心肌的生物電現(xiàn)象和生理特性(心肌細(xì)胞,心臟特殊傳導(dǎo)系統(tǒng),生物電現(xiàn)象,跨膜電位,自律細(xì)胞)

( 關(guān)鍵詞：心肌細(xì)胞；心臟特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)；生物電現(xiàn)象；跨膜電位；自律細(xì)胞；電生理特性；興奮性；自動(dòng)節(jié)律性；跨膜離子流；體表心電圖；自主神經(jīng) )

心房和心室不停歇地進(jìn)行有順序的、協(xié)調(diào)的收縮和舒張交替的活動(dòng)，是心臟實(shí)現(xiàn)泵血功能、推動(dòng)血液循環(huán)的必要條件，而細(xì)胞膜的興奮過(guò)程則是觸發(fā)收縮反應(yīng)的始動(dòng)因素。本節(jié)需要闡述的問(wèn)題是：引起心臟收縮活動(dòng)的興奮來(lái)自何處？為什么心臟四個(gè)腔室能夠作協(xié)調(diào)的收縮活動(dòng)？為什么心臟的收縮活動(dòng)始終是收縮和舒張交替而不出現(xiàn)強(qiáng)直收縮？要回答這些問(wèn)題，必須了解心肌的生理特性，主要是心肌興奮和興奮傳導(dǎo)的特征。興奮和傳導(dǎo)是以細(xì)胞膜的生物電活動(dòng)為基礎(chǔ)的。因此，首先敘述心肌細(xì)胞的生物電現(xiàn)象，然后，根據(jù)生物電現(xiàn)象分析敘述心肌興奮和興奮傳播的規(guī)律和生理意義。

　　心肌細(xì)胞的類型組成心臟的心肌細(xì)胞并不是同一類型的，根據(jù)它們的組織學(xué)特點(diǎn)、電生理特性以及功能上的區(qū)別，粗略地分為兩大類型：兩類心肌細(xì)胞分別實(shí)現(xiàn)一定的職能，互相配合，完成心臟的整體活動(dòng)。一類是普通的心肌細(xì)胞，包括心房肌和心室肌，含有豐富的肌原纖維，執(zhí)行收縮功能，故又稱為工作細(xì)胞。工作細(xì)胞不能自動(dòng)地產(chǎn)生節(jié)律性興奮，即不具有自動(dòng)節(jié)律性；但它具有興奮性，可以在外來(lái)刺激作用下產(chǎn)生興奮；也具有傳導(dǎo)興奮的能力，但是，與相應(yīng)的特殊傳導(dǎo)組織作比較，傳導(dǎo)性較低。另一類是一些特殊分化了的心肌細(xì)胞，組成心臟的特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)；其中主要包括P細(xì)胞和哺肯野細(xì)胞，它們除了具有興奮性和傳導(dǎo)性之外，還具有自動(dòng)產(chǎn)生節(jié)律性興奮的能力，故稱為自律細(xì)胞，它們含肌原纖維甚小或完全缺乏，故收縮功能已基本喪失。還有一種細(xì)胞位于特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)區(qū)，既不具有收縮功能，也沒(méi)有自律性，只保留了很低的傳導(dǎo)性，是傳導(dǎo)系統(tǒng)中的非自律細(xì)胞，特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)是心臟內(nèi)發(fā)生興奮和傳播興奮的組織，起著控制心臟節(jié)律性活動(dòng)的作用。

　　心臟特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)的組成和分布心臟的特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)由不同類型的特殊分化的心肌細(xì)胞所組成。包括竇房結(jié)、房室交界、房室束和末梢浦肯野纖維網(wǎng)（圖4-5)。

　　竇房結(jié)：位于右心房和上腔靜脈連接處，主要含有P細(xì)胞和過(guò)渡細(xì)胞。P細(xì)胞是自律細(xì)胞，位于竇房結(jié)中心部分；過(guò)渡細(xì)胞位于周邊部分，不具有自律性，其作用是將P細(xì)胞自動(dòng)產(chǎn)生的興奮向外傳播到心房肌。

