生理学教材 第四章 血液循环.doc

第四章 血液循环(Circulation)本章导读血液循环是维持生命的基本条件。生命不息，循环不止。机体内的血液通过周而复始的循环，运送营养物质、内分泌激素和其他生物活性物质到达相应的组织器官和靶细胞，同时携带其代谢终产物经由排泄系统排出体外，从而保证了新陈代谢的不断进行，实现了体液调节和血液的免疫防卫功能，进而维持了内环境理化性质的相对稳定。循环系统是一套连续、封闭的管道系统，由心血管系统和淋巴系统两部分组成。血液循环的原动力来源于心脏的泵血功能，心脏泵血功能的实现是以其特定的生物电活动为基础的。按照心肌细胞不同的电生理活动特点，可将其分为两大类：一类是构成心房和心室壁的普通心肌细胞，即工作心肌细胞；另一类是具有自动节律性或起搏功能的心肌细胞，即特殊传导系统心肌细胞。心肌细胞具有的一般生理特性是：兴奋性、自律性、传导性和收缩性。正常心律的自律性兴奋由窦房结发出，传播到右心房和左心房，然后经房室交界区、房室束、浦肯野纤维传播到左、右心室，引起心房、心室先后有序的节律性收缩。心脏泵血的过程即是心脏进行节律性有序舒缩的过程。心脏一次收缩和舒张构成的一个机械活动周期即为心动周期，它可以作为分析心脏机械活动、研究其泵血机制的基本单位，对心脏泵血功能进行正确的评价具有重要的临床实践意义，其常用指标有心输出量、心脏作功量等。影响心输出量的因素有前负荷、后负荷、心肌收缩能力和心率。按照各类血管不同的功能特点，可将其分为三类：即动脉、静脉和毛细血管。血液由左心室泵出后，循动脉系统分配至各器官组织，在毛细血管网处进行物质交换后，又经静脉系统收集回流至右心房，继续新一轮的心肺循环。血压是指血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力，也即压强。血压的形成有两个基本的条件，即心血管系统内有血液充盈和心脏射血。动脉血压是血液在动脉内流动时对单位面积动脉管壁所产生的侧压力,可分为收缩压和舒张压。凡参与形成动脉血压的因素，都可以影响动脉血压。每个心动周期中，动脉内压力发生周期性的波动，引起动脉血管发生搏动，称为动脉脉搏。静脉又称容量血管，起着血液贮存库的作用。通常将右心房和胸腔内大静脉血压称为中心静脉压，由于其数值可以反映回心血量和心脏的射血功能，故在临床上常作为控制补液量和补液速度的指标。微循环是指微动脉和微静脉之间的血液循环。其基本功能就是进行血液和组织间的物质交换。物质交换的三种方式是：扩散、滤过和重吸收、吞饮。存在于组织、组织间隙内的液体称为组织液。组织液滤过和重吸收的相对趋势通常以有效滤过压的大小来衡量。淋巴系统是组织液回流入血的一条重要途径。淋巴回流的生理功能是将组织液中的蛋白质分子带回至血液中，并具有免疫和防御功能。 不同的生理状况下，各组织器官的新陈代谢情况不同，对血流量的需要也就不同。机体通过神经和体液调节机制，改变心肌收缩能力和心率以调节心输出量，改变阻力血管和容量血管的口径以调节外周阻力和循环血量，同时结合局部血流量的自身调节，从而协调地进行各器官组织间的血量分配。机体对心血管活动的神经调节是通过各种心血管反射实现的，其中较为重要的是颈动脉窦和主动脉弓压力感受性反射，在对动脉血压进行快速调节的过程中起重要作用。体液因素包括肾素血管紧张素系统、肾上腺素和去甲肾上腺素、血管升压素等，可调节全身或局部组织的血流量。由于各器官的结构和功能各不相同，器官内部的血管分布又多有特征。因此其血流量的调节有其自身的特点。在本章的最后，对心、肺、脑几个主要器官的血液循环特征进行了简要介绍，同时对其血流量的调节进行了一般分析。 心脏和血管作为血液循环的管道，亦具有一定的内分泌功能。如由心房、心室、血管内皮细胞分泌的钠尿肽在维持体内水盐平衡、血压稳定和心血管、肾脏功能调节方面有重要作用。血管内皮细胞可合成和释放舒血管物质如一氧化氮、前列腺素等，同时合成和释放缩血管物质如内皮素等。这些物质对调节血液循环、维持内环境稳定和生命活动的正常进行具有十分重要的意义。 循环系统由心脏和血管组成。血液在心血管腔内循环流动，形成血液循环。推动血液流动的动力是心脏的节律性收缩射血，血液沿动脉分布到全身，在毛细血管，血液和周围组织进行物质和气体交换，然后沿静脉回流到心脏，形成周而复始的循环。血液循环的主要功能是运输，运送营养物质和氧到全身，运送代谢产物到排泄器官，保证机体新陈代谢的不断进行和内环境理化特性的相对稳定；运送内分泌激素、白细胞和其他生物活性物质到相应的靶细胞，实现体液调节和血液的免疫、防卫功能。 心脏和血管还具有内分泌功能。由心房、心室、血管内皮细胞分泌的钠尿肽在维持体内水盐平衡、血压稳定和心血管、肾脏功能的调节方面有重要作用。由血管内皮细胞、平滑肌细胞和心肌细胞产生的内皮素具有强烈的的血管收缩作用，对血管舒缩和心脏活动有广泛影响，也和多种心血管疾病的发生有关。本章主要讨论心脏和血管在血液循环中的功能及其调节。第一节 心脏的生物电活动(The electrical activity of heart)心脏(heart)的主要功能是泵血，舒张时静脉血液回流入心脏，收缩时心室将血液射出到动脉。心脏的节律性收缩舒张是由于心肌细胞的自发性节律兴奋引起的。