心脏细胞离子通道的结构与功能

心脏细胞离子通道的结构与功能

从生物物理的角度来看，离子通道应具有三个最重要的性质：渗透性、选择性和门控制机制。离子通道是以该通道允许通透的主要离子命名的,门控机制则调节着该离子的流动过程。细胞膜离子通道根据其门控机制可以分为三类:电压门控性通道、配体门控性通道以及机械敏感性通道。另外,还有细胞器离子通道和细胞间离子通道。膜片钳技术与分子克隆、基因突变技术相结合,已成为一种非常有力的研究手段,从分子水平解释离子通道的孔道特性、动力学过程、结构和功能的关系以及功能的调节。本文将系统介绍心脏细胞离子通道的研究进展;根据各种离子通道的特性解释动作电位的形成过程;并阐述离子通道功能状态与心律失常发生的关系。1独子带的结构与功能关系1.1na+、ca2+通道的亚基细胞膜电压门控性离子通道是由一组关系密切的基因组所控制,因此表现出许多共同的结构特征。离子通道是由糖蛋白构成的多亚基复合物,包括α亚基和多种其它亚基。单独表达α亚基即可完成通道的功能,而其它亚基则有助于维持正常的通道动力学和电压依赖性。Na+、Ca2+通道的α亚基有四个同源的结构域(homologousdomains,D1～D4),每一结构域由六个呈α螺旋状的跨膜部分(segment,S1～S6)构成。其间有肽链连接。四个结构域排列呈四边形,中间为亲水性离子孔道。电压依赖性K+通道的α亚基分子较小,一个α亚基相当于Na+或Ca2+通道的一个结构域,因此一个功能性K通道是由四个α亚基共同构成(见图1)。(1)孔道的氨基酸组成多种毒素、药物、无机阳离子都可选择性阻断电压门控性离子通道。生物物理研究发现其作用机制是这些物质分子可进入孔道,与通道选择性通透的离子竞争性的结合在孔道部位。因此,通道阻断剂可作为分子标记物和特异性探针,确定孔道的氨基酸组成。通过对克隆的电压门控离子通道研究发现,S5～S6跨膜螺旋之间的肽链深入到细胞膜中,为通道最狭窄的部分,形成孔道区(poreregion),是决定通道通透性的重要区域。此外,螺旋S6也可影响离子通透性,参与孔道的形成。孔道具有选择性滤器功能。Na+通道只对Na+高度选择,若替换孔道区的带电荷氨基酸或疏水氨基酸,则明显地改变了通道的选择性。(2)螺旋带正电荷的氨基酸近年来发现螺旋S4为Na+、K+、Ca2+通道的电压感受器。它们的结构非常相似。在α螺旋结构中,每两个氨基酸之间都有一个带正电荷的氨基酸。细胞膜在去极化过程中,这些带正电荷的氨基酸向细胞外移动,产生一短暂的外向门控电流,随之通道开放。(3)抗心肌细胞na+通道功能的改善由于不同离子通道的特点,失活门控机制也不同。“球和链”理论(ballandchain)来解释瞬间外向K+通道失活机制。采用克隆的shakerK+通道研究发现α亚基N端构成“球和链”。当通道开放时,“球”可随机弹跳,链上带正电荷的氨基酸残基将“球”导入失活结合位点,并阻塞通道。“链”的长短可明显改变通道的失活速度,如果切掉shakerK+通道的N端,快速失活过程也随之消失,因此也称为N型失活,为快速失活,约数毫秒即可完成。不同通道堵塞的位点不同,shakerK+通道的位点在S4与S5之间的连接肽链上。但是,多种电压依赖性K+通道不表现为N型失活,去除N端部分不影响通道的失活过程,而改变通道外口的结构,可使通道失活。此类失活方式为通道的缓慢C型失活,延迟整流K+通道属此类失活。L型Ca2+通道还有另外一种电压依赖性失活方式,为Ca2+依赖性失活,具有重要的生理意义。“Hingeddoor”机制,与Ⅲ和Ⅳ结构域之间的异亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸以及位于Ⅲ与Ⅳ结构域的S4～S5在细胞内的连接肽链有关,为Na+通道的主要失活方式。人类心脏Na+通道是由一个α亚基(230kD、约2016个氨基酸)和β1、β2亚基共同构成的。其中α亚基是完成功能的主要部分,但与β亚基共同表达可增加功能性通道的数量,改善门控特性。心肌细胞Na+通道的主要功能如下。(1)产生足够强大的内向电流,使相邻心肌细胞去极化并达到Na+通道开放的阈电位,以保证心脏兴奋的快速扩播。