。平台震荡也可以发生于工作心肌，例如由于低钾、缺血缺氧或酸中毒等因素造成心肌细胞动作电位复极受阻而膜电位徘徊于上述数值时，膜电位即可发生震荡除极而产生一连串的异位起搏（图3-1-4）。正由于这种除极发生在完全复极化以前，故称之为早期后除极。

在平台的膜电位水平，快钠通道已处在失活状态，震荡波的除极和复极分别由慢内向离子流（isi）和延迟复极离子流（ixi）所引起。例如豚鼠乳头肌的平台震荡除极是由于Ca2+、Na+内流引起的（Ca2+、Na+是豚鼠乳头肌isi的主要成分），减少细胞外Ca2+或Na+的浓度都可以使震荡的波幅减小，尤其以Ca2+的影响更为明显。当细胞外Ca2+浓度从正常的1.8mM/L降低到0.9mM/L时，平台震荡停止；而增加细胞外Ca2+浓度可引起震荡波幅增加。

2．延迟后除极

浦肯野细胞洋地黄中毒时，在电刺激引起的动作电位复极完毕后往往以一个短暂的震荡除极波，这个除极波如果达到阈电位，就可以诱发产生一个新的动作电位，形成一次异位搏动（图3-1-5）。这种除极波由于发生在前一动作电位充分复极以后，故称为延迟后除极。

延迟后除极的波幅和除极速率随着刺激频率的增加而增加。在高频刺激下，延迟后除极的波幅增加，除极速率也加快，因而由它所诱发的异位搏动和前一动作电位的联律间距缩短。这可能就是洋地黄中毒时出现超速兴奋的机理。

延迟后除极不仅见于洋地黄中毒，凡是能引起细胞内Ca2+超负荷的因素都可以诱发或加强之，如儿茶酚胺、高钙、低钾和高频刺激等。

Lederer和Tsien在小牛浦肯野纤维的电压钳制术研究发现，延迟后除极是由于一种短暂性的内向离子（Transientinwardcurrent，iti）引起的。iti在钙超负荷的情况下增大，使人很容易想到它可能由于钙离子内流引起的。但Kass的实验否定了这一点，因为iti的转向电位约为-5mv，和钙离子的电化学平衡电位相去甚远。去掉细胞外液中的氯离子，大幅度的改变细胞外钙离子浓度（2.7-16.2mM）或钾离子浓度(1-8mM)对上述iti的转向电位影响都不大，表明它的主要离子成分是Na+。但这种以Na+为主要成分的iti不受河豚毒素(TTX)的直接影响，说明它不是通过快钠通道内流的。Kass认为，iti可能通过原先存在于细胞膜上的背景钠离子通道或叫做“漏”通道流入的；另一种可能是细胞内钙超负荷时钙的排出引起的生电性钙—钙交换所致。

综上所述，目前对延迟后除极发生机理的认识是：在各种因素导致的细胞内钙离子超负荷情况下，细胞内肌浆网等钙贮存处有钙的震荡性释放，这改变了细胞膜的通透性，从而导致延迟后除极。

附：

心律失常的电生理机制与抗心律失常药的分类

心律失常是临床上的一种表现,不论心脏有无器质性病变均可发生心律失常。临床上大多数心肌梗死病人会发生室性心律失常,尤其在发病早期常常由于突发性恶性心律失常引起心室颤动而猝死。因此终止或预防心律失常的发生颇为重要。由于心律失常的病因、种类比较复杂,加上近年来抗心律失常药发展迅速,品种繁多,作用机制和发生不良反应尚不完全清楚,特别近年来通过多中心临床试验发现某些药物抑制心律失常的效果很强,但死亡率反而增加,因此进一步深入研究药物的作用机制、观察临床效果、不良反应及预后等,为正确合理选用抗心律失常药进行治疗显得十分重要。

1．心律失常的分类

临床上的心律失常分类大多按心率的快、慢将心律失常分为两大类:

（1）快速型心律失常

房性早搏、房性心动过速、心房颤动、心房扑动、阵发性室上性心动过速、室性早搏、室性心动过速、心室颤动等。

（2）缓慢型心律失常

窦性心动过缓、传导阻滞等。

也有临床学家按心律失常引起循环障碍严重程度及预后,而将心律失常分为致命性、潜在致命性和良性三大类。

尚有按心律失常发生机制分为冲动发生异常、冲动传导异常以及冲动发生与冲动传导异常而进行分类,这种方法不完全适合临床应用。

近年来有人提出调节受体学说和离子通道调节分类法,了解心房、心室肌的各种离子通道的空间差异,这对抗心律失常药的选择有重要意义。但目前,仍以心率的快、慢的分类对临床诊断和治疗有实用意义。

第三节心肌的电生理特性

心肌细胞具有兴奋性、自律性、传导性和收缩性四种基本生理特性，其中兴奋性、自律性和传导性是以心肌细胞膜的生物电活动为基础，属电生理特性。收缩性是以收缩蛋白的功能活动力基础，是心肌的一种机械特性。在心脏内，通过电生理特性形成兴奋的产生和传导，并影响心肌的收缩特性。

一、兴奋性

兴奋性（excitabiliiy）是指具有对刺激产生兴奋的能力或特性，兴奋性的高低可用阈值作为衡量指标。阈值高表示兴奋性低，阈值低表示兴奋性高。

1．决定和影响心肌兴奋性的因素

心肌细胞兴奋的产生包括静息电位去极化达到阈电位水平以及Na+通道（快反应细胞）或Ca2+通道（慢反应细胞）的激活这两个基本过程。任何影响这两个基本过程的因素都可改变心肌的兴奋性。

（1）静息电位与阈电位之间的差值：静息电位（或最大复极电位）绝对值增大或阈电位水平上移，均可致二者间差值增大，将使引起兴奋所需的刺激强度增大，即兴奋性降低。反之，在一定范围内二者之间的差值减小，则兴奋性增高。例如，乙酰胆碱通过M受体可激活乙酰胆碱激活的K+通道，使膜对K+的通透性增加，促进K+外流(IK-Ach），细胞膜发生超极化，兴奋性降低。在通常情况下，心肌的阈电位水平较少发生改变，不如静息电位水平变化对心肌兴奋性的影响多见。奎尼丁可抑制Na+通道的激活过程，使阈电位上移，心肌兴奋性降低。

（2）离子通道的性状：Na+通道和Ca2+通道均有备用（或称静息，resting）、激活（activation）和失活（inactivation）三种功能状态；处于何种状态，取决于当时膜电位的水平以及有关的时间进程，表现为电压依从性和时间依从性。在快反应细胞，当膜电位处于正常静息电位水平（-90mV）时，Na+通道处于关闭的备用状态；当膜电位从静息电位去极化达到阈电位水平（-70mV）时，大量Na+通道被激活开放，Na+通透性增加，其激活过程历时约1ms，Na+通道激活后即迅速失活关闭，且在一定时间内不能被再次激活，即丧失反应性，其失活过程历时数毫秒到10ms。只有在膜电位复极到静息电位时，Na+通道才完全恢复到备用状态，即恢复再兴奋的能力，此过程称为复活（reactivation）。

因此，Na+通道是否处于备用状态，是快反应细胞当时是否具有兴奋性的前提，而正常静息电位水平又是决定Na+通道是否处于或复活到备用状态的关键。在慢反应细胞，L型Ca2+通道的激活、失活和复活的速度均较慢，其激活的阈电位约在-40mV，但直至+10mV时才完全失活；而其复活则需待膜电位完全复极后才开始。Na+通道的性状

Na+通道所处的机能状态,是决定兴奋性正常、低下和丧失的主要因素。以快反应细胞为例，Na+通道具有备用(或静息，resting)、激活（activation）和失活（inactivation）三种状态。完全备用→

失活→刚复活→渐复活→基本备用‖‖‖‖‖产生AP绝对不应期局部反应期相对不应期超常期‖‖‖‖兴奋性正常兴奋性无

兴奋性低兴奋性高2．与神经细胞相似，心肌细胞在一次兴奋过程中，兴奋性也发生一系列的周期性变化。这种兴奋性的周期性变化主要是由于膜电位变化引起离子通道的状态发生变化的结果。

（1）有效不应期：从动作电位0期去极化开始到3期复极化至-60mV的这一段时间内，即使给予很强的刺激，心肌也不会产生新的动作电位，称为有效不应期（effecti