胚胎早期的心脏发育过程中，在收缩成份尚未出现前，已经呈现出自发节律（自律）的电活动。发育成熟后正常的心房心室有序的节律性收缩舒张，是由从窦房结(sinoatrial node，SAN)发出的自律性兴奋引起的。因此，为了说明心脏自律性兴奋、收缩的发生原理，必须先了解心肌细胞的生物电活动规律。心肌细胞(cardiac myocyte)分为两类：一类是构成心房和心室壁的普通心肌细胞，细胞内含有排列有序的丰富肌原纤维，具有兴奋性(excitability)、传导性(conductivity)和收缩性(contractility)，执行收缩功能，称为工作心肌(working cardiac muscle)；另一类是具有自动节律性(autorhythmicity)或起搏功能(pacemaker)的心肌细胞，在没有外来刺激的条件下，会自发地发出节律性兴奋冲动，它们也具有兴奋性和传导性，但是细胞内肌原纤维稀少且排列不规则，故收缩性很弱，这类细胞的主要功能是产生和传播兴奋，控制心脏活动的节律。这一类细胞包括窦房结、房室交界区、房室束、左右束支和浦肯野纤维(Purkinje fiber)，其自律性高低依次递减，合称为心脏的特殊传导系统。正常心脏的自律性兴奋由窦房结发出，传播到右、左心房，然后经房室交界区、房室束、浦肯野纤维传播到左、右心室，引起心房、心室先后有序的节律性收缩。这样，两类心肌细胞各司其职，相互配合，共同完成心脏的有效的泵血功能。 一、心肌细胞的电活动(The electrical activity of cardiac myocytes)心肌细胞膜内外存在着电位差，称为跨膜电位(transmembrane potential)。工作心肌在安静状态时细胞膜外为正，膜内为负，处于极化状态，膜内外的电位差值称为静息电位。特殊传导系统的心肌细胞，因为有自律活动（自动去极），不会有静息状态，只能用其最大极化状态时的膜电位值来代表，称为最大舒张电位。当心肌细胞兴奋时，产生一个可以扩播的电位变化，称为动作电位。动作电位包括去极化和复极化两个过程。心脏各部分心肌细胞的动作电位形态各异，图4-1是一个概略的示意图。心肌细胞的跨膜电位是由于离子流跨越细胞膜流动而形成的。在电生理学中，正离子由细胞膜外向膜内流动或负离子由膜内向膜外流动，称为内向电流(inward current)，它增加细胞内的正电荷，促使膜电位去极；反之，正离子由膜内向膜外流动或负离子由膜外向膜内流动，称为外向电流(outward current)，它增加细胞内的负电荷，促使膜电位复极或超级化(hyperpolarization)。跨膜离子流(transmembrane ionic current)大多经由位于细胞膜上的通道蛋白所形成的孔(pore)跨越细胞膜流动，是一种易化扩散。推动其流动的动力是细胞膜两侧的离子浓度差，但能否跨膜流动则取决于离子通道的孔是否开放。离子通道是否开放，有的取决于膜两侧的电位差，称为电压门控通道(voltage operated channel)；有的取决于细胞内、外的化学成分变化，称为配体门控通道(agonist operated channel)。离子流跨越细胞膜流动的第二种形式是离子泵(ionic pump)的主动转运，它逆着膜两侧的离子浓度差将离子由膜的低浓度侧转运到高浓度侧，这需要能量，消耗供能物质ATP，例如钠-钾泵、钙泵等。第三种跨膜离子转运方式是离子交换，例如细胞内外的钠-钙交换(Na-Ca2 exchange)，它的动力既来自膜内外的离子浓度差，也取决于膜内外的电位差。（一）静息电位人和哺乳类动物的心室肌细胞静息电位约为8090mV，其形成原理和骨骼肌、神经纤维的静息电位相似，主要是钾的电-化学平衡电位。工作心肌在静息状态下，细胞膜上的内向整流钾通道(inward rectifier K channel，IK1通道)处在开放状态，细胞内K循此外流，形成IK1，而细胞内带负电荷的大分子物质不能伴随外流，形成电-化学平衡，其电位数值可用Nernst公式计算得到的钾平衡电位(EK)来估算。心肌细胞膜内外的几种主要离子浓度及其平衡电位见表4-1。表4-1 心肌细胞主要离子浓度及其平衡电位离子 浓度(mmol/L) 内/外浓度比值 平衡电位(mV)细胞内液 细胞外液 Na 10 145 1:4.6 70K 140 4 35:1 94Ca2 10-4 2 1:20 000 132Cl 9 104 1:3.5 65心室肌细胞静息电位的实际测定数值总是低于钾平衡电位，这是由于在静息状态下，细胞膜外Na顺膜内外浓度差少量漏入细胞内（钠背景电流，Na background current），部分地抵消了细胞内负电荷之故。心房肌细胞膜上存在乙酰胆碱依赖性钾通道（IK-ACh通道）。它有自发性开放并受迷走神经末梢释放的递质乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)激活开放，所以心房肌细胞的静息电位易于变动。总的看来，工作心肌细胞的静息电位基本上是一个钾平衡电位，但受许多因素的影响（包括钠-钾泵、钠-钙交换）而偏离理论值。特殊传导系统心肌细胞的最大舒张电位在不同的细胞中数值相差很大。