《生理学》 > 第四章 血液循环

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心房和心室不停歇地进行有顺序的、协调的收缩和舒张交替的活动,是心脏实现泵血功能、推动血液循环的必要条件,而细胞膜的兴奋过程则是触发收缩反应的始动因素。本节需要阐述的问题是:引起心脏收缩活动的兴奋来自何处?为什么心脏四个腔室能够作协调的收缩活动?为什么心脏的收缩活动始终是收缩和舒张交替而不出现强直收缩?要回答这些问题,必须了解心肌的生理特性,主要是心肌兴奋和兴奋传导的特征。兴奋和传导是以细胞膜的生物电活动为基础的。因此,首先叙述心肌细胞的生物电现象,然后,根据生物电现象分析叙述心肌兴奋和兴奋传播的规律和生理意义。

心肌细胞的类型组成心脏的心肌细胞并不是同一类型的,根据它们的组织学特点、电生理特性以及功能上的区别,粗略地分为两大类型:两类心肌细胞分别实现一定的职能,互相配合,完成心脏的整体活动。一类是普通的心肌细胞,包括心房肌和心室肌,含有丰富的肌原纤维,执行收缩功能,故又称为工作细胞。工作细胞不能自动地产生节律性兴奋,即不具有自动节律性;但它具有兴奋性,可以在外来刺激作用下产生兴奋;也具有传导兴奋的能力,但是,与相应的特殊传导组织作比较,传导性较低。另一类是一些特殊分化了的心肌细胞,组成心脏的特殊传导系统;其中主要包括P细胞和哺肯野细胞,它们除了具有兴奋性和传导性之外,还具有自动产生节律性兴奋的能力,故称为自律细胞,它们含肌原纤维甚小或完全缺乏,故收缩功能已基本丧失。还有一种细胞位于特殊传导系统的结区,既不具有收缩功能,也没有自律性,只保留了很低的传导性,是传导系统中的非自律细胞,特殊传导系统是心脏内发生兴奋和传播兴奋的组织,起着控制心脏节律性活动的作用。

心脏特殊传导系统的组成和分布心脏的特殊传导系统由不同类型的特殊分化的心肌细胞所组成。包括窦房结、房室交界、房室束和末梢浦肯野纤维网(图4-5)。

窦房结:位于右心房和上腔静脉连接处,主要含有P细胞和过渡细胞。P细胞是自律细胞,位于窦房结中心部分;过渡细胞位于周边部分,不具有自律性,其作用是将P细胞自动产生的兴奋向外传播到心房肌。

房室交界:又称为房室结区,是心房与心室之间的特殊传导组织,是心房兴奋传入心室的通道。房室交界主要包括以下三个功能区域:

房结区:位于心房和结区之间,具有传导性和自律性。

结区:相当于光学显微镜所见的房室结,具有传导性,无自律性。

结希区:位于结区和希氏束之间,具有传导性和自律性。

房室束(又称希氏束)及其分支:房室束走行于室间隔内,在室间隔膜部开始分为左右两支,右束支较细,沿途分支少,分布于右心室,左束支呈带状,分支多,分布于左心室,房室束主要含浦肯野细胞。

心脏各部分心肌细胞的跨膜电位和兴奋传导速度

图4-5 心脏各部分心肌细胞的跨膜电位和兴奋传导速度

SAM:窦房结 AM:心房肌 AVN;结区 BH:希氏束 PE;哺肯野纤维

TPF:末梢浦肯野纤维 VM:心室肌传导速度单位m/s

浦肯野纤维网:是左右束支的最后分支,由于分支很多,形成网状,密布于左右心室的心内膜下,并垂直向心外膜侧伸延,再与普通心室肌细胞相连接。房室束及末梢浦肯野纤维网的作用,是将心房传来的兴奋迅速传播到整个心室。

关于是否存在心房传导束的问题,争论很多。60年代,Janes提出在窦房结和房室结区之间有三条由浦肯野细胞构成的心房传导束,分别称前、中、后结间束,其兴奋传导速度比一般心房肌为快。但是,近20年来的研究未能证实心房内有形态结构上不同于心房(工作)细胞的特殊传导组织组成的心房传导束存在;另一方面,研究结果表明,在右心房的某些部位(如卵圆窝前方和界嵴处)心房肌纤维排列方向一致,结构整齐,因此其传导速度较其它部位心房肌(这些心房肌被右心房壁上腔静脉开口卵圆窝所形成的孔穴所分割,形成断续状)为快,从而在功能上构成了将窦房结兴奋快速传播到房室交界处的所谓优势传导通路(preferential pathway) 。

 

一、心肌细胞的生物电现象

与骨骼肌相比,心肌细胞的跨膜电位在波形上和形成机制上要复杂得多;不但如此,上述不同类型的心肌细胞的跨膜电位(图4-5),不仅幅度和持续时间各不相同,而且波形和形成的离子基础也有一定的差别;各类心肌细胞电活动的不一致性,是心脏兴奋的产生以及兴奋向整个心脏传播过程中表现出特殊规律的原因。

(一)工作细胞的跨膜电位及其形成机制

1.静息电位和动作电位人和哺乳动物的心室肌细胞和骨骼肌细胞一样,在静息状态下膜两侧呈极化状态,膜内电位比膜外电位约低90mV,但两者的动作电位有明显不同。骨骼肌细胞动作电位的时程很短,仅持续几个毫秒,复极速度与去极速度几乎相等,记录曲线呈升支和降支基本对称的尖锋状。心室肌细胞动作电位的主要特征在于复极过程比较复杂,持续时间很长,动作电位降支与升支很不对称。通常用0、1、2、3、4等数字分别代表心室肌细胞动作电位和静息电位的各个时期。

(1)除极(去极)过程:除极过程又称0期。在适宜的外来刺激作用下,心室肌细胞发生兴奋,膜内电位由静息状态下的-90mV迅速上升到+30mV左右,即肌膜两侧原有的极化状态被消除并呈极化倒转,构成动作电位的升支。除极相很短暂,仅占1-2ms,而且除极幅度很大,为120mV;可见,心室肌细胞的除极速度很快,膜电位的最大变化速率可达800-1000V/s。

(2)复极过程:当心室细胞除极达到顶峰之后,立即开始复极,但整个复极过程比较缓慢,包括电位变化曲线的形态和形成机制均不相同的三个阶段:

1期复极:在复极初期,仅出现部分复极,膜内电位由+30mV迅速下降到0mV左右,故1期又称为快速复极初期,占时约10ms。0期除极和1期复极这两个时期的膜电位的变化速度都很快,记录图形上表现为尖锋状,故在心肌细胞习惯上常把这两部分合称为锋电位。

2期复极:当1期复极膜内电位达到0mV左右之后,复极过程就变得非常缓慢,膜内电位基本上停滞于0mV左右,细胞膜两侧呈等电位状态,记录图形比较平坦,故复极2期又称为坪或平台期,持续约100-150ms,是整个动作电位持续时间长的主要原因,是心室肌细胞以及其它心肌细胞的动作电位区别于骨骼肌和神经纤维的主要特征。

3期复极;2期复极过程中,随着时间的进展,膜内电位以较慢的速度由0mV逐渐下降,延续为3期复极,2期和3期之间没有明显的界限。在3期,细胞膜复极速度加快,膜内电位由0mV左右较快地下降到-90mV,完成复极化过程,故3期又称为快速复极末期,占时约100-150ms 。