　　房室交界：又稱為房室結(jié)區(qū)，是心房與心室之間的特殊傳導(dǎo)組織，是心房興奮傳入心室的通道。房室交界主要包括以下三個(gè)功能區(qū)域：

　　房結(jié)區(qū)：位于心房和結(jié)區(qū)之間，具有傳導(dǎo)性和自律性。

　　結(jié)區(qū)：相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡所見(jiàn)的房室結(jié)，具有傳導(dǎo)性，無(wú)自律性。

　　結(jié)希區(qū)：位于結(jié)區(qū)和希氏束之間，具有傳導(dǎo)性和自律性。

　　房室束（又稱希氏束)及其分支：房室束走行于室間隔內(nèi)，在室間隔膜部開(kāi)始分為左右兩支，右束支較細(xì)，沿途分支少，分布于右心室，左束支呈帶狀，分支多，分布于左心室，房室束主要含浦肯野細(xì)胞。

圖4-5 心臟各部分心肌細(xì)胞的跨膜電位和興奮傳導(dǎo)速度

SAM：竇房結(jié) AM：心房肌 AVN；結(jié)區(qū) BH：希氏束 PE；哺肯野纖維

TPF：末梢浦肯野纖維 VM：心室肌 傳導(dǎo)速度單位m/s

　　浦肯野纖維網(wǎng)：是左右束支的最后分支，由于分支很多，形成網(wǎng)狀，密布于左右心室的心內(nèi)膜下，并垂直向心外膜側(cè)伸延，再與普通心室肌細(xì)胞相連接。房室束及末梢浦肯野纖維網(wǎng)的作用，是將心房傳來(lái)的興奮迅速傳播到整個(gè)心室。

　　關(guān)于是否存在心房傳導(dǎo)束的問(wèn)題，爭(zhēng)論很多。60年代，Janes提出在竇房結(jié)和房室結(jié)區(qū)之間有三條由浦肯野細(xì)胞構(gòu)成的心房傳導(dǎo)束，分別稱前、中、后結(jié)間束，其興奮傳導(dǎo)速度比一般心房肌為快。但是，近20年來(lái)的研究未能證實(shí)心房?jī)?nèi)有形態(tài)結(jié)構(gòu)上不同于心房（工作)細(xì)胞的特殊傳導(dǎo)組織組成的心房傳導(dǎo)束存在；另一方面，研究結(jié)果表明，在右心房的某些部位（如卵圓窩前方和界嵴處)心房肌纖維排列方向一致，結(jié)構(gòu)整齊，因此其傳導(dǎo)速度較其它部位心房�。ㄟ@些心房肌被右心房壁上腔靜脈開(kāi)口卵圓窩所形成的孔穴所分割，形成斷續(xù)狀)為快，從而在功能上構(gòu)成了將竇房結(jié)興奮快速傳播到房室交界處的所謂優(yōu)勢(shì)傳導(dǎo)通路（preferential pathway) 。

　　一、心肌細(xì)胞的生物電現(xiàn)象

　　與骨骼肌相比，心肌細(xì)胞的跨膜電位在波形上和形成機(jī)制上要復(fù)雜得多；不但如此，上述不同類型的心肌細(xì)胞的跨膜電位（圖4-5)，不僅幅度和持續(xù)時(shí)間各不相同，而且波形和形成的離子基礎(chǔ)也有一定的差別；各類心肌細(xì)胞電活動(dòng)的不一致性，是心臟興奮的產(chǎn)生以及興奮向整個(gè)心臟傳播過(guò)程中表現(xiàn)出特殊規(guī)律的原因。

