《心脏电生理学》PPT课件.ppt

第一章心脏的电生理研究,心脏的生理活动主要涉及三个方面：电活动：起搏、兴奋、传导；机械活动：即收缩和舒张的泵血活动；分泌活动：心脏可分泌多种生物活性物质心房肽、Ang?、前列腺素、洋地黄样物质等。,本专题主要讨论心脏的电生理活动，包括电生理研究方法、心脏的离子电流、离子运转，为心电图原理和心律失常发病机理的探讨打下基础。,第一节心脏的电生理研究方法,1855年，Klliker和Mler将蛙离体神经-肌肉标本的神经一端放在其心脏表面时，骨骼肌可随心脏跳动而收缩。其后，在麻醉开胸犬中，将膈神经放在暴露的心脏表面，膈肌也随心跳而收缩。1880年，Burdon?Sanderson&Pagel毛细管电位计观察了蛙心室肌动作电位，即把一个电极放在心室表面，另一电极放在烫伤的心尖部，记录到典型的心室肌动作电位。,1903年，荷兰Leiden大学生理学教授Willem?Einthoven用灵敏的弦线电流计记录完整心脏的电活动，以观察心脏的兴奋功能，称为心电图（心电图，ECG）。但直到1910年才用于临床。由于Einthoven在心电研究的卓越贡献，于1924年荣获诺贝尔生理学奖。1936年，Goldenberg&Rothberger利用弦线电流计记录到狗浦氏纤维动作电位。这些观察应算是心脏电生理研究最早的实验。,心脏病的科学进入了新的篇章，它不是靠一个人的工作,而是许多天才的科学家，超越了任何政治藩篱，潜心钻研而成。他们在世界各地，为了科学的进步，为了达到造福于深受疾病折磨的人类的目标，贡献了全部的精力。WillemEinthoven（摘自1924年Einthoven诺贝尔获奖演讲稿）,纵观近百年来的心脏电生理研究，可分为整体体表电极对心脏电活动的观察ECG；或从特殊部位置入电极记录希氏束电图、窦房结电图；后来，在原位心脏、离体心脏、或单个心肌细胞的膜内外进行观察，其电位变化是细胞膜两侧称为跨膜电位（transmenbrane潜在的，TMP），总称为心脏细胞电生理学（心脏的细胞的电生理学）。,一、细胞内微电极技术心肌细胞跨膜电位的研究比神经纤维更为困难，如枪乌贼巨大神经轴突的直径可达1000m，而心肌细胞则远比这小，牛浦肯野纤维的直径约70m，人和犬心室肌纤维的直径约15m，房室交界结区细胞仅为3m。,研究心肌细胞电生理需要解决的一个重要问题是微电极。金属可以通过加温拉制成微电极，但其弱点是，尖端越细，硬度越低，难以穿透细胞膜。1949年，凌宁和Gerard在芝加哥大学创造出尖端直径小于0.5m的玻璃微电极，其内充灌导电溶液（KCl），通过金属丝与复合跟随器相连，引导的电位经放大后输入示波器显示，称为细胞内微电极技术（intracellularmicroelectrode技术），也称标准微电极技术。,英国剑桥大学的Hodgkin和贺胥黎一直从事电生理研究，当他们得知凌宁的工作后，非常感兴趣，Hodgkin亲自到芝加哥大学访问凌宁，并将玻璃微电极拉制技术带回英国。利用微电极和电压钳制技术，在枪乌贼巨大神经轴突上开创了细胞膜离子电流的研究工作，并获诺贝尔生理学奖。,1949年，Weidmann（瑞士）和Coraboeuf（法国）在Hodgkin实验室用玻璃微电极研究了各种细胞的生物电，最后，他们记录了狗浦肯野纤维的跨膜电位，包括静息电位（静止的潜在的）和动作电位（动作潜在的）。,1950年，凌宁的学生Woodbury等在原位蛙心记录到心室肌细胞跨膜电活动，但稳定性较差。离体心肌则不同，不但稳定性好，而且易于控制环境，可在灌流液中加入各种药物或试剂，以便分析和研究。,1950年，Hoffman在美国纽约州立大学建立了心脏电生理实验室，Fuortes从剑桥大学带来了Hodgkin实验室的经验，Cranefleld也加入到这个实验室。从此，Hoffman实验室就成为美国心肌电生理学的研究中心，大部分美国知名心肌电生理学家出自Hoffman实验室，其弟子也遍布各地。,在德国（原联邦德国），Trautwein创立了自己的心肌电生理实验室，后来发展成为欧洲最有影响的研究室。在日本，入泽（Irisawa）是日本心肌电生理学的奠基人。