4期:4期是膜复极完毕、膜电位恢复后的时期。在心室肌细胞或其它非自律细胞,4期内膜电位稳定于静息电位水平,因此,4期又可称为静息期。

2.形成机制与骨骼肌一样,离子在细胞膜两侧不均匀分布所形成的浓度梯度(浓度差)(表4-1)、驱动相应离子经过当时开放的细胞膜上特殊离子通道的跨膜扩散,是心肌细胞跨膜电位形成的主要基础,只是由于心肌细胞膜上具有数目较多的离子通道,跨膜电位形成机制中涉及的离子流远比骨骼肌要复杂得多。在电生理学中,电流的方向以正离子在膜两侧的流动方向来命名,正离子外流或负离子内流称外向电流,正离子内流或负离子外流称内向电流。外向电流导致膜内电位向负电性转化,促使膜复极,内向电流导致膜内电位向正电性转化,促使膜除极。

表4-1 心肌细胞中各种主要离子的浓度及平衡电位值

离 子浓度(mmo1/L)
细胞内液 细胞外液
内/外比值平衡电位(mV)
(由Nernst公式计算)
Na+301401:4,6+41
K+140435:1-94
Ca2+10-421:20,000+132
CI-301041:3.5-33

除离子跨膜扩散之外,由细胞上离子泵所实现的离子主动转运和离子交换,在心肌细胞电活动中也占有重要地位。

心室肌细胞静息电位的形成机制与骨骼肌相同,也就是说,尽管肌膜两侧上述几种离子都存在有浓度梯度,但静息状态下肌膜对K+的通透性较高,而对其它离子的通透性很低,因此,K+顺其浓度梯度由膜内向膜外扩散所达到的平衡电位,是静息电位的主要来源。

肌膜钠通道的大量开放和膜两侧浓度梯度及电位梯度的驱动从而出现Na+快速内流,是心室肌细胞0期去极形成的原因。进一步对整个去极过程进行分析就可以看到,与骨骼肌一样,在外来刺激作用下,首先引起部分电压门控式Na+通道开放和少量Na+内流,造成肌膜部分去极化,膜电位绝对值下降;而当膜电位由静息水平(膜内-90mV)去极化到阈电位水平(膜内-70mV)时,膜上Na+通道开放概率明显增加,出现再生性Na+内流(参看第二章),于是Na+顺其浓度梯度和电位梯度由膜外快速进入膜内,进一步使膜去极化,膜内电位向正电性转化。决定0期去极的Na+通道是一种快通道,它不但激活、开放的速度很快,而且激活后很快就失活,当膜除极到一定程度(omV左右)时,Na+通道就开始失活而关闭,最后终止Na+的继续内流。快Na+通道可被河豚毒(TTX)所阻断。由于Na+通道激活速度非常之快,又有再生性循环出现,这就是心室肌细胞0期去极速度很快,动作电位升支非常陡峭的原因。正因为如此,从电生理特性上,尤其是根据0期除极的速率,将心室肌细胞(以及具有同样特征的心肌细胞)称为快反应细胞,其动作电位称为快反应电位,以区别于以后将要介绍的慢反应细胞和慢反应电位。

复极1期是在0期除极之后出现的快速而短暂的复极期,此时快钠通道已经失活,同时激活一种一过性外向电流(Ito),从而使膜迅速复极到平台期电位水平(0~-20mV)。至于Ito的离子成分,70年代曾认为是Cl-(即Cl-内流)。近年来,根据Ito可被四乙基铵和4-氨基吡啶等K+通道阻滞剂所阻断的研究资料,认为K+才是Ito的主要离子成分。也就是说,由K+负载的一过性外向电流是动作电位初期快速复极的主要原因。目前对Ito的通道特征尚不十分清楚,但有资料提示,膜除极和细胞内Ca2+都可以使Ito的通道激活。

平台期初期,膜电位稳定于0mV左右,随后才非常缓慢地复极。膜电位的这种特征是由于平台期同时有内向电流和外向电流存在,初期,两种电流处于相对平衡状态,随后,内向电流逐渐减弱,外向电流逐渐增强,总和的结果是出现一种随时间推移而逐渐增强的、微弱的外向电流,导致膜电位缓慢地向膜内负电性转化。电压钳研究结果表明,在心室肌等快反应细胞,平台期外向离子流是由K+携带的(称Ik1)。静息状态下,K+通道的通透性很高,在0期除极过程中,K+的通透性显著下降,K+外流大大减少,除极相结束时,K+的通透性并不是立即恢复到静息状态下的那种高水平,而是极其缓慢地、部分地恢复,K+外流也就由初期的低水平而慢慢增加(图4-6)。平台期内向离子流主要是由Ca2+(以及Na+)负载的。已经证明,心肌细胞膜上有一种电压门控式的慢Ca2+通道,当膜除极到-40mV时被激活,Ca2+顺其浓度梯度向膜内缓慢扩散从而倾向于使膜除极,与此同时,上述微弱的K+外流倾向于使膜复极化,在平台期早期,Ca2+的内流和K+的外流所负载的跨膜正电荷时相等,膜电位稳定于1期复极所达到的电位水平。随着时间推移,Ca2+通道逐渐失活,K+外流逐渐增加,其结果,出膜的净正电荷量逐渐增加,膜内电位于是逐渐下降,形成平台期晚期。此后,Ca2+通道完全失活,内向离子流终止,外向K+流进一步增强,平台期延续为复极3期,膜电位较快地回到静息水平,完成复极化过程。

心室肌细胞跨膜电位及其形成的离子机制

图4-6 心室肌细胞跨膜电位及其形成的离子机制

RMP:静息膜电位 TP :阈电位

肌膜上有Ca2+通道,是心室肌细胞和其它心肌细胞的重要特征。大量研究表明:①从一个心肌细胞的总体而言(不是从单个通道而言),Ca2+通道的激活、失活,以及再复活所需时间均比Na通道要长,经 Ca2+通道跨膜的Ca2+内流,起始慢,平均持续时间也较长。因此相应称为慢通道和慢内向离子流;②慢通道也是电压门控式的,激活慢通道的阈电位水平(-50~-35mV)高于快Na通道(-70~-55mV);③它对某些理化因素的敏感性和反应性不同于快通道,可被Mn2+和多种Ca2+阻断剂(如异博定,D-600等)所阻断,而对于可以阻断快通道的河豚毒和细胞膜的持续低极化状态(膜内电位-50Mv左右)却并不敏感。各种心肌细胞的肌膜上都具有这种慢通道,由此形成的跨膜离子流,是决定心肌细胞电活动以及心室肌等快反应细胞动作电位平台期的最重要的内向离子流之一。

平台期之后,膜的复极逐渐加速,因此时Ca2+通道已经失活,在平台期已经激活的外向K+流出现随时间而递增的趋势。其原因是,3期的复极K+流是再生性的,K+的外流促使膜内电位向负电性转化,而膜内电位越负,K+外流就越增高。这种正反馈过程,导致膜的复极越来越快,直至复极化完成。

在4期内,心室肌细胞膜电位基本上稳定于静息电位水平,但是,离子的跨膜转运仍然在活跃进行。因为,动作电位期间有Na+和Ca2+进入细胞内,而K+外流出细胞,因此,只有从细胞内排出多余的Na+和Ca2+,并摄入K+才能恢复细胞内外离子的正常浓度梯度,保持心肌细胞的正常兴奋性。这种离子转运是逆着浓度梯度进行的主动转运过程。像骨骼肌一样,通过肌膜上Na+-K+泵的作用,将Na+的外运和K+的内运互相耦联形成Na+-K+转运,同时实现Na+和K+的主动转运。关于主动转运Ca2+的转运机制,还没有完全弄清楚。目前大多数作者认为,Ca2+的逆浓度梯度的外运是与Na+的顺浓度的内流相耦合进行的。形成Na+-Ca2+交换。Ca2+的这种主动转运是由Na+ 的内向性浓度梯度提供能量的,由于Na+内向性浓度梯度的维持是依靠Na+-K+泵而实现的,因此,Ca2+主动转运也是由Na+-K+泵提供能量的。在4期开始后,膜的上述主动转运功能加强,细胞内外离子浓度梯度得以恢复。总的来看,这时转运过程引起的跨膜交换的电荷量基本相等,因此,膜电位不受影响而能维持稳定。