　�。ㄒ�)工作細(xì)胞的跨膜電位及其形成機(jī)制

　　1．靜息電位和動(dòng)作電位人和哺乳動(dòng)物的心室肌細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞一樣，在靜息狀態(tài)下膜兩側(cè)呈極化狀態(tài)，膜內(nèi)電位比膜外電位約低90mV，但兩者的動(dòng)作電位有明顯不同。骨骼肌細(xì)胞動(dòng)作電位的時(shí)程很短，僅持續(xù)幾個(gè)毫秒，復(fù)極速度與去極速度幾乎相等，記錄曲線呈升支和降支基本對(duì)稱的尖鋒狀。心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位的主要特征在于復(fù)極過(guò)程比較復(fù)雜，持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，動(dòng)作電位降支與升支很不對(duì)稱。通常用0、1、2、3、4等數(shù)字分別代表心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位和靜息電位的各個(gè)時(shí)期。

　　（1)除極（去極)過(guò)程：除極過(guò)程又稱0期。在適宜的外來(lái)刺激作用下，心室肌細(xì)胞發(fā)生興奮，膜內(nèi)電位由靜息狀態(tài)下的-90mV迅速上升到+30mV左右，即肌膜兩側(cè)原有的極化狀態(tài)被消除并呈極化倒轉(zhuǎn)，構(gòu)成動(dòng)作電位的升支。除極相很短暫，僅占1-2ms，而且除極幅度很大，為120mV；可見(jiàn)，心室肌細(xì)胞的除極速度很快，膜電位的最大變化速率可達(dá)800-1000V/s。

　�。�2)復(fù)極過(guò)程：當(dāng)心室細(xì)胞除極達(dá)到頂峰之后，立即開(kāi)始復(fù)極，但整個(gè)復(fù)極過(guò)程比較緩慢，包括電位變化曲線的形態(tài)和形成機(jī)制均不相同的三個(gè)階段：

　　1期復(fù)極：在復(fù)極初期，僅出現(xiàn)部分復(fù)極，膜內(nèi)電位由+30mV迅速下降到0mV左右，故1期又稱為快速?gòu)?fù)極初期，占時(shí)約10ms。0期除極和1期復(fù)極這兩個(gè)時(shí)期的膜電位的變化速度都很快，記錄圖形上表現(xiàn)為尖鋒狀，故在心肌細(xì)胞習(xí)慣上常把這兩部分合稱為鋒電位。

　　2期復(fù)極：當(dāng)1期復(fù)極膜內(nèi)電位達(dá)到0mV左右之后，復(fù)極過(guò)程就變得非常緩慢，膜內(nèi)電位基本上停滯于0mV左右，細(xì)胞膜兩側(cè)呈等電位狀態(tài)，記錄圖形比較平坦，故復(fù)極2期又稱為坪或平臺(tái)期，持續(xù)約100-150ms，是整個(gè)動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的主要原因，是心室肌細(xì)胞以及其它心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位區(qū)別于骨骼肌和神經(jīng)纖維的主要特征。

　　3期復(fù)極；2期復(fù)極過(guò)程中，隨著時(shí)間的進(jìn)展，膜內(nèi)電位以較慢的速度由0mV逐漸下降，延續(xù)為3期復(fù)極，2期和3期之間沒(méi)有明顯的界限。在3期，細(xì)胞膜復(fù)極速度加快，膜內(nèi)電位由0mV左右較快地下降到-90mV，完成復(fù)極化過(guò)程，故3期又稱為快速?gòu)?fù)極末期，占時(shí)約100-150ms 。

　　4期：4期是膜復(fù)極完畢、膜電位恢復(fù)后的時(shí)期。在心室肌細(xì)胞或其它非自律細(xì)胞，4期內(nèi)膜電位穩(wěn)定于靜息電位水平，因此，4期又可稱為靜息期。