Woodbury于50年代作为原子能委员会的成员到日本工作，将心肌电生理学技术传授给入泽。后来的日本心肌电生理学家大多是入泽的门徒。,总之，20世纪50年代是心肌电生理学研究的开展与推广时期，其方法就是标准微电极与细胞内记录。这一时期的代表著作以Hoffman和Cranefield所著心的电生理学（1960）最具有影响。,二、电压钳制技术,电压钳（电压夹子）技术：离子作跨膜移动时形成了跨膜离子电流（I），而膜对离子的同透性大小就是膜电阻（R）或其倒数电导（G），膜电导即膜的通透性。测定膜在受刺激时跨膜电流的改变，技术上是容易的，但要保持膜电位固定不变则较难。因离子流会使不导电而有电容特性的脂质膜充电或放电，这必然要使膜电位改变。,Hodgkin等设计了一种负反馈原理的电子学装置，能在膜电位恒定的情况下测量跨膜离子电流的强度的改变，并计算出膜电导。,电压钳制技术模式图,由Hodgkin和贺胥黎建立的电压钳制技术在枪乌贼巨大神经轴突上获得了成功，将此技术应用在心肌上也应是必然趋势。然而，由于技术难度大，在相当长的一段时期难以解决。Trautwein与甲板（德国1964）用双电极电压钳制技术在狗浦肯野纤维上记录出离子电流。在欧洲，心肌离子电流工作在四个实验室相继迅速发展（德国的Trautwein；英国的高尚的；比利时的Isenberg；法国的Coraboeuf）。,从6080年代，心肌离子电流的研究工作可说是在欧洲进行的。在此期间，发现并阐明了心肌细胞各主要离子电流的基本特性，如：INa、ISi、Ik1、Ik、ITo、ITi、INa-Ca、Ipump等，为心肌细胞电生理学构建了离子水平的基本框架。值得提出的是Isi的发现，这是神经纤维上没有的，也是以前不为人所知的电流，它的发现，带动了钙离子流及其阻断剂研究的热潮。,1975年M.Callister，高尚的和Tsien以牛的浦肯野纤维为标本，研究了离子电流，并根据已有的电压钳研究结果加以镶嵌总结，提出了MNT模型。1984年，高尚的根据电压钳制术的进展，将单个细胞和小片膜钳制术的初步研究结果加以总结，于1984年在安RerPhysio.发表了重要评论，并对以前的研究结果加以更正。,三、单个细胞技术,1980年，Powell应用心脏的单个细胞进行了研究，称单个细胞技术（单一的单元技术）。将游离的单个心肌细胞，用细胞内微电极技术观察其电位变化，也可进行单个细胞电压钳制术或小片膜钳制术观察离子电流。单细胞的获得：大细胞用切割法，小细胞用酶分离法（胶原酶、胰蛋白酶）。,单个细胞与多个细胞组织相比，可避免临近细胞之间的干扰和细胞间离子浓度变化的影响。此外，对单个细胞的电压钳制，作用快速而均匀，并可进行细胞内各种试剂或药品的注射，以观察其效应。但是，细胞分离后，与原来在多细胞时的状态有所不同，其结果应综合分析。,四、细胞膜小片钳制术,离子电流研究的进一步发展，就提出了如何揭示单个离子通道活动的问题。1976年，德国生理学家Neher和Sakmann首次报道在单个骨骼肌纤维上用他们独创的方法记录到单通道电流，称为膜片钳技术（片夹子技术）。1981年，Hamill等经过对该技术的改进，在单个心肌细胞应用膜片钳技术对单个离子通道的离子电流进行了观察。,片夹子技术是将加热、抛光的微吸管电极尖端由负压紧密吸附在小片膜上，可在单细胞或从细胞撕下的小片膜上进行。随着对单个离子通道及其离子电流活动规律的深入了解，使跨膜电位的形成机理得到了更为确切的阐明，对心肌细胞电生理的研究跨入历史新阶段产生了重要影响。Hamill等的成就获得了生理学诺贝尔奖，这是在离子通道与离子电流研究中所获得的第二个诺贝尔奖，可见这方面研究的重要性。,20世纪50年代以来，心肌细胞电生理研究的发展，使心脏的兴奋功能得以在电变化和离子活动的理化基础上加以阐明。但对心肌电生理的研究，由于技术上存在着较多的困难，目前对心脏兴奋功能基本原理的了解还不够充分，心律失常的形成机制亦远未能清楚地认识，因此，临床上抗心律失常药物的应用基本只在经验疗法阶段，与合理疗法尚有较大距离，有待深入研究。,第二节心肌的离子电流,一、离子电流的概念,带电离子的跨膜活动称为离子电流（离子的当前的），一般以毫微安（nA）计算。