(二)自律细胞的跨膜电位及其形成机制

在没有外来刺激时,工作细胞不能产生动作电位,在外来刺激作用下,产生一次动作电位,但两次动作电位之间膜电位是稳定不变的。而在自律细胞,当动作电位3期复极未期达到最大值(称最大复极电位)之后,4期的膜电位并不稳定于这一水平,而是立即开始自动除极,除极达阈电位后引起兴奋,出现另一个动作电位。这种现象,周而复始,动作电位就不断地产生。出现于4期的这种自动除极过程,具有随时间而递增的特点,其除极速度远较0期除极缓慢;不同类型的自律细胞4期除极速度参差不一,但同类自律细胞4期除极速度比较恒定。这种4期自动除极(亦称4期缓慢除极或缓慢舒张期除极),是自律细胞产生自动节律性兴奋的基础。

根据细胞膜除极的跨膜电流的基本规律可分析自律细胞4期自动除极形成的机制。不难推测,自律细胞由于净外向电流使膜复极(3期)达最大复极电位后,在4期中又出现一种逐渐增强的净内向电流,从而使膜内正电位逐渐增加,膜便逐渐除极。这种进行性净内向电流的产生,有以下三种可能的原因:①内向电流的逐渐增强;②外向电流的逐渐衰退;③两者兼有。不同类型的自律细胞,4期自动除极都是由这种进行性净内向电流所引起,但构成净内向电流的离子流的方向和离子本质并不完全相同。

1.浦肯野细胞浦肯野细胞是一种快反应自律细胞。作为一种快反应型细胞,它的动作电位的形态与心室肌细胞相似,产生的离子基础也基本相同。

关于浦肯野细胞4期自动除极形成的机制,80年代研究资料表明,在浦肯野细胞,随着复极的进行,导致膜复极的外向K+电流逐渐衰减,而同时在膜电位4期可记录到一种随时间推移而逐渐增强的内向电流(If)(图4-7)。If通道在动作电位3期复极电位达-60mV左右开始被激活开放,其激活程度随着复极的进行、膜内负电性的增加而增加,至-100mV左右就充分激活。因此,内向电流表现出时间依从性增强,膜的除极程度因而也随时间而增加,一旦达到阈电位水平,便又产生另一次动作电位,与此同时,这种内向电流在膜除极达-50mV左右因通道失活而中止。可见,动作电位的复极期膜电位本身是引起这种内向电流启动和发展的因素,内向电流的产生和增强导致膜的进行性除极,而膜的除极一方面引起另一次动作电位,一方面又反过来中止这种内向电流。这一连串的过程是自律细胞“自我”启动、“自我”发展,又“自我”限制的,由此可以理解为什么自律细胞能够自动地、不断地产生节律性兴奋。

浦肯野细胞起搏机制

图4-7 浦肯野细胞起搏机制

A;跨膜电位 B:由х闸门控制的Ik衰减以及由у闸门控制的If,两者在形成起搏电位中的相对关系

这种4期内向电流,通常称为起搏电流,其主要离子成分为Na+ ,但也有K+参与。由于使它充分激活的膜电位为-100mV,因而认为,构成起搏内向电流的是一种被膜的超极化激活的非特异性内向(主要是是Na+)离子流,标志符号为If。If的通道允许Na+通过,但不同于快Na+通道,两者激活的电压水平不同;If可被铯(Cs)所阻断,而河豚毒却不能阻断它。目前,关于If及其通道的研究资料尚有若干不能充分予以解释的疑点,对If的进一步研究正受到心肌电生理学者们的高度关注。

2.窦房结细胞的跨膜电位及其形成机制 窦房结含有丰富的自律细胞,动作电位复极后出现明显的4期自动除极,但它是一种慢反应自律细胞,其跨膜电位具有许多不同于心室肌快反应细胞和浦肯野快反应自律细胞的特征:①窦房结细胞的最大复极电位(-70mV)和阈电位(-40mV)均高于(电位较正)浦肯野细胞;②0期除极结束时,膜内电位为0mV左右,不出现明显的极化倒转;③其除极幅度(70mV)小于浦肯野细胞(为120mV),而0期除极时程(7ms左右)却又比后者(1-2ms)长得多。原因是窦房结细胞0期除极速度(约10V/s)明显慢于浦肯野细胞(200-1000V/s),因此,动作电位升支远不如后者那么陡峭;④没有明显的复极1期和平台期;⑤4期自动除极速度(约0.1V/s)却比浦肯野细胞(约0.02V/s)要快,记录曲线上窦房结细胞4期膜电位变化的斜率大于浦肯野细胞.图4-8显示心室肌快反应细胞与窦房结细胞跨膜电位变化的差别。

心室肌(A)与窦房结(B)细胞跨膜电位的比较

图4-8 心室肌(A)与窦房结(B)细胞跨膜电位的比较

窦房结细胞的直径很小,进行电生理研究有一定困难。直到70年代中期,才开始在窦房结小标本上采用电压钳技术对其跨膜离子流进行了定量研究,但目前尚未能充分阐明它的跨膜电位,尤其是4期起搏电流的离子基础。学者们观察到,窦房结细胞0期除极不受细胞外Na+浓度的影响,对河豚毒很不敏感;相反,它受细胞外Ca2+浓度的明显影响,并可被抑制钙通道的药物和离子(如异搏定、D-600和Mn2+等)所阻断。据此可以认为,引起窦房结细胞动作电位0期除极的内向电流是由Ca2+负载的。这种内向电流被称为第二内向电流;而引起快反应细胞(心室肌、心房肌和浦肯野细胞)0期除极的快Na+内流称为第一内向电流。根据已有的研究资料,可将窦房结细胞动作电位的形成过程描述如下:当膜电位由最大复极电位自动除极达阈电位水平时,激活膜上钙通道,引起Ca2+内向流(Ica),导致0期除极;随后,钙通道逐渐失活,Ca2+内流相应减少;另一方面,在复极初期,有一种K+通道被激活,出现K+外向流(Ik)。Ca2+内流的逐渐减少和K+外流的逐渐增加,膜便逐渐复极。由“慢”通道所控制、由Ca2+内流所引起的缓慢0期除极,是窦房结细胞动作电位的主要特征,因此,相应称为慢反应细胞和慢反应电位,以区别于前述心室肌等快反应细胞和快反应电位。

窦房结细胞的4期自动除极也由随时间而增长的净内向电流所引起,但其构成成分比较复杂,是几种跨膜离子流的混合。目前已知,在窦房结细胞4期可以记录到三种膜电流,包括一种外电流和两种内向电流,不过它们在窦房结细胞起搏活动中所起作用的大小以及起作用的时间有所不同。

(1)Ik通道的激活和逐渐增强所造成的K+外向流,是导致窦房结细胞复极的原因。Ik通道在膜复极达-40mV时便开始逐渐失活,K+外流因此渐渐减少,导致膜内正电荷逐渐增加而形成4期除极。目前认为,由于Ik通道的时间依从性逐渐失活所造成的K+外流进行性衰减,是窦房结细胞4期自动除极的最重要的离子基础(图4-9);

窦房结动作电位和起搏电位的离子机制

图4-9 窦房结动作电位和起搏电位的离子机制

A.跨膜电位 B.越膜电位C. 胞浆Ca2+浓度表示动作电位升支由Ica,

f构成,起搏电位 由Ik和If及Ina/Ca构成

(2)IfIf是一种进行性增强的内向离子(主要为Na+)流,在浦肯野细胞起搏活动中,If起着极重要的作用,而Ik衰减的作用很小。与此恰相反,窦房结细胞4期虽也可记录到If ,但它对起搏活动所起的作用不如Ik衰减。实验证明,用Cs2+选择性阻断If后,窦房结自发放频率仅轻度减少;对家兔窦房结细胞4期净内向电流的总幅值而言,Ik衰减与If两者所起作用的比例为6:1。