浦肯野细胞约为90mV左右，其产生原理和工作心肌细胞静息电位相似。窦房结细胞最大舒张电位仅为60mV左右。这是由于其细胞膜上的IK1通道极为稀少，对K的通透性(PK)较低，相对地，对Na的通透性(PNa)显得较高，钠背景电流使细胞内电位的负值较小。（二）动作电位心脏各部分心肌细胞的动作电位形态各异，幅值和时程不一，它是各部分心肌生理特性不同的电生理基础，保证了心脏的正常起搏、传导以及心房心室协调有序的兴奋、收缩，完成泵血功能。这也是心电图(electrocardiogram，ECG)波形产生的基础。心肌细胞动作电位的形态不同，说明形成它们的离子流(ionic current)基础不同。按照心肌细胞动作电位的电生理特性，特别是其去极化速率的不同，可以大致分为两类。一类是快反应动作电位(fast response action potential)，另一类是慢反应动作电位(slow response action potential)。具有快反应动作电位的心肌细胞有工作心肌和浦肯野细胞（包括房室束、束支），窦房结和房室交界区中的结区细胞动作电位属于慢反应动作电位。以下分别以心室肌细胞和窦房结细胞为例，对比它们的动作电位特征和离子流基础。1心室肌细胞动作电位心室肌细胞的动作电位特征是去极化（0期）迅速，复极化过程缓慢，分为1、2、3期。复极完毕后电位处在静息电位水平（4期）（图4-2）。（1）去极化过程（0期）：心室肌细胞受刺激而发生兴奋，膜内电位由90mV迅速去极化到30mV，形成动作电位的升支。0期时间短，约1ms。去极化速度很快，最大去极化速度(Vmax)达到200300V/s。0期去极化的发生原理主要是细胞外Na的内流。细胞受刺激而兴奋时，先有少量钠通道(sodium channel)开放，Na循膜内外浓度差内流，造成膜电位去极化。当去极化达到钠通道的阈电位(threshold potential)水平时（约70mV），钠通道快速激活(activation)开放，开放的通道数目和开放时间激增，Na迅速涌入细胞，称为快钠流(INa)，造成去极化。去极化是一个再生性过程，去极化引起Na内流，Na内流又进一步加速去极化，不断循环再生。与此同时，去极化也启动了钠通道的失活过程(inactivation)，失活过程使钠通道开放后迅速关闭，到0期去极化到达顶峰时，钠通道已接近完全关闭。由于钠通道激活快，失活也快，故称为快钠通道。快钠通道可以被河豚毒(TTX)选择性阻断。（2）复极化过程：快反应动作电位的复极过程缓慢复杂，可以分为1、2、3三个期。在不同动物（包括人）和同一种动物不同部位的心室肌，复极过程存在着差异。1）1期（快速复极初期）：在本期中，膜电位迅速复极。在人和狗的心外膜下心室肌和室壁中层的细胞（M细胞），膜电位由30mV快速复极到0mV电位水平。0期的快速去极和1期的快速复极构成一个尖锋状图形，称为锋(spike)。心内膜下心室肌1期复极程度较小，不构成锋图形（图4-3）。1期复极由短暂的瞬时性外向电流(transient outward current，Ito)所引起，其主要成份是K。Ito通道在膜电位除极到3040mV时激活开放，但迅即失活关闭，故名。Ito通道可以被钾通道阻滞剂4-氨基吡啶(4-AP)选择性阻断。2）2期（平台期）：本期复极缓慢，膜电位停滞在0mV水平，形成平台(plateau)，持续约100150ms，是心室肌动作电位时程长的主要原因。在心内膜下心室肌，由于1期复极不显著，所以2期呈平台形；而心室壁中层M细胞和心外膜下心室肌，由于1期复极显著，所以2期成为一个向上隆起的圆顶状。这些动作电位的形态特征有它们的离子流基础。平台期的形成涉及多种离子流，主要由于Ca2（和少量Na）的内流和K的外流处于相对平衡状态而形成。在平台期初期，由于钙流激活内流比较显著，在心外膜下心室肌和室壁中层M细胞形成一个向上的圆顶；在平台期的过程中，钙内流逐步减弱，而钾外流逐步增强，形成一个微弱的净外向电流，膜电位缓慢地复极而形成平台期的晚期。在平台期Ca2的内流通过L型钙通道(L type calcium channel，ICa-L通道)，它在膜电位除极到40mV水平时激活开放，但它的激活、失活和复活都很慢，故称L型(long lasting)。ICa-L通道虽然在动作电位0期激活，但其内流量要到2期才达最大值，随即失活，内流量逐步减少到停止，导致2期结束，3期开始。在平台期K的外流主要通过延迟整流钾通道(delayed rectifier K channel，IK通道)。IK通道在膜电位除极到40mV时激活开放，但通道的开放速率缓慢，在2期中K外流量逐步增加。Ca2内流量的逐步减少和K外流量的逐步增加，使2期形成一个缓慢的复极过程。当Ca2内流停止而K外流显著增加时，动作电位由2期（缓慢复极期）转入3期（快速复极末期）。 在2期中，另一个需要提到的钾通道是内向整流钾通道（IK1通道）。IK1通道具有内向整流特性，在0期除极中迅速关闭，K不能按照电位差循IK1通道外流，在平台期IK1电流几乎为零，使膜电位不能迅速复极化。3）3期（快速复极末期）：此期内复极过程加速，膜电位由0mV水平快速恢复到静息电位90mV，完成复极化过程，占时100150ms。