　　2．形成機(jī)制與骨骼肌一樣，離子在細(xì)胞膜兩側(cè)不均勻分布所形成的濃度梯度（濃度差)（表4-1)、驅(qū)動(dòng)相應(yīng)離子經(jīng)過(guò)當(dāng)時(shí)開(kāi)放的細(xì)胞膜上特殊離子通道的跨膜擴(kuò)散，是心肌細(xì)胞跨膜電位形成的主要基礎(chǔ)，只是由于心肌細(xì)胞膜上具有數(shù)目較多的離子通道，跨膜電位形成機(jī)制中涉及的離子流遠(yuǎn)比骨骼肌要復(fù)雜得多。在電生理學(xué)中，電流的方向以正離子在膜兩側(cè)的流動(dòng)方向來(lái)命名，正離子外流或負(fù)離子內(nèi)流稱外向電流，正離子內(nèi)流或負(fù)離子外流稱內(nèi)向電流。外向電流導(dǎo)致膜內(nèi)電位向負(fù)電性轉(zhuǎn)化，促使膜復(fù)極，內(nèi)向電流導(dǎo)致膜內(nèi)電位向正電性轉(zhuǎn)化，促使膜除極。

表4-1 心肌細(xì)胞中各種主要離子的濃度及平衡電位值

離 子	濃度（mmo1/L) 細(xì)胞內(nèi)液 細(xì)胞外液		內(nèi)/外比值	平衡電位（mV) (由Nernst公式計(jì)算)
Na+	30	140	1:4,6	+41
K+	140	4	35:1	-94
Ca2+	10-4	2	1:20,000	+132
CI-	30	104	1:3.5	-33

　　除離子跨膜擴(kuò)散之外，由細(xì)胞上離子泵所實(shí)現(xiàn)的離子主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和離子交換，在心肌細(xì)胞電活動(dòng)中也占有重要地位。

　　心室肌細(xì)胞靜息電位的形成機(jī)制與骨骼肌相同，也就是說(shuō)，盡管肌膜兩側(cè)上述幾種離子都存在有濃度梯度，但靜息狀態(tài)下肌膜對(duì)K⁺的通透性較高，而對(duì)其它離子的通透性很低，因此，K⁺順其濃度梯度由膜內(nèi)向膜外擴(kuò)散所達(dá)到的平衡電位，是靜息電位的主要來(lái)源。

　　肌膜鈉通道的大量開(kāi)放和膜兩側(cè)濃度梯度及電位梯度的驅(qū)動(dòng)從而出現(xiàn)Na⁺快速內(nèi)流，是心室肌細(xì)胞0期去極形成的原因。進(jìn)一步對(duì)整個(gè)去極過(guò)程進(jìn)行分析就可以看到，與骨骼肌一樣，在外來(lái)刺激作用下，首先引起部分電壓門(mén)控式Na⁺通道開(kāi)放和少量Na⁺內(nèi)流，造成肌膜部分去極化，膜電位絕對(duì)值下降；而當(dāng)膜電位由靜息水平（膜內(nèi)-90mV)去極化到閾電位水平（膜內(nèi)-70mV)時(shí)，膜上Na⁺通道開(kāi)放概率明顯增加，出現(xiàn)再生性Na⁺內(nèi)流（參看第二章)，于是Na⁺順其濃度梯度和電位梯度由膜外快速進(jìn)入膜內(nèi)，進(jìn)一步使膜去極化，膜內(nèi)電位向正電性轉(zhuǎn)化。決定0期去極的Na⁺通道是一種快通道，它不但激活、開(kāi)放的速度很快，而且激活后很快就失活，當(dāng)膜除極到一定程度（omV左右)時(shí)，Na⁺通道就開(kāi)始失活而關(guān)閉，最后終止Na⁺的繼續(xù)內(nèi)流�？霳a⁺通道可被河豚毒（TTX)所阻斷。由于Na⁺通道激活速度非常之快，又有再生性循環(huán)出現(xiàn)，這就是心室肌細(xì)胞0期去極速度很快，動(dòng)作電位升支非常陡峭的原因。正因?yàn)槿绱�，從電生理特性上，尤其是根�?jù)0期除極的速率，將心室肌細(xì)胞（以及具有同樣特征的心肌細(xì)胞)稱為快反應(yīng)細(xì)胞，其動(dòng)作電位稱為快反應(yīng)電位，以區(qū)別于以后將要介紹的慢反應(yīng)細(xì)胞和慢反應(yīng)電位。