If通道的最大激活电位为-100mV左右,而正常情况下窦房结细胞的最大复极电位为-70mV,在这种电位水平下,If通道的激活十分缓慢,这可能是If在窦房结4期除极过程中所起作用不大的原因。若窦房结细胞发生超级化时,If则可能成为起搏电流中的主要成分。

(3)此外,窦房结细胞4期中还存在一种非特异性的缓慢内向电流,在膜除极达-60mV时被激活,可见,它在自动除极过程的后1/3期间才起作用。这种缓慢内向电流可能是生电性Na+-Ca2+交换的结果(Na+-Ca2+交换时,心肌细胞排出一个Ca2+,摄入3个Na+,出/入细胞正电荷之比为2:3,形成内向电流)。

心肌细胞的类型 除了按照功能和电生理特性将心肌细胞分为工作细胞和自律细胞之外,还可以根据其生物活动的特征,特别是动作电位0期除极的速度,将心肌细胞分为快反应细胞和慢反应细胞,其动作电位相应称为快反应电位和慢反应电位;然后再结合其自律性,可将心肌细胞分为以下四种类型:

快反应非自律细胞:包括心房肌细胞和心室肌细胞;

快反应自律细胞:浦肯野自律细胞;

慢反应自律细胞:窦房结自律细胞,以及房结区和结希区的自律细胞;

慢反应非自律细胞:结区细胞。

心肌细胞的跨膜离子流 由多种离子通过细胞膜上的特异性或非特异性离子通道以及经离子交换转运形成的跨膜离子运动,是心肌细胞跨膜电位形成的基础。心肌细胞跨膜离子流的种类众多,性质很复杂,近年又取得许多进展。由于在实验研究中对这些离子通道的命名和认识比较混乱,甚至前后矛盾,故将目前比较肯定的主要几种离子流和通道的名称、存在的部位和作用归纳介绍如下:

1.内向离子流

(1)INa:称为快速Na+流,存在于快反应细胞,是引起快反应细胞0期除极的内向电流(称第一内向电流)的离子基础。

(2)Isi:称为缓慢内向电流,也称第二内向电流,过去认为它是一种由慢通道控制的缓慢Ca2+流,故标志为ICa,其功能是构成快反应细胞的平台期和慢反应细胞的除极期。新近的研究结果在很大程度上修正了对Ica的认识。目前认为,第二内向电流并不是单一的Ca2+流,而是由特性各异的三个组分所构成;第一组分称Ica.f,二、三组分别称Is1.2和Ica.s。其中①Ica.f是一种快速Ca2+流,其通道激活和失活的速度远比已往所认为的要快得多。它融合于快反应细胞Na+内流的最后部分,共同形成动作电位升支的上段,而对平台期的作用很小。它是慢反应细胞除极的离子基础。对工作细胞而言,肌浆网Ca2+再生性释放帅细胞外Ca2+进入胞浆触发的,既然Ica.f的激活十分迅速,那么Ca2+释放的触发有及兴奋-收缩耦联的启动速度都比以往认为的要快得多;②第三组分Ica.s,是一种较Ica.f微弱而缓慢的Ca2+流,主要作用是维持快反应细胞平台期;③Is1.2称第二内向电流第二组分,其离子本质不甚清楚,可能是Na+-Ca2+交换的生电电流,故也称为INa.Ca,在平台期起作用;慢反应自律细胞4期自动除极晚期也有它的作用。

(3)If:超极化激活的非特异性内向离子流,主要由Na+携带,存在于自律细胞4期。If是决定浦肯野快反应自律起搏活动的主要负离子流,而在窦房结慢反应自律细胞起搏活动中,其作用不如Ik衰减。

2.外向离子流

(1)Ikl:存在于快反应细胞,是决定快反应工作细胞静息电位的离子流,并在复极2期和3期起复极作用;

(2)Ik:这种外向电流主要由K+携带,但也有Na2+参加,不是单纯的K+流,故又称Ix,在快反应细胞复极3期起重要作用,故又称为复极电流,因而也决定着浦肯野细胞的最大复极电位;Ix也存在于慢反应自律细胞,促使膜复极,4期内呈进行性衰减,是形成4期除极的主要离子基础;

(3)Ito:是快反应细胞1期复极的离子流,离子成分主要为K+,也有Na+参与。

3.化学门控离子通道 近年相继证实,在心肌细胞膜上,除了电压门控通道外,还存在化学门控离子通道;它们的作用并不在于维持和产生正常跨膜电位(静息电位和动作电位),但对于心肌细胞活动的调节以及异常电活动的电生产有着特别重要的意义。重要的化学门控离子通道有以下三种;

(1)乙酰胆碱控制的K+通道(Ik-ACh):早年曾认为ACh激活的是Ikl,近年发现是通过G蛋白激活开放了另一种与在生物物理学特性和生理学特性上均不相同的K+通道。

(2)ATP依从性K+通道(Ik-ATP):ATP的作用并不是分解供能激活此通道,而是维持此通道在正常情况下处于关闭状态。当心肌细胞内ATP降到临界水平以下时(如心肌缺血时),此种特殊的K+通道开放。大量K+外漏以致缺血心肌细胞局部高钾而引起除极,诱发心律失常。硫脲类药物可阻断此通道。

(3)INa–k—Ca2+通道:是细胞内Ca2+增高时激活的一种非特异性正离子通道,载流离子是Na+和K+,形成一过性内向离子流(Iti)。实验表明,在某些情况下,浦肯野细胞在动作电位复极后可产生一种除极电位(延迟后除极电位),当它达阈电位时就可以诱发另一个新的动作电位,形成异位搏动。Iti就是延迟后除极电位的离子基础。洋地黄中毒,细胞外低K+或低Na+,以及咖啡因、儿茶酚胺等可引起细胞内Ca2+超负荷的因素,均可诱发或加强Iti和延迟后除极电位。

 

二、心肌的电生理特性

心肌组织具有兴奋性、自律性、传导性和收缩性四种生理特性。心肌的收缩性是指心肌能够在肌膜动作电位的触发下产生收缩反应的特性,它是以收缩蛋白质之间的生物化学和生物物理反应为基础的,是心肌的一种机械特性。兴奋性、自律性和传导性,则是以肌膜的生物电活动为基础的,故又称为电生理特性。心肌组织的这些生理特性共同决定着心脏的活动。

(一)心肌的兴奋性

所有心肌细胞都具有兴奋性,即具有在受到刺激时产生兴奋的能力。衡量心肌的兴奋性,同样可以采用刺激的阈值作指标,阈值大表示兴奋性低,阈值小表示兴奋性高。

1.决定和影响兴奋性的因素 从关于兴奋产生过程的叙述中可知,兴奋的产生包括静息电位去极化到阈电位水平以及Na+通道(以快反应型细胞为例)的激活这样两个环节;当这两方面的因素发生变化时,兴奋性将随之发生改变。

(1)静息电位水平:静息电位(在自律细胞,则为最大复极电位)绝对值增大时,距离阈电位的差距就加大,引起兴奋所需的刺激阈值增大,表现为兴奋性降低。反之,静息电位绝对值减少时,距阈电位的差距缩小,所需的刺激阈值减少,兴奋性增高。