3期复极加速主要是L型钙通道失活关闭，Ca2内流停止，而K外流又进行性增加所致。在3期之初，主要是IK外流，而当膜电位复极到60mV左右，IK1通道又被激活，K也可以循IK1通道外流，加速并最终完成复极化过程。在3期中，K的外流造成复极，而复极化又加速K的外流，所以也是一个再生性过程（图4-4）。（3）恢复期（4期）：在3期之末，膜电位虽然恢复到静息电位水平，但在动作电位期间流入细胞的Na、Ca2和流出细胞的K所造成的细胞内外离子分布变化尚未恢复。在4期之初，细胞膜上的钠-钾泵(Na-K pump)和钠-钙交换加强运转，排出Na、Ca2和摄回K。此外，位于细胞膜上的钙泵(calcium pump)也加强运转，将进入细胞内的Ca2泵出细胞。心肌细胞膜上的钠-钾泵和钠-钙交换都参与静息电位的形成，两者都具有生电性(electrogenic action)。钠-钾泵将细胞内Na泵出细胞，将细胞外K泵入细胞。它是Na-K-ATP酶，每分解一分子ATP，泵出3个Na，泵入2个K，净泵出一个正电荷，产生泵电流(pump current，I pump)，使细胞内电位变负。由泵电流产生的电位差不超过10mV。钠-钙交换的方向取决于细胞内、外的Na、Ca2浓度和膜电位水平。在交换过程中，是3个Na和1个Ca2跨越细胞膜交换，所以也是生电性的。在心肌细胞兴奋过程中，进入细胞的Ca2可以通过钠-钙交换排出细胞。因此在动作电位复极刚完毕时，1个Ca2的排出细胞交换3个Na进入细胞，使细胞内多一个正电荷，是一个内向的钠-钙交换流(INa/Ca)，也影响静息电位数值。心房肌细胞的快反应动作电位形成原理和心室肌大致相似，但钾流种类更多，复极较快，故动作电位时程(APD)较短，仅150200ms左右。心室浦肯野细胞的动作电位也是快反应动作电位，其特点是0期去极化较快，最大速率可达400800V/s，所以传导速度快，复极过程也呈锋型和圆顶图型，动作电位时程持续时间最长，可达400500ms。心室肌中动作电位时程的长短依次为：浦肯野细胞、室壁中层M细胞、心内膜下心室肌细胞、心外膜下心室肌细胞；另一方面，浦肯野细胞作为自律性细胞，不存在静息电位，在动作电位3期复极完毕后，细胞膜内电位达到最大负值，称为最大舒张电位或最大复极电位。2窦房结细胞动作电位窦房结是心脏自律性最高的心肌组织，具有起搏功能，是原始的心肌细胞，其细胞内肌原纤维很少而显苍白(pale)，故名P细胞。P细胞的细胞膜上IK1通道几乎缺如，而钠背景电流相对较大，因而最大舒张电位较正，约为60mV。另一方面P细胞膜上的快钠通道也不发达，并且由于最大舒张电位较正而处于失活关闭状态。当P细胞兴奋产生动作电位时，依赖ICa-L的内流而产生去极化（阈电位约为40mV）。由于ICa-L幅值远小于INa，流入速率又慢，因此P细胞去极化仅到0mV电位水平，很少超射，最大去极化速率慢，一般不超过10V/s。由于L型钙通道是慢通道，由它引起的动作电位称为慢反应动作电位。ICa-L内流造成P细胞去极化时，激活了细胞膜上的IK通道。在ICa-L通道逐渐失活关闭的同时，K循IK通道缓慢外流而引起复极。在3期复极化过程中，随着膜内电位变负，IK通道逐步去激活而K外流逐步减小或衰减。这种衰减过程一直持续到4期。在4期中这种外向K流逐渐减小是P细胞自动去极化的最重要的离子流基础。二、心肌的电生理特性(The electrophysiological characters of cardiac muscle)心肌细胞具有兴奋性、自律性、传导性和收缩性四个生理特性。其中兴奋性、自律性和传导性以心肌细胞膜的生物电活动为基础，属电生理特性。收缩性则以收缩蛋白的功能活动为基础，是心肌的机械特性。心肌的兴奋通过兴奋-收缩耦联(excitation-contraction coupling)引起心肌的收缩，完成泵血功能。（一）兴奋性心肌细胞具有对刺激产生兴奋的能力或特性称为兴奋性(excitability)。引起心肌细胞产生动作电位的刺激阈值越低，表示其兴奋性越高。1决定和影响兴奋性的因素（1）静息电位和阈电位之间的电位差：兴奋是由静息电位（最大舒张电位）去极化到阈电位水平而引起。两者的电位差距加大，则兴奋性降低；反之则兴奋性升高。例如在迷走神经兴奋时，其末梢释放的递质乙酰胆碱可使心房肌细胞膜上的乙酰胆碱依赖性钾通道开放，K循该通道外流，形成IK-ACh，使心房肌细胞的静息电位加大（超极化），更接近钾平衡电位，心房肌细胞的兴奋性因而降低。在生理情况下，阈电位水平很少变化，高血钙时心室肌阈电位上移，使其兴奋性降低。（2）离子通道的性状：INa通道和ICa-L通道都有备用（或称静息，resting）、激活(activation)和失活(inactivation)三种功能状态。处于何种状态，取决于当时的膜电位水平和在该电位的时间进程，即所谓电压依从性(voltage-dependence)和时间依从性(time-dependence)。以INa通道为例，在膜电位去极化到70mV开始再生性激活，随即失活关闭，一直要到动作电位复极化到60mV或更负，才能开始从失活状态恢复过来，称为复活(reactivation)，而INa通道要完全恢复到备用状态，需待膜电位回复到静息电位以后。