工作心肌细胞的动作电位

第九章心肌的生物电活动图9-1人和哺乳动物血液循环系统组成模式图血液循环的功能1.物质运输2.维持内环境稳态3.调节体温4.内分泌功能第一节心肌细胞的分类及各类心肌细胞的电活动特点一、心肌细胞分类快反应非自律细胞（fastresponsenon-autorhythmiccell）快反应自律细胞（fastresponseautorhythmiccell）慢反应自律细胞（slowresponseautorhythmiccell）房室结区的慢反应细胞具有自律性以前的研究显示，房室结标本不表现自律性。但经过深入研究发现，游离的单个房室结慢反应细胞具有和窦房结细胞相似的自律性。在整体和组织水平上房室结不表现自律性的原因，一是房室结区细胞和房结区细胞与普通心房肌细胞之间的电耦联程度高，一是心房肌细胞的静息电位（-80~-90mV）远负于房室交界区的最大舒张电位（-60~-70mV），因而前者对后者的电紧张影响阻碍了后者的舒张期去极化，致使在体及组织水平的房室结细胞不表现自律性，而仅发挥从心房到心室的的传导作用。因此，应该纠正过去的错误概念（即认为房室结区的慢反应细胞没有自律性）；正确的概念应该是：房室结区的慢反应细胞具有自律性，但在整体和组织水平，这种自律性不表现出来。二、工作心肌细胞的电活动特点（一）内向整流钾通道（IK1）与静息电位静息电位产生的两个关键条件：1.细胞膜内外具有明显K+浓度差2.静息时膜对K+有通透性表9-1心肌细胞内、外几种主要离子的浓度及其平衡电位----------------------------------------------------------------------------------------浓度（mmol/L）离子------------------------------------------平衡电位（mV）细胞内液细胞外液----------------------------------------------------------------------------------------Na+10145+67K+1504-94Ca2+10-41.8+130Cl-20120-47----------------------------------------------------------------------------------------注：表中Ca2+浓度指胞浆内游离Ca2+浓度图9-3.豚鼠心室肌细胞内向整流钾电流IK1上：不同超极化和去极化脉冲引起的IK1离子流（基线以下为内向电流，以上为外向电流）。下：IK1的电流-电压曲线。Em：膜电位。Eth：阈电位（注意去极化时曲线的内向移位）“整流”的概念“整流”（rectification）一词来源于电子学，如人们熟知的二极管的整流作用，可将交流电变为直流电。欧姆定律：I=V/R。当电阻不变时，电流与电压呈正比（直线关系）。如果这种关系不成直线而呈曲线，即为整流。内向整流（inwardrectification）：随着电压的增大而电流的增加量比按直线关系的预期值减少（电流-电压关系曲线向下弯曲）。外向整流（outwardrectification）：随着电压的增大而电流的增加量比预期增大（电流-电压关系曲线向上弯曲）。静息期细胞膜的电活动钠背景电流（Na+backgroundcurrent）：部分抵消了细胞内的负电荷，可能是静息电位实测值低于理论值的重要原因之一。钠-钾泵（sodium-potassiumpump）活动：钠-钾泵活动时，通过耗能将细胞内多余的Na+驱出细胞，将部分动作电位期间流到细胞外的K+泵入细胞内。钠-钾泵活动时泵出的Na+数多于泵入的K+数，于是形成一个外向电流，称为泵电流（pumpcurrent,Ipump），这种泵电流使膜电位发生一定程度的超极化，但一般不超过10mV。