(2)阈电位水平:阈电位水平上移,则和静息电位之间的差距增大,引起兴奋所需的刺激阈值增大,兴奋性降低。反之亦然。

静息电位水平和(或)阈电位水平的改变,都能够影响兴奋性,但在心脏,以静息电位水平改变为多见的原因。

(3)Na+通道的性状:上述兴奋的产生时,都是以Na+通道能够被激活作为前提。事实上,Na+通道并不是始终处于这种可被激活的状态,它可表现为激活、失活和备用三种功能状态:而Na+通道处于其中哪一种状态,则取决于当时的膜电位以及有关的时间进程。这就是说,Na+通道的活动是电压依从性和时间依从性的。当膜电位处于正常静息电位水平-90mV时,Na+通道处于备用状态。这种状态下,Na+通道具有双重特性,一方面,Na+通道是关闭的;另一方面,当膜电位由静息水平去极化到阈电位水平(膜内-70mV)时,就可以被激活,Na+通道迅速开放,Na+因而得以快速跨膜内流。Na+通道激活后就立即迅速失活,此时通道关闭,Na+内流迅速终止。Na+通道的激活和失活,都是比较快速的过程;前者在1ms 内,后者约在几毫秒到10ms内即可完成。处于失活状态的Na+通道不仅限制了Na+的跨膜扩散,并且不能被再次激活;只有在膜电位恢复到静息电位水平时,Na+通道才重新恢复到备用状态,即恢复再兴奋的能力,这个过程称为复活。由上可见,Na+通道是否处备用状态,是该心肌细胞当时是否具有兴奋性的前提;而正常静息膜电位水平又是决定Na+通道能否处于或能否复活到备用状态的关键。Na+通道的上述特殊性状,可以解释有关心肌细胞兴奋性的一些现象。例如,当膜电位由正常静息水平(-90mV)去极化到阈电位水平(-70mV)时,Na+通道被激活,出现动作电位;而如果静息状况下膜电位为-50mV左右,即肌膜处于持续低极化状态时,就不能引起Na+通道激活,表现为兴奋性的丧失。至于Na+通道上述三种状态的实质以及膜电位是如何影响Na+通道性状的问题,目前尚未彻底阐明。

2.一次兴奋过程中兴奋性的周期性变化心肌细胞每产生一次兴奋,其膜电位将发生一系列有规律的变化,膜通道由备用状态经历激活、失活和复活等过程,兴奋性也随之发生相应的周期性改变。兴奋性的这种周期性变化,影响着心肌细胞对重复刺激的反应能力,对心肌的收缩反应和兴奋的产生及传导过程具有重要作用。心室肌细胞一次兴奋过程中,其兴奋性的变化可分以下几个时期(图4-10):

(1)有效不应期:心肌细胞发生一次兴奋后,由动作电位的去极相开始到复极3期膜内电位达到约-55mV这一段时期内,如果再受到第二个刺激,则不论刺激有多强,肌膜都不会进一步发生任何程度的去极化;膜内电位由-55mV继续恢复到约-60mV这一段时间内,如果给予的刺激有足够的强度,肌膜可发生局部的部分去极化,但并不能引起扩播性兴奋(动作电位)。心肌细胞兴奋后不能立即再产生第二次兴奋的特性,称为不应性,不应性表现为可逆的、短暂的兴奋性缺失或极度下降。心肌细胞一次兴奋过程中,由0期开始到3期膜内电位恢复到-60mV这一段不能再产生动作电位的时期,称为有效不应期。其原因是这段时间内膜电位绝对值太低,Na+通道完全失活(前一阶段),或刚刚开始复活(后一阶段),但还远远没有恢复到可以被激活的备用状态的缘故。

(2)相对不应期:从有效不应期完毕(膜内电位约-60mV)到复极化基本上完成(约-80mV)的这段期间,为相对不应期。这一时期内,施加给心肌细胞以高于正常阈值的强刺激,可以引起扩播性兴奋。出现相对不应期的原因是:此期膜电位绝对值高于有效不应期末时的膜电位,但仍低于静息电位,这时Na+通道已逐渐复活,但其开放能力尚未恢复正常;故心肌细胞的兴奋性虽比有效不应期时有所恢复,但仍然低于正常,引起兴奋所需的刺激阈值高于正常,而所产生的动作电位(称期前兴奋)0期的幅度和速度都比正常为小,兴奋的传导也比较慢。此外,此期处于前一个动作电位的3期,尚有K+迅速外流的趋势,因此,在此期内新产生的动作电位,其时程较短(K+外流可使平台期缩短),不应期也较短。

心室肌动作电位期间兴奋性的变化及其与机械收缩的关系

图4-10 心室肌动作电位期间兴奋性的变化及其与机械收缩的关系

A:动作电位 B:机械收缩ERP:有效不应期

RRP:相对不应期 SNP:超常期

(3)超常期:心肌细胞继续复极,膜内电位由-80mV恢复到-90mV这一段时期内,由于膜电位已经基本恢复,但其绝对值尚低于静息电位,与阈电位水平的差距较小,用以引起该细胞发生兴奋所需的刺激阈值比正常要低,表明兴奋性高于正常,故称为超常期。另一方面,此时Na+通道基本上恢复到可被激活的正常备用状态,但开放能力仍然没有恢复正常,产生的动力电位的0期去极的幅度和速度,兴奋传导的速度都仍然低于正常。

最后,复极完毕,膜电位恢复正常静息水平,兴奋性也恢复正常。

3.兴奋过程中,兴奋性周期性变化与收缩活动的关系细胞在发生一次兴奋过程中,兴奋性发生周期性变化,是所有神经和肌组织共同的特性;但心肌细胞的有效不应期特别长,一直延续到机械反应的舒张期开始之后。因此,只有到舒张早期之后,兴奋性变化进入相对不应期,才有可能在受到强刺激作用时产生兴奋和收缩。从收缩开始到舒张早期之间,心肌细胞不会产生第二个兴奋和收缩。这个特点使得心肌不会像骨骼肌那样产生完全强直收缩而始终作收缩和舒张相交替的活动,从而使心脏有血液回心充盈的时期,这样才可能实现其泵血功能。

以下实验可以说明心肌组织的这一特点。正常情况下,窦房结产生的每一次兴奋传播到心房肌或心室肌的时间,都是在它们前一次兴奋的不应期终结之后,因此,整个心脏能够按照窦房结的节律而兴奋。但在某些情况下,如果心室在有效不应期之后受到人工的或窦房结之外的病理性异常异常刺激,则可产生一次期前兴奋,引起期前收缩或额外收缩。期前兴奋也有它自己的有效不应期,这样,当紧接在期前兴奋之后的一次窦房结兴奋传到心室肌时,常常正好落在期前兴奋的有效不应期内,因而不能引起心室兴奋和收缩,形成一次“脱失”,必须等到再下一次窦房结的兴奋传到心室时才能引起心室收缩。这样,在一次期前收缩之后往往出现一段较长的心室舒张期,称为代偿性间歇(图4-11)。随之,才恢复窦性节律。

(二)心肌的自动节律性

组织、细胞能够在没有外来刺激的条件下,自动地发生节律性兴奋的特性,称为自动节律性,简称自律性。具有自动节律性的组织或细胞,称自律组织或自律细胞。组织、细胞单位时间(每分钟)内能够自动发生兴奋的次数,即自动兴奋的频率,是衡量自动节律性高低的指标。

期前收缩和代偿性间歇

图4-11 期前收缩和代偿性间歇

每条曲线下的电磁标记号批示给予电刺激的时间,曲线1-3,

刺激落在有效不应期内,不引起反应;曲线4-6,

刺激落在相对不应期内,引起期前收缩和代偿性间歇

1.心肌的自动节律性和各自律级组织的相互关系很早以前就有人观察到,在适宜条件下,两栖类和哺乳类动物的离体心脏,在未受到任何刺激的情况下,可以长时间地、自动地、有节奏地进行兴奋和收缩。但是,只有到了近代,根据细胞内微电极技术记录的跨膜电位是否具有4期自动去极化这一特征,才确切地证明,并不是所有心肌细胞,而只是心脏特殊传导组织内某些自律细胞才具有自动节律性。特殊传导系统各个部位(结区除外)的自律性有等级差别;其中窦房结细胞自律性最高,自动兴奋频率约为每分钟100次,末梢浦肯野纤维网自律性最低(约每分钟25次),而房室交界(约每分钟50次)和房室束支的自律性依次介于两者之间。