若Na+通道失活关闭不正常,则使动作电位时程(APD)明显延长。长QT综合征部分患者因染色体3p21-24Na+通道基因突变,引起失活门部位的三个氨基酸缺失,Na+通道关闭不正常,Na+内流增加,APD异常延长,引起早期后除极,并可能诱发严重的室性心律失常——尖端扭转性室性心动过速,是这种遗传性疾病病人心脏性猝死的主要原因。(2)使其它电压依赖性通道开放,如Ca2+通道和K+通道开放。(3)Na+通道是Ⅰ类抗心律失常药物的作用靶点。使用依赖性和电压依赖性是这类药物的重要性质。使用依赖性是指开放状态的通道越多,阻断该通道的作用就越强。如前所述,这类药物堵塞于通道的内侧上并产生阻断作用,那么心率越快,药物经通道进入细胞的机会就越多。因此这类药物可用于快速型心律失常的治疗。电压依赖性是指药物的作用效能随膜电位水平而变化,细胞膜去极化的程度越严重,药物阻断Na+通道的作用越强大。心脏细胞至少有四种Ca2+通道,二种分布在细胞膜上,分别为L型Ca2+通道和T型Ca2+通道;另外两种分布在细胞内肌浆网膜上的Ca2+释放通道,分别为Ryanodine受体(RyanodineR)和肌醇三磷酸受体(IP3R),后两种Ca2+通道将在细胞器离子通道部分叙及。(1)L型Ca2+通道:L型Ca2+通道是由α1亚基(约165kD)和α2、β、γ及δ亚单位共同构成的。细胞膜去极化引起L型Ca2+通道开放Ca2+内流,并触发肌浆网释放Ca2+,为心肌细胞兴奋收缩偶联中调节心肌收缩力的一个关键环节,受肾上腺素能神经的调节。Ca2+本身可促进Ca2+与α1亚基的C端结合,加速该通道的失活过程,这是L型Ca2+通道失活的最主要机制。L型Ca2+通道也是窦房结、房室结产生并传导兴奋的重要电流,因此对维持正常心肌兴奋性起重要作用。ICa(L)是工作肌细胞(心房肌、心室肌)以及特殊分化细胞动作电位平台期的主要内向电流,增加ICa(L)可延长APD并提高平台期电位水平,因此L型Ca2+通道开放时间异常延长具有潜在的致心律失常作用。L型Ca2+通道是二氢吡啶类Ca2+通道阻断剂的作用靶点,其高亲和力作用位点位于α1亚基上,以电压依赖性方式阻断Ca2+通道。(2)T型Ca2+通道:T型Ca2+通道主要分布在窦房结和房室结,ICa(T)的主要生理功能是形成自律细胞的起搏电流。T型与L型Ca2+通道的主要区别是:①在更负的膜电位状态下被激活(T型:-70～-50mV;L型:-40～-30mV)。②失活速度更快(T型:稳态失活V1/2-70mV;L型:V1/2-20mV)。③在膜电位较负时达到峰值电流(T型:-30mV;L型:0～10mV)。④ICa(T)对二氢吡啶类抗心律失常药的作用不敏感。⑤对β肾上腺素能神经的调节反应不明显,主要受生长激素及血管紧张素Ⅱ、内皮素Ⅰ、磷脂酶C等的调节。K+通道的种类很多,是心肌离子通道中最复杂的一类。最大的一组心脏电压门控性K+通道(Kv)是与哺乳类动物同源的果蝇K+通道,包括Shaker(Kv1)、Shab(Kv2)、Shaw(Kv3)和Shal(Kv4)。近年来,已克隆了Kv5～9。由于K+通道的一个α亚基仅形成一个通道的1/4,而不同的α亚基可受到不同的基因控制,因此产生了K+通道的多样性。比如,Kv1.4、Kv4.2/4.3与表达瞬间外向钾电流(Ito)通道有关。与遗传性LQT综合征发病相关的基因HERG(Humanetherago-gorelativegene)和KVLQT1,分别和MiRP1基因及minK基因共同表达了延迟整流钾电流(Ik)的快成分(Ikr)和慢成分(Iks)。心肌细胞上分布的Kv通道主要有以下几种。(1)Ito通道:该通道主要表现在心房肌和心室肌的外膜侧,Ito主要形成动作电位的复极Ⅰ期。Ito有两个成分:①[Ca2+]i非依赖性(Ito1):Ito1是典型的电压门控性K+通道,可被4-胺基吡啶(4-AP)阻断,也可被奎尼丁及其它一些药物阻断。Kv1.4和Kv4.2表达的Ito1与细胞实验所记录的Ito1十分一致。②[Ca2+]i依赖性(Ito2)。