ICa-L通道的激活慢、失活慢，而复活更慢，常见动作电位完全复极化后，兴奋性尚未完全恢复正常。2兴奋性的周期性变化在心肌细胞兴奋过程中，离子通道发生了激活、失活和复活等一系列变化，相应地细胞的兴奋性也发生一系列周期性变化。以下以心室肌细胞为例进行说明。（1）绝对不应期和有效不应期：从0期去极化开始到3期复极达55mV，无论多强的刺激，心肌细胞均不能产生反应，为绝对不应期(absolute refractory period，ARP)。这是由于INa通道都处在失活状态之故。从55mV复极到60mV这段时间内，给予强刺激可以产生局部兴奋，但不能产生动作电位，这是由于INa通道只有少量复活，不足以产生动作电位。因此，从0期去极化开始到复极化到60mV电位水平这段时间内，都不能产生动作电位形式的反应，合称为有效不应期(effective refractory period，ERP)。（2）相对不应期：从复极化60mV到80mV的时间内，若给予阈上刺激可以使心肌细胞产生动作电位，称为相对不应期(relative refractory period，RRP)。越是相对不应期的早期，引起动作电位所需要的刺激强度越大，潜伏期越长，产生的动作电位幅值越小，最大去极化速率越慢，动作电位时程越短。这是由于INa通道尚未回复到正常的备用状态，而IK通道尚未完全去激活，外向K流仍很大，所以复极化快，而动作电位时程短。（3）超常期：相当于膜电位80mV到90mV这段时期。由于膜电位接近阈电位，稍低于阈强度的阈下刺激，就可以引发出动作电位，表明兴奋性高于正常，故称超常期(supernormal period，SNP)。这是由于膜电位与阈电位距离较小，兴奋性较高。但应该指出，在超常期内，INa通道尚未完全恢复到正常的备用状态，故产生的动作电位幅值小，最大去极化速率慢，动作电位时程也短。关于慢反应动作电位，由于ICa-L通道复活速率很慢，往往在动作电位已经完全复极后，细胞仍处在不应期内，称为复极后不应状态(postrepolarization refractoriness)。 3兴奋性的周期变化和心肌收缩的关系（1）不发生强直收缩：由于心肌细胞的有效不应期长，相当于整个收缩期和舒张早期（图4-5）。因此心肌不会发生像骨骼肌那样的完全强直收缩，保证心脏的舒张和收缩交替进行，有利于心室的充盈和射血，实现泵血功能。 （2）期前收缩和代偿间歇：正常的心室搏动是由窦房结发出的节律性兴奋下传而引起的。如果在心室肌的不应期之后和下一次窦性兴奋到达之前，心室受到一次人工刺激或者来自异位起搏点的兴奋刺激，可以出现一次提前出现的收缩，称为期前收缩(premature systole)或期外收缩(extrasystole)，期前收缩本身也存在不应期。如果期前收缩之后紧接有窦性兴奋下传到心室，落在期前收缩的不应期之内，这次窦性兴奋就不能引起心室收缩而出现一次脱失，直到下一次窦性兴奋到达时心室才能再次收缩。这样，在一次心室期前收缩之后，往往有一段较正常为长的舒张期，称为代偿间歇(compensatory pause)（图4-6）。（二）自律性心脏特殊传导系统细胞在没有外来刺激的条件下，能自动发生节律性兴奋，这种特性称为自动节律性(autorhythmicity)，简称自律性。自律性的高低可用单位时间（分）内自动发生节律性兴奋的频率来衡量。1心脏的起搏点心脏特殊传导系统不同部位广泛存在自律细胞，但各部分心肌细胞的自律性存在着高低差异。窦房结P细胞的自律性最高，然后由高到低依次为房室交界区、房室束和末梢浦肯野细胞，它们每分钟的自律性频率分别为100、50、40和25次左右。心房心室各按当时驱动它们的最高自律性频率搏动。正常心脏，窦房结的自律性最高，整个心脏的节律性搏动由它控制，称为窦性节律(sinus rhythm)。因此窦房结称为主导起搏点(dominent pacemaker)。而窦房结之外的其他自律组织在正常情况下的节律活动频率受窦房结控制，只起兴奋传导作用，称为潜在起搏点(latent pacemaker)。潜在起搏点可以在窦房结起搏功能障碍或传出障碍时充当备用起搏点，取代窦房结以较低频率维持心脏跳动，因而具有生理意义。但当其自律性异常增高超过窦房结时，就成为异位起搏点(ectopic pacemaker)，控制部分或整个心脏，造成心律失常。窦房结通过两种方式对潜在起搏点进行控制，保证其主导心脏节律的作用：抢先占领(preoccupation)：窦房结的自律性高于其他潜在起搏点，当潜在起搏点4期自动去极化尚未达到阈电位水平时，已被窦房结传来的冲动所激动而产生动作电位，其自身的自律性无法表现出来。超速压抑(overdrive suppression)：自律细胞受到高于其自身固有频率的刺激而发生兴奋时，称为超速驱动。超速驱动一旦停止，该自律细胞的自律性活动不能立即恢复，需要经过一段时间后才能呈现，这种超速驱动后自律活动暂时受压抑的现象称为超速压抑。超速驱动的频率和自律细胞的固有频率相差越大，受压抑的时间也越长。超速压抑发生的原理十分复杂，在心脏不同部位原理不同。对心室肌的研究表明，超速驱动时细胞膜上的钠-钾泵活动增强，将高频活动时进入细胞内的大量Na及时排出，保持细胞内环境的稳定。