钠-钙交换：由钠-钙交换体（Na+-Ca2+exchanger）介导，是3个Na+和1个Ca2+的跨膜交换，因而也是一种电荷不对称性交换，具有生电性。（二）工作心肌细胞的动作电位分0、1、2、3、4期去极相（0期）复极相（1、2、3、4期）具有较长的平台期和有效不应期，因此心肌不会发生强直收缩，动作电位时程（actionpotentialduration,APD）可达200ms以上。动作电位幅度（actionpotentialamplitude，APA）（可达120mV），超射（overshoot）约30mV图9-4心肌细胞动作电位模式图A：心室肌；B：窦房结；C：心房肌横轴：B的扫描速度为A、C的一半图9-5.人右心室心外膜下（A）、中层（B）和心内膜下（C）心肌细胞动作电位可见各层心肌的动作电位形态有差异，且动作电位时程随刺激频率（Hz）的加快而缩短。图9-2.心脏特殊传导组织、各部位心肌细胞动作电位图形特点及其与心电图波形的关系图中数字表示窦房结的兴奋冲动传至心脏不同部位时所需要的时间（秒）（3）去极化和快钠离子流：电压门控钠通道（voltage-gatedNa+channel，INa通道）开放，Na+快速流入细胞阈电位（thresholdpotential）约为-70mV钠通道的三种功能状态：备用（静息）：通道关闭，但受到刺激可以开放。包括复活（reactivation）状态。激活：开放失活：通道处于不仅关闭、而且受到刺激也不能开放。失活的快钠通道的再度开启钠通道阻断剂：河豚毒（TTX）图9-6.小鼠心室肌细胞快钠电流图示不同的去极化箝制电压引起不同大小的快钠内流（4）复极化及其离子流机制：1）1期（phase1）复极化：主要由瞬时外向离子流（transientoutwardcurrent，Ito），Ito的载荷离子是K+。INa通道的失活和Ito通道的激活共同形成了1期。Ito通道也具有激活门和失活门，通道在激活后很快就失活关闭，故名“瞬时性”通道。图9-7.大鼠心室肌细胞的Ito电流图示不同的去极化箝制电压引起不同水平的Ito电流，其中Ito2成分已被消除Ito通道亚型：Ito1（Ito-f）：是上述Ito的快成分和主要成分，其选择性阻断剂是4-氨基吡啶（4-aminopyridine，4-AP）。Ito1通道由Kv4.2或/和Kv4.3蛋白构成通道孔洞。Ito2（Ito-s）：是Ito的慢成分，Ito2通道是一种钙激活氯通道，即由细胞内Ca2+浓度增加而激活的Cl-流（ICl-Ca），可被氯通道阻断剂阻断。Ito2的电流微弱且短暂，可能和1期与2期的切迹形成有关。但在细胞内钙超载时，Ito2幅值增大，使动作电位时程缩短，从而减少L-型钙离子流内流的时间，从而减少Ca2+内流量。这可能是缓冲胞内钙超载的一种负反馈机制。2）2期复极化：很缓慢，形成平台（plateau），也称为平台期（plateauphase）。主要离子流：L型钙电流（long-lastingCa2+current，L-typeCa2+current，ICa-L）：Ca2+内流：IK1：由于IK1通道的内向整流特性，阻止了K+的进一步外流，从而使动作电位2期内少量的Ca2+内流就使膜电位保持在去极化状态的平台，甚或向上隆起形成圆顶。随着动作电位复极化到接近静息电位时，内向整流现象解除，K+又可经IK1通道外流而加速最后的复极化过程。延迟整流钾电流（delayedrectifierK+current,IK）图9-9.心室肌细胞动作电位时程中ICa-L幅值的变化图9-8.心室肌细胞动作电位时程中IK1幅值的变化注：由于内向整流特性，从动作电位去极化到平台期，IK1幅值锐减；在3期后期，内向整流现象消除，而驱使IK1外流的动力大于静息状态，所以IK1幅值暂时超过正常。3）3期复极化约需100~150ms3期复极化主要是由于Ca2+内流逐渐停止和K+外流逐渐增加所致延迟整流钾通道（delayedrectifierK+channel，IK通道）是3期K+外流的主要通道图9-10.