目前研究认为细胞内Ca2+升高可激活Ito2,但它很难与Ca2+激活的钾电流、Ca2+激活氯电流、Ca2+激活的非选择性电流等区分开来。这种电流属于配体门控性电流。(2)延迟整流K+通道:延迟整流K+通道电流对调节APD起着非常重要的作用。这种通道电流包括Iks和Ikr。①Iks:在动作电位平台期缓慢激活,约需数秒钟才能达到稳态,且在膜电位去极化状态通道不失活。单通道电导非常小,但通道密度很高,是平台期复极化的主要电流之一。Iks可被金属镧(La)阻断,但不被Ⅲ类抗心律失常药如Sotalol和E4031等阻断。该通道受到肾上腺素能神经β受体的调节,通过激活PKA明显增加Iks的幅度,抵消同时激活的ICa(L),维持动作电位平台期。②Ikr:相比而言,Ikr比Iks的激活速度要快的多,并且可以失活,有内向整流特性,是动作电位3期快速复极的重要电流。Ikr的电导与[K+]0密切相关,即[K+]0升高,Ikr增大;[K+]0降低,Ikr减小。这一性质非常重要,因为这种电流是Ⅲ类抗心律失常药物作用的位点,其作用机制为阻断Ikr,延长APD。如果同时伴有[K+]0降低,则有助于APD异常延长而产生致心律失常作用。HERG表达Ikr通道,其结构特征与其它电压依赖性K+通道相类似。内向整流特性产生的机制是去极化通道快速开放,继之快速失活(inactivation)。因此,膜去极化后,通道电流很小。但是,随着膜电位复极化,通道重新进入开放状态,并且从开放状态去活(deactivation)的速度是很慢的,从而产生了很大的“尾电流”。If是超极化激活电流,是由Na+和K+所携带。该电流分布在具有自律性的窦房结、房室结和浦肯野细胞,可被铯(Cs)和选择性阻断剂如alinidine、zatebradine等阻断。If受交感神经调节。β受体兴奋,可通过Gαs直接作用,增加If的幅度,也可通过Gαs/腺苷酸环化酶/cAMP的间接作用增加If。1.2kir2.1通道这类通道的结构简单,没有感受电压变化的感受器,配体与细胞膜上相应的受体结合后,通过细胞内G蛋白信号转导再作用于相应的通道。Kir的内向整流特性是指当膜电位高于K+平衡电位时,产生外向电流,加速动作电位复极化,但随着膜电位去极化幅度增大,外向电流减小;而当膜电位低于K+平衡电位时,则产生内向电流。因此,生理状态下的背景内向整流K+电流(Ik1)对维持静息电位起重要作用。心脏的Kir可分为强、弱内向整流二种:强内向整流包括IK1和乙酰胆碱敏感电流(IKACh)。弱内向整流包括ATP敏感K+(KATP)通道、Na+激活K+(KNa)通道、Ca2+激活K+(KCa)通道等。首先克隆的是弱内向整流K+通道(ROMK1或Kir1.1),主要表达在肾脏组织。继之克隆了心脏背景内向整流K+通道(IRK1或Kir2.1)、乙酰胆碱敏感性K+(KACh)通道(GIRK或Kir3.1)、KATP通道(μKATP或Kir6.1),这类通道分子(约400个氨基酸)及结构相似。每个通道由四个同样的亚基构成,每个亚基有两个跨膜螺旋(M1和M2),中间连接部位形成P区,深入到细胞膜中间,结构与电压门控性K+通道P区高度相似,具有选择性滤器的功能。M2跨膜螺旋的C端也参与离子传导通路的形成。具有强内向整流特性的Kir2.1通道M2跨膜螺旋第172位氨基酸为天冬氨酸,C端第224位氨基酸为谷氨酸,均为带负电的氨基酸,是细胞内二价阳离子Mg2+和多价阳离子polyamine(polyamine,PA是鸟氨酸代谢物,如spermine4+,spermidine3+,putrescine2+)高亲和力结合的部位,可以电压依赖方式阻断通道的外向电流,表现为强内向整流特性。如果转变这两个氨基酸为与Kir1.1相当部位相同的不带电荷的氨基酸,则Kir2.1通道就成为弱内向整流通道(见图2)。此外,这组通道还具有以下特点:①细胞外铯(Cs)和钡(Ba)可以电压依赖方式阻断该通道;②通道的电导受[K]0水平的影响;③胞浆MgATP可防止通道电流的衰减。(1)IK1通道:IK1通道虽然不是典型的配体门控性离子通道,但它与其它内向整流K+通道同属于一组基因控制,因此具有类似的结构。