超速驱动突然停止时，钠-钾泵活动仍处于增强状态，和进入细胞内Na量的减少不相匹配。前面已经提到，钠-钾泵运转一次，排出3个Na，泵回2个K，具有生电性，超速驱动停止后的一段时间内，钠-钾泵过度运转，形成一个外向电流，它既对抗了自律细胞自动去极化时的内向电流，又可以导致细胞膜超极化，使最大舒张电位和阈电位之间的电位差加大，自动去极化不易达到阈电位，因而出现一段时间的自律性压抑。如果窦房结起搏活动突然停止（窦性停搏），而潜在起搏点因受超速压抑而不能起搏，可以导致全心停搏而猝死。2自律性活动发生原理所有自律性心肌细胞的电活动都有一个共同特点，就是在没有外来刺激的条件下，其膜电位会发生自动去极化，达到阈电位就产生一个新的动作电位。这种自动去极化发生在4期，称为4期自动去极化，也称为舒张除极(diastolic depolarization)。从电学理论看，当内向电流和外向电流相等时，膜电位静息不变。内向电流逐渐增加或者外向电流逐渐减少都可以引起去极化。窦房结P细胞和浦肯野细胞是两种不同类型的心肌细胞，动作电位发生原理不同，而它们的自律活动发生在不同的最大舒张电位水平（浦肯野细胞90mV，窦房结P细胞60mV），这提示着它们的自动去极化发生原理也是不同的，以下分别进行讨论。（1）浦肯野细胞自律活动发生原理浦肯野细胞4期自动去极化的离子流基础是：外向K流的逐渐衰减；内向电流的逐渐增加。外向K流主要是指IK，它在除极到40mV时激活开放，而在复极到4050mV时去激活逐步关闭。由于IK通道的逐步关闭，循之而外流的K量逐步衰减减弱。但是这一衰减过程在膜电位复极化到90mV左右时已基本完成，所以它在自动去极化中起的作用很小。浦肯野细胞的主要起搏离子流是一种特殊的内向电流，其通道因膜电位超极化而激活开放，和其他的通道因去极化而激活开放截然相反，甚为奇异(funny)，故被命名为If通道。If通道在膜电位60mV开始激活，100mV充分激活，但If通道的开放缓慢，需要一定时间才能开放到该膜电位水平所能达到的最大开放程度。所以If电流在4期内逐步增大。当If内向电流引起的自动去极化达到阈电位水平时，就使浦肯野细胞产生一个动作电位。由于If通道的开放速率缓慢，所以浦肯野细胞的自律性低。 If电流是一种混合离子流，主要成份是Na。但是，一般的INa通道阻断剂如河豚毒(TTX)不能阻断它，而低浓度的铯(Cs)可以完全阻断它，而且INa和If通道的激活要求相反的膜电位变化，所以是完全不同的两种通道。（2）窦房结P细胞自律活动发生原理窦房结P细胞是心脏的主导起搏点，自律性最高，其自律活动的发生原理涉及多种离子流，既有外向电流的衰减，也有内向电流的增加，从而造成快速的4期舒张去极化。现选择几种主要的离子流介绍如下（图4-7）：1）IK：IK通道在P细胞去极化时激活开放，在复极化到4050mV时逐渐去激活关闭，IK逐步衰减。这种外向电流的逐渐衰减造成内向电流幅值相对地逐渐增加，引起舒张去极化。由于IK的电流幅值很大，所以在窦房结P细胞的起搏活动中，起着最重要的作用。应该指出，IK的衰减在窦房结P细胞的自律活动发生原理中重要而在浦肯野细胞不重要，主要由于两者的最大舒张电位水平不同之故。前者最大舒张电位为60mV，这时IK的幅值很大，举足轻重；后者最大舒张电位为90mV，IK的衰减已经接近完毕，幅值很小，故所起作用很小。2）ICa：心肌细胞的跨膜钙流有两种，一种是L型(ICa-L)，形成窦房结细胞动作电位的去极化；另一种是T型(ICa-T)，比较微弱而短暂(transient)，故名。ICa-T通道的激活膜电位比较负，约为5060mV（ICa-L通道的激活电位为40mV）。窦房结P细胞复极到最大舒张电位60mV时，ICa-T通道被激活开放，Ca2循之内流，引起舒张去极化。当舒张去极化达到ICa-L通道的阈电位水平时，ICa-L通道激活开放，产生一个新的动作电位。3）If：在窦房结P细胞最大舒张电位水平，If通道的激活程度很小，If形成的内向电流也很小，所以在P细胞的舒张去极化发生原理中作用不很重要。但是，If通道对植物神经递质去甲肾上腺素和乙酰胆碱十分敏感，植物神经可以通过改变If通道的活动而调变窦性心律。图4-7 窦房结P细胞舒张去极化和动作电位发生原理3决定和影响自律性的因素自律性的高低取决于自动去极化的速度和最大舒张电位与阈电位之间的电位差距（图4-8）。（1）最大舒张电位和阈电位之间的差距：两者间差距越小，自动去极化越易达到阈电位，自律性越高。阈电位很少变化，迷走神经递质乙酰胆碱使IK-ACh通道开放，K外流，最大舒张电位绝对值增大，和阈电位差距变大，自律性降低。（2）4期自动去极化速度：速度越快，从最大舒张电位去极化到阈电位所需时间越短，自律性越高。交感神经递质去甲肾上腺素通过兴奋1受体，促进If和ICa-L通道开放，使窦房结和心室浦肯野细胞的自律性增加，既可以加快窦性心律，也可能引发室性期前收缩。迷走神经递质乙酰胆碱，除了可以增加K外流外，还可以抑制If和ICa-L通道，降低窦房结自律性。4自律性和心律失常（1）窦性心律失常：正常窦房结以规则的节律发出冲动，每分钟约60100次。自律性过高、过低、不规则或不能发出冲动，分别产生窦性心动过速、窦性心动过缓、窦性心律不齐和病态窦房结综合征。