由一个起搏点主宰整个心脏的整体活动具有极其重要的生理意义。那么,各部分自律组织的活动怎么能统一起来而不致于“各自为政”呢?实验中很容易观察到,心脏始终是依照当时情况下自律性最高的部位所发出的兴奋来进行活动的。这就是说,各部分的活动统一在自律性最高部位的主导作用之下。正常情况下,窦房结的自律性最高,它自动产生的兴奋向外扩布,依次激动心房肌、房室交界、房室束、心室内传导组织和心室肌,引起整个心脏兴奋和收缩。可见,窦房结是主导整个心脏兴奋和跳动的正常部位,故称为正常起搏点。其它部位自律组织并不表现出它们自身的自动节律性,只是起着兴奋传导作用,故称为潜在起搏点。在某种异常情况下,窦房结以外的自律组织(例如,它们的自律性增高,或者窦房结的兴奋因传导阻滞而不能控制某些自律组织)也可能自动发生兴奋,而心房或心室则依从当时情况下节律性最高部位的兴奋而跳动,这些异常的起搏部位则称为异位起搏点。

窦房结对于潜在起搏点的控制,通过两种方式实现:①抢先占领。窦房结的自律性高于其它潜在起搏点,所以,在潜在起搏点4期自动去极尚未达到阈电位水平之前,它们已经受到窦房结发出并依次传布而来的兴奋的激动作用而产生了动作电位,其自身的自动兴奋就不可能出现;②超速压抑或超速驱动压抑(overdrive suppression)。窦房结对于潜在起搏点,还可产生一种直接的抑制作用。例如,当窦房结对心室潜在起搏点的控制突然中断后,首先会出现一段时间的心室停搏,然后心室才能按其自身潜在起搏点的节律发生兴奋和搏动。出现这个现象的原因是:在自律性很高的窦房结的兴奋驱动下,潜在起搏点“被动”兴奋的频率远远超过它们本身的自动兴奋频率。潜在起搏长时间的“超速”兴奋的结果,出现了抑制效应;一旦窦房结的驱动中断,心室潜在起搏点需要一定的时间才能从被压抑状态中恢复过来,出现它本身的自动兴奋。另外还可以看到,超速压抑的程度与两个起搏点自动兴奋频率的差别呈平行关系,频率差别愈大,抑制效应愈强,驱动中断后,停搏的时间也愈长。因此,当窦房结兴奋停止或传导受阻后,首先由房室交界代替窦房结作为起搏点,而不是由心室传导组织首先代替;因为窦房结和房室交界的自动兴奋频率差距较小,超速压抑的程度较小。超速压抑产生的机制比较复杂,目前尚未完全弄清;但这一事实提示我们,在人工起搏的情况下,如因故需要暂时中断起搏器时,在中断之前其驱动频率应该逐步减慢,以避免发生心搏暂停。

2.决定和影响自律性的因素自律细胞的自动兴奋,是4期膜自动去极化使膜电位从最大复极电位达到阈电位水平而引起的。因此,自律性的高低,既受最大复极电位与阈电位的差距的影响,也取决于4期膜自动去极的速度(图4-12)。

影响自律性的因素

图4-12 影响自律性的因素

A:起搏电位斜率由a减少到b时,自律性降低

B:最大复极电位水平由a达到d,或阈电位由TP-1升到TP-2时,自律性均降低 Tp :阈电位

(1)最大复极电位与阈电位之间的差距:最大复极电位绝对值减少和(或)阈电位下移,均使两者之间的差距减少,自动去极化达到阈电位水平所需时间缩短,自律性增高;反之亦然。例如,迷走神经系统兴奋时可使窦房结自律细胞K+通道开放率增高,故其复极3期内K+外流增加,最大复极电位绝对值增大,自律性降低,心率减慢。

(2)4期自动除极速度:4期自动除极速度与膜电位从最大复极电位水平达到阈电梯水平所需时间密切相关;若除极速度增快,达阈电位水平所需时间缩短,单位时间内发生兴奋的次数增多,自律性增高。从前一节已知,4期自动除极速度取决于净内向电流增长的速度,即取决于膜内净正电荷增长速度。例如,儿茶酚胺可以增强If,因而加速浦肯野细胞4期除极速度,提高其自律性。

(三)心肌的传导性和心脏内兴奋的传导

心肌在功能上是一种合胞体,心肌细胞膜的任何部位产生的兴奋不但可以沿整个细胞膜传播,并且可以通过闰盘传递到另一个心肌细胞,从而引起整块心肌的兴奋和收缩。动作电位沿细胞膜传播的速度可作为衡量传导性的指标。

1.心脏内兴奋传播的途径和特点 正常情况下窦房结发出的兴奋通过心房肌传播到整个右心房和左心房,尤其是沿着心房肌组成的“优势传导通路”迅速传到房室交界区,经房室束和左、右束支传到浦肯野纤维网,引起心室肌兴奋,再直接通过心室肌将兴奋由内膜侧向外膜侧心室肌扩布,引起整个心室兴奋。由于各种心肌细胞的传导性高低不等,兴奋在心脏各个部分传播的速度是不相同的。在心房,一般心房肌的传导速度较慢(约为0.4m/s),而“优势传导通路”的传导速度较快,窦房结的兴奋可以沿着这些通路很快传播到房室交界区。在心室,心室肌的传导速度约为1m/s,而心室内传导组织的传导性却高得多,末梢浦肯野纤维传导速度可达4m/s,而且它呈网状分布于心室壁,这样,由房室交界传入心室的兴奋就沿着高速传导的浦肯野纤维网迅速而广泛地向左右两侧心室壁传导。很明显,这种多方位的快速传导对于保持心室的同步收缩是十分重要的。房室交界区细胞的传导性很低,其中又以结区最低,传导速度仅0.02m/s。房室交界是正常时兴奋由心房进入心室的唯一通道,交界区这种缓慢传导使兴奋在这里延搁一段时间(称房-室延搁)才向心室传播,从而可以使心室在心房收缩完毕之后才开始收缩,不致于产生房室收缩重叠的现象。可以看出,心脏内兴奋传播途径的特点和传导速度的不一致性,对于心脏各部分有次序地、协调地进行收缩活动,具有十分重要的意义。

2.决定和影响传导性的因素 心肌的传导性取决于心肌细胞某些结构特点和电生理特性。

(1)结构因素:细胞直径与细胞内电阻呈反变关系,直径小的细胞内电阻大,产生的局部电流小于粗大的细胞,兴奋传导速度也较后者缓慢。心房肌、心室肌和浦肯野细胞的直径大于窦房结和房室交界细胞,其中,末梢浦肯野细胞的直径最大(在某些动物,直径可达70μm),兴奋传导速度最快;窦房结细胞直径很小(约5-10μm),传导速度很慢;而结区细胞直径更小,传导速度也最慢。

在机体生命过程中,心肌细胞直径不会突然发生明显的变化,因此,它只是决定传导性的一个比较固定的因素,对于各种生理或某些病理情况下心肌传导性的变化,不起重要作用。

(2)生理因素:心肌细胞的电生理特性是决定和影响心肌传导性的主要因素。与其它可兴奋细胞相同,心肌细胞兴奋的传播也是通过形成局部电流而实现的(参看第二章)。因此,可以从局部电流的形成和邻近未兴奋部位膜的兴奋性这两方面来分析影响传导性的因素。这两方面因素是密切相关联的,为了方便才分别叙述。