心房肌、心室肌细胞分布有高密度的IK1通道。它的主要功能是稳定细胞膜电位。同时,由于它的内向整流特性,使动作电位平台期K+外流减少,从而减少复极4相Na+-K+泵的能量消耗;随细胞膜电位的逐渐复极化,IK1逐渐增强,是复极3相的最主要电流,可明显加快动作电位的复极速度。IK1受到细胞内MgATP和能量代谢状态的调节,MgATP水平降低或心肌缺血缺氧时,IK1迅速减小,同时激活IK(ATP)(KATP通道电流),使APD明显缩短。(2)KACh通道:该通道主要分布在窦房结、房室结和心房肌,是迷走神经调节的主要作用点。胆碱能神经递质乙酰胆碱与心脏M2受体结合,激活Gi蛋白GTP酶活性,使Gβγ与Gαi亚单位分离,Gβγ亚单位直接与KACh通道结合并增加该通道的开放概率,而Gαi亚单位可能有抑制Gβγ的激活作用。KACh通道的开放增加了细胞膜的K+电导,引起细胞膜超极化,因此可以减慢窦房结起搏细胞的起搏速率,减慢房室结的传导速度,缩短心房肌APD。心脏的KACh通道由不同的基因控制,其中两个单位为Kir3.1(GIRK1)分子,两个为Kir3.4(CIR或rcKATP)分子。(3)KATP通道:这种通道广泛存在于机体的不同器官组织,对调节心脏的功能,胰腺胰岛细胞释放胰岛素,血管平滑肌张力,神经、骨骼肌的兴奋性等都起重要的作用。它是细胞内代谢状态的感受器,当细胞内ATP水平降低时通道开放。正常的心肌组织,KATP通道是关闭的。当发生心肌缺血时,细胞内ATP/ADP的比值下降,并释放出腺苷(adenosine)和其它一些因子,引起KATP通道开放。由于该通道的密度很高以及弱内向整流特性,在动作电位平台期有大量K+外流,使膜电位复极加速,Ca2+通道失活,APD缩短,甚至使细胞失去兴奋性,从而减弱心肌收缩力和心肌能量消耗,尤其在缺血预适应(ischemicpreconditioning)时。缺血预适应是指由于短暂的、可复性的缺血使心脏对继之再灌注损伤和持续的缺血状态有更强的耐受力,是一种内在的保护性机制,在这个阶段KATP通道的开放起着极其重要的作用。这类K+通道开放剂如nicorandil可非常有效的增强心脏的保护作用。但是,在持续缺血时,该通道的开放可以增加细胞外K+蓄积,细胞膜部分去极化,使快反应细胞转变成慢反应细胞,兴奋的传导速度减慢,是产生折返激动的基础。曾经认为心脏Cl-通道的电生理作用较小,尤其是近年来证实Ito主要是由K+电流形成的。但实际上心脏的Cl-电流还是很重要的,其中以cAMP调节的Cl-通道电流(ICl(cAMP))最为重要。该电流受到β受体/cAMP/PKA通路调节,生理状态下翻转电位为-50mV,静息状态下,Cl-外流,使细胞膜去极化,提高细胞兴奋性;在动作电位平台期Cl-内流,缩短APD。因此,ICl(cAMP)对调节APD起一定的作用。此外,可能还有Ca2+激活的Cl-通道电流,参与Ito的形成。这种通道对Na+、K+、Ca2+的通透性几乎相等,是细胞内Ca2+超负荷时激活的一种内向电流,它与Ca2+激活的Cl-电流、Na+-Ca2+交换电流共同组成瞬间内向电流(Iti),在延迟后除极、触发激动中起重要作用。1.3膜牵张对apd和心肌修复的作用各种类型的细胞都存在有牵张敏感性离子通道,血液动力学改变致心肌重构,以及对细胞的渗透调节(osmoregulation)、内分泌功能(如心房钠肽的分泌)等都起重要的作用。心脏细胞膜牵张敏感性离子通道主要分布在心房,这类通道包括牵张敏感的K+、Cl-通道和非选择性阳离子通道(NSC),后者允许Ca2+和Na+的通透。IK(ATP)和Iks也可因细胞肿胀或膜牵张而被激活。这类离子通道的活动也可改变细胞内离子浓度而影响APD和心肌收缩力,甚至引起心律失常。细胞的牵张敏感性与细胞骨架有关,细胞骨架可将细胞膜的张力改变直接传递给通道蛋白,Spectrin是细胞膜蛋白与肌动蛋白骨架之间的一种蛋白质,可能具有重要的传导媒介作用。1.4sr2+释放通道心肌细胞内肌浆网(sarcoplasmicreticulum,SR)可以摄取、贮存和释放Ca2+,因此在兴奋-收缩偶联中起着极其重要的作用。