（2）异位性心律失常：指由异位起搏点产生的心脏节律。一类是由于窦房结不能正常地发出冲动，潜在起搏点取代之产生冲动，保证心脏节律性跳动，称为逸搏(escape)。另一类是由于异位起搏点自律性异常增高，超过窦房结的自律性，异位起搏点抢先控制心脏产生提前的搏动，称为额外收缩或早搏(premature)。逸搏和早搏可以分别起源于心房、房室交界区或心室。（三）传导性心肌细胞具有传导兴奋的能力，称为传导性(conductivity)。兴奋的传导依靠局部电流刺激相邻细胞，使后者也发生兴奋。细胞间兴奋的传导主要经由闰盘的缝隙连接(gap junction)进行，因为该处电阻低，局部电流易于通过。心肌传导性的高低用兴奋的传播速度来衡量。1心脏内兴奋传播的特点 （1）兴奋通过特殊传导系统的有序传播：正常的节律性兴奋由窦房结产生，传到右、左心房。心房内兴奋除由心房肌本身直接传播外，还杂以浦肯野样细胞的优势传导通路(preferential pathway)，快速将兴奋传播到两侧心房，使两侧心房几乎同时收缩，形成一个功能合胞体(functional syncytium)。优势传导通路同时将兴奋传播到房室交界区，经房室束、左右束支、浦肯野纤维网到心室心内膜下心肌，然后依靠心室肌本身的传导，将兴奋经室壁中层传到心外膜下心肌，引起左右心室的兴奋收缩。由于心室内传导迅速，所以两侧心室也形成一个功能合胞体。（2）心脏内兴奋的传导速度：心脏各部分心肌细胞电生理特性不同，细胞间的缝隙连接分布密度和类型不同，使得兴奋在心脏各部分的传导速度不同。心房肌的传导速度约为0.4m/s，优势传导通路约为1.01.2m/s。房室交界区的传导性很低，尤其是其中间的结区细胞产生的动作电位是慢反应动作电位，传导速度仅为0.02m/s，兴奋通过房室交界区耗时约0.1s，称为房室延搁(atrioventricular delay)。房室延搁的存在具有重要生理意义，它保证心室的收缩发生在心房收缩完毕之后，有利于心室的充盈和射血。兴奋传播通过房室交界区进入房室束、左右束支和浦肯野纤维网后，传导速度骤然加快，达到24m/s，将兴奋迅速传导到左右心室。这是由于浦肯野细胞直径粗大、细胞内阻小，动作电位0期最大去极化速率快（可达400800V/s）、细胞间耦联紧密、缝隙连接又充分发育的缘故。左右束支和浦肯野纤维顺次兴奋室间隔、心尖和心底。浦肯野纤维深入室壁内层兴奋心室肌细胞，然后由心室肌细胞以0.40.5m/s的传导速度使室壁由内而外发生兴奋。由于室内传导系统传导兴奋迅速，所以左右心室也几乎同时收缩，形成功能上的合胞体。（3）房室交界区传导的生理、病理意义：房室交界中间部的结区兴奋时产生的慢反应动作电位是房室延搁重要的电生理基础。另外，前文已谈到，慢反应动作电位的不应期特别长，往往延续到动作电位完全复极后，称为复极后不应期。房室交界区的长不应期对来自心房的过高频率的兴奋冲动（例如心房纤维性颤动时颤动频率可以高达500次/分）有一个阻滞过滤作用，落在房室交界区不应期中的兴奋不能下传到心室，只有在不应期过去后，心房的兴奋才能下传到心室，使心室有一定的时间充盈和射血，对循环机能有一个保护作用。但另一方面，正因为房室交界区传导速度慢，不应期长，对传导功能而言是一个薄弱环节，容易发生传导阻滞。房室传导阻滞是比较常见的一种疾病。2影响传导性的因素 （1）结构因素1）心肌细胞：直径粗大、细胞内结构简单者，细胞内电阻较低，传导速度较快。例如浦肯野细胞直径可达70m，细胞内肌丝较少，传导速度可达4m/s；而房室交界区中间部位的结区，细胞直径仅34m，传导速度只有0.02m/s。2）细胞间连接：心肌细胞间的兴奋传导通过缝隙连接完成。它是存在于相邻细胞间的膜通道结构。它不仅进行着细胞间信息的直接交流，对细胞的新陈代谢、增殖和分化过程都起着重要调控作用。构成缝隙连接的连接蛋白(connexin，Cx)有多种，不同心肌细胞间缝隙连接的分布不同，连接蛋白也不同，数量上也存在很大差异，这也是它们传导速度不同的一个重要因素。缝隙连接通道既是电压依从性的，也是化学依从性的。当心肌细胞受到损伤，细胞内酸中毒，pH值下降时，通道关闭，细胞间兴奋传导减慢。（2）生理因素兴奋传导依赖局部电流的传播来完成。传导速度快慢取决于兴奋细胞电活动引起的电位变动大小以及未兴奋部位的细胞能否接受刺激而发生兴奋。1）兴奋细胞动作电位0期去极化速度和幅度：动作电位0期去极化速度越快，幅度越大，所形成的局部电流就越大、向前影响范围越广，相邻细胞去极化达到阈电位的速度就越快，传导速度也就越快。快反应动作电位去极化速率快，幅值大，所以浦肯野细胞、心房心室肌的传导速度快，而产生慢反应动作电位的窦房结、房室结细胞传导速度慢。 膜反应曲线(membrane responsiveness curve)的概念：快反应动作电位的0期去极化依赖于快钠通道的激活开放，后者又依赖膜电位的大小。前文已经谈到，快钠通道有激活、失活、备用三种状态，当心肌细胞膜处于正常极化状态，静息电位（或最大舒张电位）为90mV时，快钠通道处于正常备用状态，一旦兴奋，通道可以充分激活开放，Na快速内流，动作电位0期去极化速率可以达到最大值。