狗心室肌细胞动作电位复极化过程中延迟整流钾电流IKr和IKs幅值的变化IK通道亚型：•快速延迟整流钾通道（rapiddelayedrectifierK+channel，IKr通道）：IKr通道蛋白中组成通道孔洞的亚基（a亚基）由HERG基因编码，HERG基因突变可导致Ⅱ型长QT综合征。IKr的选择性阻断剂是E-4031。2.缓慢延迟整流钾通道（slowdelayedrectifierK+channel，IKs通道）：人类IKs通道的a亚基由KvLQT1基因编码，而辅助亚基由Mink基因编码；KvLQT1基因的某种突变会导致I型长QT综合征；Mink基因突变可导致V型长QT综合征。IKr通道和IKs通道是完全不同的两种通道，因二者在启闭动力学上有某种重叠，因而如果不用选择性阻断剂加以区分，可记录到一个IKr和IKs的混合电流。IKr的电流幅值远大于IKs，且二者的激活速率快慢有差别。4）4期（静息期）此时膜电位复极化至静息电位并稳定在此电位水平离子泵（特别是钠-钾泵和钙泵）离子交换体（如钠-钾交换体，钠-钙交换体等）将Na+移出，并将流至膜外的K+移入，将胞质内升高的Ca2+移出细胞或/和移入肌质网的钙池，使胞质内的离子水平恢复到高钾、低钠和低钙的静息正常水平。图9-11心室肌细胞跨膜电位形成的离子流基础示意图注：在基线以下的离子流为内向电流，在在基线以上的离子流为外向电流；INa/Ca基本上是内向电流，只有在动作电位去极化时反转，成为一过性外向电流。三、自律心肌细胞的电活动（二）自律心肌细胞的舒张期自动去极化活动•If通道与快反应自律细胞的舒张期自动去极化最大舒张电位（maximaldiastolicpotential）普肯耶细胞的舒张期自动去极化机制：现在认为是If（内向电流）和IK（外向电流）共同作用的结果，但以If为主If通道：在超极化时激活，是一种超极化激活的阳离子通道（hyperpolarization-activatedcationchannel，Ihchannel），允许Na+和K+通过，因此If电流是一种内向Na+流和外向K+流的混合离子流，但以Na+内流为主图9-12普肯耶细胞起搏原理示意图上：普肯耶细胞跨膜电位；下：A代表If的离子电导；B代表IK的钾电导图9-13人窦房结起搏细胞的If离子流A：上为阶梯式箝制电压，下为记录到的If电流。B：If的电流-电压曲线，Istep为阶梯式电压刺激引起的If电流，Itail为尾流2.慢反应自律细胞的舒张期自动去极化机制至少与IK、If和ICa-L三种离子流有关：（1）IK电流的去激活衰减：外向电流（2）If离子流的激活：Na+内流为主，K+外流为辅。P细胞的If电流幅值远小于普肯耶细胞（3）ICa-T离子流（transientCa2+current，T-typeCa2+current，ICa-T）：ICa-T通道的激活电位约为-50mV，ICa-T通道开放后形成一个短暂、微弱的内向Ca2+电流，可能参与P细胞的起搏活动。阻断剂：Ni2+和miberfradil图9-14窦房结P细胞舒张期去极化和动作电位发生原理示意图（引自姚泰：《生理学》第一版，北京，人民卫生出版社，2005）第二节心肌的电生理学特性兴奋性传导性自律性机械特性：收缩性电生理学特性一、心肌的兴奋性（一）心肌的兴奋性取决于:1.离子通道的性状2.静息电位（或最大舒张电位）和阈电位之间的差值（二）心肌的兴奋性在整个动作电位过程中呈现规律性的变化绝对不应期（absoluterefractoryperiod,ARP）有效不应期（effectiverefractoryperiod,ERP）相对不应期（relativerefractoryperiod,RRP）超常期（supernormalperiod,SNP）图9-15心室肌细胞动作电位过程中兴奋性的变化及其与机械收缩的关系A：动作电位