SR上分布有Ca2+释放通道,ryanodine可与其特异性结合,又称为ryanodine受体。经克隆并DNA测序,现已明确Ca2+释放通道的结构。该通道是一大的蛋白质分子,由5000多个氨基酸组成,包括二个部分,一部分从SR的膜上伸向T管,形成“foot”区。另一部分较小的结构是C端通道区,构成真正的Ca2+释放通道,位于SR膜上,有四个跨膜螺旋。细胞膜去极化时,T管上的L型Ca2+通道开放,Ca2+流入细胞并引起“foot”区分子结构的改变,同时进一步将信号送至Ca2+释放通道,引起通道开放,释放SR内贮存的Ca2+,使胞浆内Ca2+浓度升高,触发细胞收缩。收缩蛋白的松弛主要依赖于SR膜上Ca2+泵的摄取过程,使胞浆内Ca2+浓度降低,这是一耗能的过程,Ca2+泵受到胞浆Ca2+浓度和β肾上腺素能的调节。另外一种位于SR的Ca2+释放通道是IP3受体,它的分子量约为ryanodine受体的一半,但结构非常相似。该受体在正常心脏的Ca2+触发-Ca2+释放过程中所起作用较小,但发生心力衰竭时有ryanodine受体下调和IP3受体上调,此时IP3受体对Ca2+释放,维持胞浆游离Ca2+水平起重要的作用。1.5缝隙连接蛋白的变化在细胞相邻的部位,肌纤维膜进一步特殊分化成闰盘,包括致密连接、桥粒连接和缝隙连接。前二者是肌动蛋白插入或穿过细胞膜形成的,是细胞间的机械连接。后者是细胞之间的微通道(microchannels),传导细胞之间的电活动。心脏同步、有力的收缩活动是在细胞间电活动快速传导的基础上完成的。与细胞膜电阻相比,缝隙连接电阻很低,因此又称为电信号传导的低电阻通路。不同部位心肌细胞的缝隙连接蛋白有不同。心室肌细胞缝隙连接蛋白主要为connexin43(Cx43),形成一个亚基。每一个Cx43有4个跨膜肽段及一很明显的C端。由六个亚单位排列成六边形,构成半通道(hemichannel),也称为connexon,由两相邻细胞共同形成一个完整的通道,中间包绕为水性孔道,允许细胞内离子自由通过。该通道电导对膜电位变化不敏感,但升高细胞内Ca2+或降低细胞内pH值都可以降低缝隙连接电导。不同的心肌组织缝隙连接的分布密度不同,如浦肯野细胞、心室肌细胞的密度明显高于房室结,这也是前者传导速度较后者快的原因之一。同时,缝隙连接在细胞长轴方向的密度、大小均明显高于横轴,因此形成心脏细胞的各向异性传导。1.6na+ca1.6.2和ca2+交换体1.6.1Na+−K+1.6.1Νa+-Κ+泵(或称Na+/KATP酶)在动作电位的除极相和前向Na+-Ca2+交换中有大量的Na+流进细胞,这些Na+必须经Na+-K+泵及时排出,否则可引起细胞内Na+超负荷,并由于渗透压的改变而造成细胞肿胀。细胞内Na+升高或细胞外K+浓度升高都可激活Na+-K+泵,逆电化学梯度将3个Na+排出细胞,同时有2个K+进入细胞,因此是一耗能和产电的过程。Na+-K+泵是由一个α亚基和一个β亚基构成,主要功能由α亚基完成,它大约有6～8个跨膜螺旋。强心甙类药物和K+的结合位点位于细胞外,Na+结合位点在细胞内。强心甙类药物通过阻断Na+-K+泵的活动,增加细胞内Na+浓度,促进Na+-Ca2+交换,增加了细胞内Ca2+,从而产生正性肌力作用。但是若严重阻断Na+-K+泵,使细胞内Ca2+超负荷,则使Ca2+激活的非选择性阳离子通道开放,瞬间内向电流增大,是参与延迟后除极、触发激动的重要电流。1.6.2Na+−Ca1.6.2Νa+-Ca2+交换体Na+-Ca2+交换体对维持正常的心脏动作电位和兴奋收缩偶联都起着重要作用。这是一不耗能的过程,有3个Na+与细胞膜另一侧的1个Ca2+交换,因此是一产电的交换过程。电流方向与Na+流动方向一致,受到膜电位和膜两侧Na+和Ca2+浓度的调节。在细胞膜去极化过程中,由于Na+通道开放Na+内流,细胞内Na+浓度升高,通过Na+-Ca2+交换,促进Na+外流和Ca2+内流,这个方向的交换过程又称为“反向Na+-Ca2+交换”(reverseNa+-Ca2+exchange),也参与触发心脏工作细胞SR释放Ca2+的过程。