动作电位0期除极的速度和幅度局部电流是兴奋部位膜0期去极所引起的,0期去极的速度愈快,局部电流的形成也就愈快,很快就促使邻近未兴奋部位膜去极达到阈电位水平,故兴奋传导愈快。另一方面,0期去极幅度愈大,兴奋和未兴奋部位之间的电位差愈大,形成的局部电流愈强,兴奋传导也愈快。问题是,为什么局部电流的强度能影响传导速度?可能是强的局部电流扩布的距离大,可以使距兴奋部位更远的下游部位受到局部电流的刺激而兴奋,故兴奋的传导较快。除了细胞直径这个因素之外,浦肯野纤维等快反应细胞0期去极速度和幅度明显高于窦房结等慢反应细胞,是前者传导性比后者为高的主要原因。

已知,各种心肌细胞0期去极速度和幅度的差别,主要由膜上(0期)离子通道的固有性质决定。那么,同一心肌细胞(以快反应细胞为例)0期去极速度和幅度又受什么因素的影响?在叙述兴奋性时已经指出,快Na+通道的性状,即激活、失活和复活状态是决定兴奋性正常、缺失和低下的主要因素;也就是说,对兴奋性而言,Na+通道的性状决定着通道能否被激活开放(兴奋性的有无)以及激活的难易程度(兴奋性的高低)。这里,将进一步讨论,Na+通道的性状还决定着膜去极达阈电位水平后通道开放的速度和数量,从而决定膜0期去极的速度和幅度。Na+通道开放速度和数量这种性状,称为Na+通道的效率或可利用率(通道开放数量称开放概率)。实验证明,Na+通道的效率也是电压依从性的,它依从于临受刺激前的膜静息电位值。定量地分析Na+通道的效率(用0期去极的最大速率反映Na+通道开放的速度)与静息膜电位值的函数关系的曲线为膜反应曲线(图4-13)。膜反应曲线呈S形。正常静息电位值(-90mV)情况下,膜受刺激去极达阈电位水平后,Na+通道快速开放,0期去极最大速度可达500V/s。如膜静息电位值(绝对值)降低,去极最大速度下降;若膜静息电位值(绝对值)进一步降低到膜内为-60~-55mV时,去极速度几乎为0,即Na+通道已失活而不能开放。上述这种现象称为Na+通道效率的电压依从性下降。需要引起注意的是,在静息膜电位值(绝对值)很低(膜内-60~-55mV)状况下,如果膜受到刺激,并不是根本不产生电位变化,而是产生一种0期去极速度和幅度都很小的动作电位。这是因为,在这种情况下快Na+通道已经失活,而慢Ca2+通道未受影响,因此,原来的快反应细胞此时出现了由Ca2+内流所致的慢反应电位的缘故;兴奋传导速度也就明显减慢。不过,这已经是膜0期去极的离子通道发生了更换,不再属于Na+通道效率的量变范畴。

膜反应曲线

图4-13 膜反应曲线

除了静息膜电位之外,Na+通道开放的速度还受心肌细胞本身生理性质的影响。例如,苯妥英钠可使膜反应曲线左上移位,奎尼丁使之右下移位。这表明,在这些药物作用下,Na+通道开放效率仍然是电压依从性的,但是,同一静息膜电位水平的0期去极最大速度的数值并不相同,前者高于正常,后者低于正常。

膜反应曲线只描述了静息膜电位值对Na+通道开放速度即0期去极速度的影响,实际上,由Na+通道开放数量所决定的0期去极幅度也同样依从于静息膜电位值。正常静息膜电位情况下,Na+通道不但开放速度快,而且开放数量也多,动作电位0期去极的速度快,幅度也高(图4-14,左);若静息膜电位值(绝对值)低下,则产生升支缓慢、幅度低的动作电位(图4-14右)。

静息膜电位对动作电位升支速度和幅度的影响

图4-14 静息膜电位对动作电位升支速度和幅度的影响

S:给予刺激

邻近未兴奋部位膜的兴奋性 兴奋的传导是细胞膜依次兴奋的过程,因此,膜的兴奋性必然影响兴奋的传导。前已述:①静息膜电位(或最大复极电位)与阈电位的差距及②邻近未兴奋部位膜上决定0期去极的离子通道的性状,是决定兴奋性从而也是影响传导性的主要因素。当差距扩大时,兴奋性降低(所需刺激阈值增高),同时,膜去极达阈电位水平所需时间延长,传导速度因此减慢。如在邻近部位形成额外刺激产生期前兴奋的情况,由兴奋部位形成的局部电流刺激就将在期前兴奋复极完成之前到达邻近部位,如落在期前兴奋的有效不应期内,则不能引起兴奋,导致传导阻滞;如落在期前兴奋的相对不应期或超常期内,可引起升支缓慢、幅度小的动作电位,兴奋传导因之减慢。可见,不应期的存在,是可能导致兴奋传导障碍的重要因素。

 

三、自主神经对心肌生物电活动和收缩功能的影响

支配心脏的自主神经及其递质对心肌生物电活动和收缩功能均产生明显影响,它们对心肌生物电活动和电生理特性的影响,主要是通过调节离子通道的开放而实现的,而对心肌收缩功能的调节机制则比较复杂;收缩功能的改变,除了是它们引起生物电改变的继发效应之外,还可能通过其它机制对收缩功能产生直接影响。

(一)迷走神经和乙酰胆碱的作用

迷走神经兴奋时,节后纤维释放递质乙酰胆碱,激动心肌细胞膜上M型胆碱能受体,产生负性压力、负性变时和负性传导性等效应。研究证明,乙酰胆碱能普遍提高K+通道的开放概率,促进外向K+流,是迷走神经心肌效应的主要机制。

K+外流的普遍增加将影响心肌细胞生物电活动的多个环节:①静息状态下K+外流的增加将导致静息电位绝对值增大;因此,静息电位与阈电位的差距扩大,心肌兴奋性有所下降;②在窦房结细胞,复极过程中K+外流增加的结果是最大复极电位绝对值增大;另一方面,其4期K+外流的增加将使Ik衰减过程减弱,自动除极速度减慢。这两方面因素均导致窦房结自律性降低,心率因而减慢;③复极过程中K+外流增加导致复极加速,动作电位时程缩短,有效不应期相应缩短,由于动作电位时程缩短,每一动作电位期间进入细胞内Ca2+量相应减少;除此之外,近年研究还发现,乙酰胆碱有直接抑制Ca2+通道、减少内向Ca2+流的作用。由于进入细胞内Ca2+量减少,心肌收缩能力相应降低,表现出负性变力效应。此外,当左侧迷走神经兴奋时,房室交界慢反应细胞动作电位幅度减小,兴奋传导速度减慢,这也是乙酰胆碱抑制Ca2+通道、减少Ca2+内流的结果。