如果心肌细胞膜电位部分去极化，快钠通道就处于部分失活状态，兴奋时不能充分开放，Na内流量减少，动作电位0期去极化速率降低。心肌细胞膜电位部分去极化到40mV，快钠通道全部失活，不能开放，不能产生快反应动作电位。如果以膜电位为横轴，以0期最大去极化速率为纵轴作图，可见两者的关系是一个S形曲线，称为膜反应曲线。某些药物可影响膜反应曲线的改变，如苯妥英钠可使膜反应曲线左上移位，提高传导性（图4-9）。3相阻滞和4相阻滞：当房性期前收缩传导到心室，如果束支、心室肌细胞的动作电位尚未复极完毕，膜电位尚在部分去极化状态（3期），这时传导速度慢于正常，称为3相（期）阻滞(phase 3 block)。当房性逸搏下传至心室时，由于和上一次心动的间歇期过长，浦肯野细胞由于其本身固有的自律性，已经发生舒张除极，膜电位部分去极化，逸搏在心室内的传导速度也慢于正常，由于这种传导阻滞发生在4期，故称为4相（期）阻滞(phase 4 block)。2）邻近未兴奋部位心肌的兴奋性：邻近未兴奋部位的心肌细胞静息电位和阈电位的电位差增大时兴奋性降低，膜去极化达到阈电位所需时间延长，传导减慢。若邻近心肌细胞膜快钠通道处在失活状态则不能引起兴奋，导致传导阻滞。若邻近心肌细胞膜快钠通道处于部分失活状态（如处于相对不应期或超常期内），则兴奋时产生的动作电位0期去极化速率慢、幅度小、传导减慢。三、心电图(Electrocardiogram)正常心脏的节律性兴奋，其激动自窦房结发出后，按一定的途径和时程，依次传向心房、房室交界区和心室。与此伴随而产生的生物电活动，其传播方向、途径、顺序和时间都具有一定的规律性，具有很强的可重复性。人和动物的机体是容积导体，心脏的生物电活动可以传播到全身，用记录电极放置在身体任何部位，均可记录到有规律的电位变化，但波形因电极放置部位不同而不同。为便于分析对比，临床上将记录电极放在统一的肢体和胸前规定部位记录，分别称为肢（体）导联和胸（前）导联，所记录到的规律性的电位变化图形，称为心电图(electrocardiogram，ECG)。心电图反映的是心脏节律性兴奋的发生、传播和恢复过程中的生物电变化，和心脏泵血功能无直接关系。（一）正常心电图的波形及其意义正常心电图由P波、QRS波群和T波组成，有时在T波之后还有一个小的U波。心电图记录纸上有横线和纵线划出的小方格，其高和宽均为1mm，作为测量时间和电压的坐标，以横线表示时间，纵线表示电压。通常情况下，纸的走速和放大器灵敏度调节为横向每小格0.04s，纵向每小格代表0.1mV（必要时可以改变纸的走速和放大器灵敏度，但必须在记录纸上写明或明确定标），因此可以在记录纸上直接读出心电图各波段的电压幅值和时间（图4-10）。1P波(P wave)：由右、左心房的去极化产生，波形小而圆钝，波幅小于0.25mV，时间0.080.11s。右心房肥大造成P波高耸，左心房肥大造成P波时间延长或伴切迹。在P波前有窦房结的去极化，但其电位变化太微弱，用一般的心电图记录方法难以显示。故心电图用P波间接反映窦房结的电位变化。2P-R间期(P-R interval)：指从P波起点到QRS波群起点之间的时间，一般为0.120.20s。它反映兴奋从窦房结产生后，经过心房、房室交界区、房室束、束支、浦肯野纤维到达心室肌所需要的时间。其中大部分时间是在房室交界区内的传导。当房室传导延缓时，P-R间期延长；如果房室传导完全阻滞，则P波后不继以QRS波群。3QRS波群(QRS complex)：反映左、右心室按一定顺序的去极化过程，历时0.060.10s。QRS波群中第一个向下的波称为Q波，第一个向上的波称为R波，在R波后面向下的波称为S波。由于各个导联在机体容积导体中所处的电场位置不同，所以在不同导联中这三个波并不一定都出现。QRS波群增宽，反映兴奋在心室内传导时间延长，可能有室内传导阻滞或者心室肥厚；QRS波群幅值增大，提示心室肥厚。如果是室性期前收缩，由于在心室内传导途径改变，传导速度减慢，QRS波群宽大畸形而且在它的前面没有与之有关的P波。4ST段(ST segment)：指QRS波群终点到T波起点之间的线段。正常心电图ST段位于近基线的等电位水平，反映心室各部分之间电位差很小。ST段的上抬或下移离开基线达到一定范围，具有重要的疾病诊断意义。5T波(T wave)：由心室复极化产生。波幅一般为0.10.8mV，历时0.050.25s。T波方向和QRS波群的主波方向应该一致。在QRS波群主波向上的导联中，T波波幅不应低于R波的1/10。T波是由于各部分心室肌的复极化不同步，出现电位差而形成。在不同导联T波形态各异。心房复极波（心房T波，atrial T wave，Ta）：Ta波紧接在P波之后，方向与P波方向相反。由于心房复极电位微弱，波幅低，在时间上和P-R段、QRS波群重合在一起而被掩盖，一般不能看到。如果房室传导完全阻滞，房室脱节或心房肥大时，有时在心电图上可以看到Ta波。6Q-T间期(Q-T interval)：指从QRS波起点到T波终点的时间。代表心室开始兴奋去极化至完全复极的时间。Q-T间期的时间长短和心率呈负相关，这主要是由于心室肌动作电位时程因心率增快而缩短的缘故。7U波(U wave)：在T波后0.020.04s有时可以记录到一个低而宽的电位波动，