随着细胞内Ca2+浓度经Na+-Ca2+交换和L型Ca2+通道流入而逐渐升高,产生前向Na+-Ca2+交换(forwordNa+-Ca2+exchange),Na+向内流动,对维持动作电位平台期起一定的作用。2动作电位的形态心脏正常动作电位的形成和传导是由前述众多的离子通道、泵及交换体协调一致的活动而完成的,但在不同的部位由于通道表达的种类或密度不同,形成的动作电位的形态也有所不同。2.10满足动作电位安全的需求心房肌、心室肌细胞及浦肯野细胞复极完成时,膜电位约为-80mV,这类细胞动作电位的0期是由Na+通道开放形成的。当细胞开始去极化时,IK1逐渐减小,达阈电位后Na+通道开放且电导迅速增加,在1ms内就可达到峰值(接近Na+通道的翻转电位,ENa)。动作电位0期的幅度、去极化速度取决于Na+通道开放的数量、细胞膜内外Na+浓度差和细胞膜内外电位差。阈下的去极化电流刺激使细胞膜部分去极化,同时有部分Na+通道失活,再次接受兴奋刺激时,就不能产生快速的内向Na+电流,使兴奋的传导速度减慢。心房肌、心室肌的最大除极速率(dv/dt)约为0.2～0.6m/s,His束-浦肯野系统约为4m/s,这是决定传导速度的主要参数。当细胞膜去极化到-30mV时,ICa(L)被激活,也参与心房肌、心室肌细胞动作电位上升支的形成。窦房结和房室结的最大舒张期电位约为-50～-60mV,动作电位的上升支主要由L型Ca2+通道开放形成。由于Ca2+通道的激活速度很慢,细胞膜去极化的速率及兴奋传导的速度也很慢(0.01～0.1m/s)。在窦房结和房室结的周围区域,动作电位的上升支是由ICa(L)和INa共同形成的。2.21ito的密度和代际分布当动作电位的0相达到峰值时,由于Na+通道失活和Ca2+非依赖型及Ca2+依赖型瞬间外向电流Ito(Ito1,Ito2)的激活,形成早期快速复极期。不同部位心肌细胞的Ito幅度差异很大,使动作电位的形态变异也很大。心房肌、心室肌中层和心外膜侧心肌、浦肯野纤维细胞的Ito密度最高,因此心房肌的APD短;而心室壁中层和外膜侧心肌、浦肯野细胞动作电位1相和2相之间有一下凹的切迹,对形成跨壁复极不均一性有一定的影响。2.32肌质网中ca2+通道的形成以及ca2+通道的激活此期开始时电导仍较高,随即降低。复极缓慢呈平台状,使心脏细胞APD很长,可达数百毫秒。主要是由ICa(L)的失活、IK1减小,以及IK激活(包括Ikr和Iks)共同形成。心率加快时,由于经L型Ca2+通道流入的Ca2+增多,肌质网瞬间释放Ca2+也增多,可加快Ca2+通道失活,缩短APD。平台期的外向电流主要是Ikr和Iks,但是不同部位这种通道的密度不同,比如中层肌细胞的Iks明显较心外膜侧和心内膜侧细胞的Ikr小,因此中层肌细胞的APD显著延长。2.43[k+]0和tp/apd的形成此期的复极速率显著加快,主要参与的电流是IK1和Ikr。这两种电流都有内向整流特性。在膜电位较高时,内向整流作用强,IK1和Ikr都很小。随着平台期主要的ICa(L)减小,IK持续外流,使跨膜电位负值逐渐增大。根据Ikr的电流-电压关系,膜电位复极到0mV以前,Ikr的强度已显著增强,此后IK1明显增加。因此,Ikr控制着快速复极的初始阶段,IK1控制着以后阶段。前已叙及Ikr和IK1的电导都与[K+]0有关。当[K+]0升高时,可加速复极,缩短APD。阻断Ikr的药物如sotalol及其它Ⅲ类抗心律失常药,可明显延长APD。近来的研究发现sotalol也可以使用依赖性的阻断IK1,使APD明显延长。动作电位从0相除极开始到3相复极完成,称为APD。2.54t型ca2+通道对人肺腺癌细胞表达的影响动作电位复极完成后,没有自律性的心房肌、心室肌细胞膜电位稳定在静息电位水平,因此也称为电舒张期。此期内细胞膜Na+-K+泵和其它各种交换体迅速地把动作电位过程中流入细胞的Na+运至细胞外,将流出细胞的K+运至细胞内,同时也将其它跨膜运动的离子恢复至静息状态,以维持细胞膜的兴奋性。