(二)心交感神经和儿茶酚胺的作用

心交感神经末梢释放的递质是去甲肾上腺素,它与心肌细胞膜β型肾上腺素能受体相结合,通过某种机制(使通道蛋白质磷酸化)改变膜上离子通道的开放概率和其它亚细胞结构的功能,产生正性变力、正性变时和正性变传导性效应。肾上腺髓质分泌的去甲肾上腺素和肾上腺素,以及外源性β受体激动剂也有类似作用。乙酰胆碱心肌效应的机制相对比较单一,它主要是通过普遍提高膜的K+通道的开放概率而发挥作用的;儿茶酚胺的作用比较复杂,它除了能明显增加Ca2+通道的开放概率这一主要作用之外,还通过其它多种细胞和亚细胞机制调节心肌的电生理特性和收缩功能。其具体作用和作用机制归纳如下:①儿茶酚胺(去甲肾上腺素、肾上腺素)能加强自律细胞4期的跨膜内向电流If使4期自动除极速度加快,自律性增高;②在慢反应细胞,由于0期Ca2+内流加强加速,其动作电位上升速度和幅度均增加,房室交界区兴奋传导速度加快;③儿茶酚胺能使复极相K+外流增快,从而使复极过程加快,复极相因此缩短,不应期相应缩短。不应期缩短意味着0期离子通道复活过程加快,这与儿茶酚胺使窦房结兴奋发放频率增加的作用互相协调,使心率得以增加;④儿茶酚胺通过加强心肌收缩能力增强加速心肌的收缩,也加速心肌的舒张,其作用机制比较复杂。很明显,儿茶酚胺提高肌膜和肌浆网Ca2+通道开放概率的特性将导致细胞内Ca2+浓度增高,提供了促使心肌收缩能力增强的条件;另一方面,儿茶酚胺又促使肌钙蛋白对Ca2+亲和力下降,从而减弱心肌收缩能力。由于儿茶酚胺的前一种作用强于后者,因此,尽管它对心肌收缩能力的两种作用的方向相反,表现出的最终效果仍是强有力的正性变力作用。在儿茶酚胺作用下,心肌舒张速度增快,整个舒张过程明显加强,这是儿茶酚胺很具有特征性的一种效应。这种效应是三方面作用的结果:首先,儿茶酚胺促使肌钙蛋白对Ca2+的释放速率增加,这是因为儿茶酚胺降低了肌钙蛋白的Ca2+亲和力,Ca2+可以很快从与肌钙蛋白结合的状态下解离出来;其次,儿茶酚胺可以提高肌浆网重摄取Ca2+的速度,并可刺激Na+-Ca2+交换,使复极期向细胞排出Ca2+加速。综合上述,在儿茶酚胺作用下,舒张期胞浆Ca2+浓度下降速度增快,肌钙蛋白又很快与Ca2+解离,这些作用都有利于肌原纤维中粗、细肌丝的离解,心肌因而以较快的速度完成舒张过程。

心交感神经和儿茶酚胺对心肌的作用是多方面的,很复杂的,但这些效应是互相统一协调的。在心交感神经兴奋引起心率加快,从而使心缩期和心舒期都缩短的情况下,心肌舒张加速可以弥补因心室舒张期缩短带来的心室充盈不足的后果。另一方面,由于收缩能力增强,心肌收缩增强、增快,因此,心脏射血量也不致于因心缩期的缩短而减少;再加上兴奋传导加速,心房肌以及心室肌收缩的同步性有所加强,也促使心房或心室的收缩强度增加,有利于维持心输出量。这样,当心交感神经兴奋时,在心率加快的同时,搏出量增加或不变,心输出量因而得以大大增加。

 

四、体表心电图

在正常人体,由窦房结发出的一次兴奋,按一定的途径和进程,依次传向心房和心室,引起整个心脏的兴奋;因此,每一个心动周期中,心脏各部分兴奋过程中出现的电变化传播方向、途径、次序和时间等都有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液,反映到身体表面,使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心脏电变化曲线,就是临床上记录的心电图(electrocardiogram,ECG)。心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化,而与心脏的机械收缩活动无直接关系。

心肌细胞的生物电变化是心电图的来源,但是,心电图曲线与单个心肌细胞的生物电变化曲线有明显的区别(图4-15)。造成这种区别的主要原因有以下几点:①单个心肌细胞电变化是用细胞内电极记录法得到的,即一个测量电极放在细胞外表面而另一个电极插入到细胞膜内,所测到的电变化是同一细胞的膜内外的电位差,它不仅可测出膜的动作电位,也可测出膜的静息电位。心电图的记录方法原则上属于细胞外记录法,它只能测出已兴奋部位和尚处于兴奋状态的部位之间的电位差。在静息状态下,或是肌膜各部位都处于兴奋状态下时,膜外各部位之间没有电位差,细胞外记录曲线都将呈等电位线,不能加以区别;②心肌细胞电变化曲线是单个心肌细胞在静息时或兴奋时膜内外电位变化曲线;而心电图反映的是一次心动周期中整个心脏的生物电变化,因此,心电图上每一瞬间的电位数值,都是很多心肌细胞电活动的综合效应在体表的反映;③与细胞内记录法不同,心电图是在身体表面间接记录的心脏电变化,因此,电极放置的位置不同,记录的心电图曲线也不相同。

心肌细胞电变化曲线与常规心电图的比较

图4-15心肌细胞电变化曲线与常规心电图的比较

A:心房肌细胞电变化 V:心室肌细胞电变化

正常典型心电图的波形及其生理意义 心电图记录纸上有横线和纵线划出长和宽均为1mm的小方格。记录心电图时,首先调节仪器放大倍数,使输入1mV电压信号时,描笔在纵向上产生10mm偏移,这样,纵线上每一小格相当于0.1mV的电位差。横向小格表示时间,每一小格相当于0.04s(即走纸速度为每秒25mm)。因此,可以在记录纸上测量出心电图各波的电位数值和经历的时间。

测量电极安放位置和连线方式(称导联方式)不同所记录到的心电图,在波形上有所不同,但基本上都包括一个P波,一个QRS波群和一个T波,有时在T波后,还出现一个小的U波(图4-16)。

正常人心电模式图

图4-16 正常人心电模式图

1.P波 反映在左右两心房的去极化过程。P波波形小而圆钝,历时0.08-0.11s,波幅不超过0.25mV。

2.Ta波(心房T波)代表心房复极过程所产生的电变化。它开始于P波之后,与P波的方向相反。P-Ta间期(从P波开始到Ta波终了的时程)为0.15-0.45s;故Ta波与P-R段、QRS波和ST段的初期重叠在一起,而且Ta波波幅很低,故通常心电图上看不出Ta波。

3.QRS波群代表左右两心室去极化过程的电位变化。典型的QRS波群,包括三个紧密相连的电位波动:第一个向下波为Q波,以后是高而尖峭的向上的R波,最后是一个向下的S波。但在不同导联中,这三个波不一定都出现。正常QRS波群历时约0.06-0.10s,代表心室肌兴奋扩布所需的时间;各波波幅在不同导联中变化较大。

4.T波 反映心室复极(心室肌细胞3期复极)过程中的电位变化,波幅一般为0.1-0.8mV。在R波较高的导联中T波不应低于R波的1/10。T波历时0.05-0.25s。T波的方向与QRS波群的主波方向相同。

5.U波 是T波后0.02-0.04s可能出现的一个低而宽的波;方向一般与T波一致,波宽约0.1-0.3s,波幅大多在0.05mV以下。U波的意义和成因均不十分清楚。

在心电图中,除了上述各波的形状有特定的意义之外,各波以及它们之间的时程关系也具有理论和实践意义。其中比较重要的有以下几项:

1.PR间期(或PQ间期) 是指从P波起点到QRS波起点之间的时程,为0.12-0.20s。PR间期代表由窦房结产生的兴奋经由心房、房室交界和房室束到达心室,并引起心室开始兴奋所需要的时间,故也称为房室传导时间;在房室传导阻滞时,PR间期延长。

2.PR段 从P波终点到QRS波起点之间的曲线,通常与基线同一水平。PR段形成的原因是由于兴奋冲动通过心房之后在向心室传导过程中,要通过房室交界区;兴奋通过此区传导非常缓慢,形成的电位变化也很微弱,一般记录不出来,故在P波之后,曲线又回到基线水平,成为PR段。

3.QT间期 从QRS波起点到T波终点的时程;代表心室开始兴奋去极到完全复极到静息状态的时间。

4.ST段 指从QRS波群终了到T波起点之间的与基线平齐的线段,它代表心室各部分心肌细胞均处于动作电位的平台期(2期),各部分之间没有电位差存在,曲线又恢复到基线水平。