　　復(fù)極1期是在0期除極之后出現(xiàn)的快速而短暫的復(fù)極期，此時(shí)快鈉通道已經(jīng)失活，同時(shí)激活一種一過(guò)性外向電流（Ito)，從而使膜迅速?gòu)?fù)極到平臺(tái)期電位水平（0～-20mV)。至于Ito的離子成分，70年代曾認(rèn)為是Cl^-（即Cl^-內(nèi)流)。近年來(lái)，根據(jù)Ito可被四乙基銨和4-氨基吡啶等K⁺通道阻滯劑所阻斷的研究資料，認(rèn)為K⁺才是Ito的主要離子成分。也就是說(shuō)，由K⁺負(fù)載的一過(guò)性外向電流是動(dòng)作電位初期快速?gòu)?fù)極的主要原因。目前對(duì)Ito的通道特征尚不十分清楚，但有資料提示，膜除極和細(xì)胞內(nèi)Ca²⁺都可以使Ito的通道激活。

　　平臺(tái)期初期，膜電位穩(wěn)定于0mV左右，隨后才非常緩慢地復(fù)極。膜電位的這種特征是由于平臺(tái)期同時(shí)有內(nèi)向電流和外向電流存在，初期，兩種電流處于相對(duì)平衡狀態(tài)，隨后，內(nèi)向電流逐漸減弱，外向電流逐漸增強(qiáng)，總和的結(jié)果是出現(xiàn)一種隨時(shí)間推移而逐漸增強(qiáng)的、微弱的外向電流，導(dǎo)致膜電位緩慢地向膜內(nèi)負(fù)電性轉(zhuǎn)化。電壓鉗研究結(jié)果表明，在心室肌等快反應(yīng)細(xì)胞，平臺(tái)期外向離子流是由K⁺攜帶的（稱I_k1)。靜息狀態(tài)下，K⁺通道的通透性很高，在0期除極過(guò)程中，K⁺的通透性顯著下降，K⁺外流大大減少，除極相結(jié)束時(shí)，K⁺的通透性并不是立即恢復(fù)到靜息狀態(tài)下的那種高水平，而是極其緩慢地、部分地恢復(fù)，K⁺外流也就由初期的低水平而慢慢增加（圖4-6)。平臺(tái)期內(nèi)向離子流主要是由Ca²⁺(以及Na⁺)負(fù)載的。已經(jīng)證明，心肌細(xì)胞膜上有一種電壓門(mén)控式的慢Ca²⁺通道，當(dāng)膜除極到-40mV時(shí)被激活，Ca²⁺順其濃度梯度向膜內(nèi)緩慢擴(kuò)散從而傾向于使膜除極，與此同時(shí)，上述微弱的K⁺外流傾向于使膜復(fù)極化，在平臺(tái)期早期，Ca²⁺的內(nèi)流和K⁺的外流所負(fù)載的跨膜正電荷時(shí)相等，膜電位穩(wěn)定于1期復(fù)極所達(dá)到的電位水平。隨著時(shí)間推移，Ca²⁺通道逐漸失活，K⁺外流逐漸增加，其結(jié)果，出膜的凈正電荷量逐漸增加，膜內(nèi)電位于是逐漸下降，形成平臺(tái)期晚期。此后，Ca²⁺通道完全失活，內(nèi)向離子流終止，外向K⁺流進(jìn)一步增強(qiáng)，平臺(tái)期延續(xù)為復(fù)極3期，膜電位較快地回到靜息水平，完成復(fù)極化過(guò)程。