具有自律性的心肌细胞如窦房结、房室结、浦肯野细胞,4相的跨膜电位恢复到最大舒张期电位时,又缓慢上升,称为4相自动除极。窦房结和房室结细胞的背景内向整流K+通道很少,因此最大舒张期电位为-50～-60mV,与此相比,浦肯野细胞的该通道密度明显增加,最大舒张期电位达-85mV左右。舒张期自动除极是一复杂的过程。在不同的膜电位水平,有不同的离子参与。当膜电位达到最大舒张期电位时,有三种电流发生变化:①前向Na+-Ca2+交换电流由于[Ca2+]i减少而逐渐减弱,促进了细胞膜进一步超极化;但是,②平台期激活的IK逐渐失活(时间常数约为300ms);③If被激活(时间常数约1～2s)。后二者使内向电流增加。在舒张期自动除极的中段,T型Ca2+通道被激活,使去极化电流增强。在自动除极的后段,L型Ca2+通道逐渐激活,进一步增加内向电流,并引起动作电位的上升支。3心律失常机制3.1其他结构损伤的形成环形折返运动是一类特殊的异常传导形式,可看作兴奋冲动在单向环形通道(环)中传播,使激动又回到它的原发部位,并再次激发同一心肌组织。正常心脏不会发生折返传导,但是,由于心脏复杂的解剖结构、心肌细胞群体及离子通道分布的的多样性、心肌细胞之间的电耦联状态、不同部位肌纤维传导速度的差异、兴奋性的变化和不应期的离散度等都为折返运动提供了可能性。折返激动是多种心律失常的发生机制。形成折返激动的基本条件包括环形传导通路、单向传导阻滞、传导速度减慢。根据折返激动的特点,可分为解剖性折返和功能性折返,后者又可分为主导环折返、各向异性折返及螺旋波折返。解剖性折返是指存在有解剖结构的功能障碍区,即非兴奋区,如疤痕组织、大血管开口、二尖瓣或三尖瓣裂口、房室之间的异常通路等。兴奋可环绕此区传导而形成折返激动,如预激综合征或房室折返性心动过速等。功能性折返的发生不依赖于解剖结构障碍,主要与心脏电生理的特性有关。但是,电生理性质的紊乱有利于解剖性折返的发生。因此,不同类型的折返激动可互相影响,混合出现。影响功能性折返的因素是多方面的。不同部位心肌细胞动作电位形态、离子通道分布都有很大区别。这种离子通道在空间上的分布异质性,以及多种时间依赖性离子通道的恢复过程异质性改变了心脏复极在空间上的同步性,并引起兴奋性和不应期的不均一性。比如,在持续性心肌缺血时,KATP通道开放,大量K+外流,加快心肌复极速率,但缺血局部的血液循环障碍,细胞外K+蓄积,使细胞膜部分去极化。同时还可能有细胞膜非选择性Ca2+依赖性阳离子通道(NSCCa)开放,进一步加重细胞膜去极化,使快内向电流INa失活,而达到慢内向电流ICa(L)开放的阈电位,快反应细胞转变为慢反应细胞,传导速度明显减慢,同时不应期也发生变化。不应期较短的这部分心肌先被激动。之后兴奋再传导至有效不应期较长的心肌,形成了功能性单向传导阻滞。因此,可以认为适合于形成功能性折返激动的电生理基础并不是持续存在,它可以动态的形成、消失或再形成。细胞排列状态也影响兴奋传导的特征。如细胞间的不匹配连接(mismatch)、小直径的细胞与大直径的细胞相连,如浦氏纤维细胞与心室肌细胞之间的连接,使细胞激动产生的电荷不够或刚刚达到引起邻近细胞激动所需的最小电荷量,并达阈电位,从而引起单向传导阻滞或传导减慢。在细胞间耦联状态良好的正常心肌表现有均匀的各向异性传导(uniformanisotropicconduction)。因此,一个方向上的兴奋传导可通过电紧张耦联影响其他方向传导,而提前出现的兴奋在一个方向上发生传导阻滞,在其他方向上也发生阻滞,从而有效的预防了单相传导阻滞的发生。但是,在多种病理状态下,如心肌急性或慢性缺血,都可改变细胞间缝隙连接的分布状态和功能特性,降低细胞间耦联,并形成非均匀的各向异性传导(nonuniformanisotropicconduction)和折返激动的基础。(1)主导环折返阶段原理是指功能性折返激动过程中兴奋波前(wavefront)可有效的作用于兴奋波尾(wavetail)。此时,波尾仍处于相对不应期,兴奋通过该部位时传导速度减慢,并产生环形激动,即主导环折返。它是形成环形激动的最短路径。环路中无可兴奋间隙(excitablegap)存在。因此,环形激动的速度及折返环的长度取决于处于相对不应期心肌的兴奋性和兴奋波前的刺激效能,即动作电位0相上升支的幅度和速度。(2)兴精剂的空间分布指在特定的心肌纤维的形态和排列基础上,兴奋传导各向异性所引起的折返。兴奋的传导速度取决于兴奋波传导的方向、心肌细胞的排列方式和缝隙连接的分布特点。有研究发现心室肌细胞内横向电阻约为纵向电阻的9倍,而兴奋在纵向的传导速度较横向快大约3倍,因此产生兴奋传导在空间上的不统一。在多种病理状态下,如心肌肥大、心肌缺血、甚至随着年龄的增长,心肌组织发生微纤维化等,都可改变细胞之间的排列方式及细胞间缝隙连接的分布,加剧兴奋传导在空间上的不均一性。动作电位沿心肌纤维纵轴平行方向传导速度快,而沿横轴方向的传导明显变慢。由此产生传导减慢和单向传导阻滞,引起折返激动。(3)旋转波的形成近年来,有越来越多的研究认为旋转波折返是功能性折返的最重要的机制。在旋转波形成中,兴奋波前的曲率半径是一重要的影响因素。期前刺激可改变原来平行传导兴奋波的状态,中心断端处的曲率很高,即小的电流源面对大的电流池,使兴奋不能有效扩布,使整个波前峰沿该断点旋转,形成旋转波。旋转波的状态可能是稳定的准周期运动,也可能碎裂成许多不规则运动的旋转波,而形成混沌状态。动物实验证实不同状态的旋转波可解释多种心律失常,包括室性心动过速和心室颤动的发生。3.2引物利用及合理引导g蛋白gi和g亚单位的激活心脏具有自动地、有节律地发生兴奋的功能,称为自律性。心脏的自律性产生于心肌组织中多种有自律功能的细胞,包括窦房结、房室交界区、浦肯野纤维及其传导系统,以及其它组织如冠状窦、右心房下部等。具有自律功能的细胞在舒张期自动的除极。膜电位除极化至阈电位水平时,就可引起动作电位而产生兴奋激动。在生理状态下,窦房结的固有自主节律控制着心脏的活动。当窦房结自主节律性异常升高或降低,则发生窦性心动过速或窦性心动过缓;若窦房结自主节律过低或产生的兴奋冲动不能传导到周围组织,则可能有低位起搏点发放冲动,而产生异位自主节律。在某些病理状态下,原来没有自律性的细胞产生自律性,就可引起心律失常。植物神经系统是调节心脏功能的最重要因素。β受体与肾上腺素能神经递质结合后,促使G蛋白的Gαs与Gβγ亚单位解离。Gαs的直接作用是增加ICa(L)和If,并刺激腺苷酸环化酶,使cAMP升高。cAMP又可反过来刺激ICa(L)和If。它与蛋白激酶A(PKA)亚单位结合,释放PKA催化亚单位,进而使相应的蛋白通道磷酸化,功能增强。cAMP对If的影响是加快舒张期除极的重要因素。因此在任何生理或病理状态下,兴奋交感神经,提高细胞内cAMP水平,都可能引起自律性增强。心脏的M2受体与Ach结合后,也可引起G蛋白Gαi和Gβγ亚单位解离。Gβγ亚单位直接激活窦房结和房室结上分布的KAch通道,使膜电位超极化,降低自律性,并延长房室结传导时间,缩短心房肌动作电位时程。M2受体兴奋后的间接作用是通过激活一氧化碳(NO)合成酶使NO合成增多,再经NO依赖的乌苷酸环化酶的作用使cGMP含量增加,进而激活cGMP敏感的磷酸二脂酶,降低cAMP水平,减小If和ICa(L),减慢舒张期自动除极速率,减慢心率。3.3动作电位复极化和地极化之间的联系不容易造成动作电位复极化后的前除极后除极是细胞膜继动作电位上升支后膜电位震荡,又称震荡性后电位。激动起源于后除极称为触发活动。有两种后除极现象,分别为早期后除极(earlyafterdepolarization,EAD)和延迟后除极(delayedafterdepolarization,DAD),前者发生在动作电位复极化的2相和3相中;后者发生在动作电位复极化完成或接近完成时。任一种后除极只要达到阈电位,就可激活内向电流,产生所谓的触发激动。3.3.1其他抗心律失常药物的机制及其机制凡是能增加细胞膜电位复极化过程中INa、ICa或/和减少IK的因素都可引起复极速率减慢,膜电位不稳,心室壁跨壁及心室间复极化不均一,引发EAD和触发活动。此时所产生的触发性动作电位的上升支可能是由Ca2+所携带,以及部分激活的INa所形成。多发生于心室肌中层细胞(M细胞)及浦肯野纤维