圖4-6 心室肌細(xì)胞跨膜電位及其形成的離子機(jī)制

RMP：靜息膜電位 TP ：閾電位

　　肌膜上有Ca²⁺通道，是心室肌細(xì)胞和其它心肌細(xì)胞的重要特征。大量研究表明：①?gòu)囊粋�(gè)心肌細(xì)胞的總體而言（不是從單個(gè)通道而言)，Ca²⁺通道的激活、失活，以及再?gòu)?fù)活所需時(shí)間均比Na通道要長(zhǎng)，經(jīng) Ca²⁺通道跨膜的Ca²⁺內(nèi)流，起始慢，平均持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。因此相應(yīng)稱為慢通道和慢內(nèi)向離子流；②慢通道也是電壓門(mén)控式的，激活慢通道的閾電位水平（-50～-35mV)高于快Na通道（-70～-55mV)；③它對(duì)某些理化因素的敏感性和反應(yīng)性不同于快通道，可被Mn²⁺和多種Ca²⁺阻斷劑（如異博定，D-600等)所阻斷，而對(duì)于可以阻斷快通道的河豚毒和細(xì)胞膜的持續(xù)低極化狀態(tài)（膜內(nèi)電位-50Mv左右)卻并不敏感。各種心肌細(xì)胞的肌膜上都具有這種慢通道，由此形成的跨膜離子流，是決定心肌細(xì)胞電活動(dòng)以及心室肌等快反應(yīng)細(xì)胞動(dòng)作電位平臺(tái)期的最重要的內(nèi)向離子流之一。醫(yī)學(xué)全在線網(wǎng)站gydjdsj.org.cn

　　平臺(tái)期之后，膜的復(fù)極逐漸加速，因此時(shí)Ca²⁺通道已經(jīng)失活，在平臺(tái)期已經(jīng)激活的外向K⁺流出現(xiàn)隨時(shí)間而遞增的趨勢(shì)。其原因是，3期的復(fù)極K⁺流是再生性的，K+的外流促使膜內(nèi)電位向負(fù)電性轉(zhuǎn)化，而膜內(nèi)電位越負(fù)，K+外流就越增高。這種正反饋過(guò)程，導(dǎo)致膜的復(fù)極越來(lái)越快，直至復(fù)極化完成。

　　在4期內(nèi)，心室肌細(xì)胞膜電位基本上穩(wěn)定于靜息電位水平，但是，離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)仍然在活躍進(jìn)行。因?yàn)�，�?dòng)作電位期間有Na⁺和Ca²⁺進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而K⁺外流出細(xì)胞，因此，只有從細(xì)胞內(nèi)排出多余的Na⁺和Ca²⁺，并攝入K⁺才能恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)外離子的正常濃度梯度，保持心肌細(xì)胞的正常興奮性。這種離子轉(zhuǎn)運(yùn)是逆著濃度梯度進(jìn)行的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。像骨骼肌一樣，通過(guò)肌膜上Na⁺-K⁺泵的作用，將Na⁺的外運(yùn)和K+的內(nèi)運(yùn)互相耦聯(lián)形成Na⁺-K⁺轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Na⁺和K⁺的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。關(guān)于主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)Ca²⁺的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，還沒(méi)有完全弄清楚。目前大多數(shù)作者認(rèn)為，Ca²⁺的逆濃度梯度的外運(yùn)是與Na⁺的順濃度的內(nèi)流相耦合進(jìn)行的。形成Na⁺-Ca²⁺交換。Ca²⁺的這種主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是由Na⁺ 的內(nèi)向性濃度梯度提供能量的，由于Na⁺內(nèi)向性濃度梯度的維持是依靠Na⁺-K⁺泵而實(shí)現(xiàn)的，因此，Ca²⁺主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)也是由Na⁺-K⁺泵提供能量的。在4期開(kāi)始后，膜的上述主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)功能加強(qiáng)，細(xì)胞內(nèi)外離子濃度梯度得以恢復(fù)�？偟膩�(lái)看，這時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程引起的跨膜交換的電荷量基本相等，因此，膜電位不受影響而能維持穩(wěn)定。

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