Ii代表整个细胞的离子电流，即很多通道所形成的平均电流，ii代表单个通道的离子电流。,（一）离子电流的形成1.离子扩散离子从膜的高浓度一侧向低浓度一侧所形成的流动，包括内流（流入）和外流（流出物），均可产生离子电流。离子电流具有一定的性质、方向、大小和速度，主要取决于膜的离子电导和跨膜电-化梯度。,离子电导（离子的电导，gi）是指膜对离子通透性的大小，即膜电阻的倒数。有钠电导（gNa）、钾电导（gK）、钙电导（gCa）等。离子电导以姆欧（姆欧）为单位，姆欧是欧姆（欧姆）的反写。因此:离子电流=离子电导?（跨膜电位离子平衡电位）,2.离子通道（1）离子通道的组成离子通道(离子的通道)是镶嵌在细胞膜上的特殊蛋白质，贯穿于整个细胞膜的脂质双分子层中。通道具有充水小孔，并有选择性滤器（选择性适合,SF),以选择可通过的带电的离子。通道还受阀门（门）控制，以决定通道的开放和闭。阀门是通道内的带电成分，可受跨膜电场势的影响而产生定向移动，形成阀门活动，使通道开放或关闭。,（2）离子通道的类型电位-依从性通道（潜在的-依靠的通道,PDC）亦称电压-依从性通道（电压-依靠的通道,VDC）此通道的阀门活动受跨膜电位的控制，并随时间而改变，即具有时间-依从性和电位-依从性。,受体-操纵性通道（受体-操作通道,巨鸟）此种离子通道与特殊受体蛋白相联系，当配体激动受体时，引起通道内化学阀门的构型改变，使通道激活开放。渗漏通道（漏洞通道）此通道非电位和非时间依从性，无论在静息电位还是动作电位，通道均保持开放状态，故总有离子通过，形成一种渗漏电流（漏洞当前的,Li）,亦称背景电流（后面的地面当前的,Ib）。,（3）离子通道的状态离子通道根据阀门的活动，可有以下几种状态：静息（静止的）、激活（活化）、失活（inactivation）和恢复（恢复）。四种状态有规律性的转换关系为：,几种状态之间的变化是顺时钟进行，不能跳跃，亦不能逆向，这主要由通道的特性所决定。,（二）离子电流的类型离子电流根据其离子的种类、电荷性质、扩散方向、流动速度等特性，将离子电流分为两大类。1.内向离子电流（inwardioniccurrents）正离子内流或负离子外流称为内向离子电流，此电流使膜内电位趋向于正，对膜有去极化作用。2.外向离子电流（outwardioniccurrents）正离子外流或负离子内流称为外向离子电流，此电流使膜内电位趋向于负，对膜有负极化作用。,二、离子电流的种类,（一）钠电流钠电流（钠当前的，INa）亦称快钠内向电流（紧的向内钠当前的）或兴奋性钠电流（有刺激性的钠当前的）。钠电流形成快反应动作电位的0期去极化，它为心肌、神经和骨骼肌所共有，其特性也非常相似。,1.钠通道的特性钠通道（钠通道）在心肌细胞膜和T管上都有，但其密度后者只有前者的1/2。根据膜片钳的研究，心室肌细胞膜上的Na+通道为1016个/m2，远比骨骼肌（200300）和巨大神经轴突（200500）为少。钠通道的选择性较强，除Na+外，只有Li+能通过，Li+的直径和生物学特性与Na+相近，亦能形成内向电流。钠通道的外侧口可被河豚毒（tetrodotoxin，TTX）和贝介毒（saxtoxin，STX）选择性和可逆性阻断。,TTX的分子量为320，只堵塞外侧口，对通道内的阀门无影响，故将其注入细胞内不起作用。心肌对TTX的敏感性比神经和骨骼肌低，如心肌的浓度为10-6M，神经和骨骼肌只需10-9M。钠通道的内侧还可被局麻药（可卡因）和某些抗心律失常药（利多卡因、奎尼丁、慢心利等）所阻断，故有细胞内抗心律失常作用。,2.钠通道的阀门钠通道有开阀和关阀两种门，开阀（m）为激活阀，位于通道外侧部；关阀（h）为失活阀，位于通道内侧部。,细胞膜的钠通道示意图,（1）开阀的活动钠通道的阀门活动是电位和时间-依从性，开阀的活动快速。稳态激活变数：膜电位保持在一定水平时开阀充分激活的数值称为稳态激活变数（稳固的情形活化变量，m）。激活变数与跨膜电位之间的关系形成稳态激活曲线（不变的活化曲线），此曲线呈“S”型。,研究表明，随着膜去极化，m激活的数量不断增多。激活变数在90mV时，m为0，即全部m关闭。约70mV开始激活，40mV为0.5，即m50%的激活开放，20mV为1，即全部激活开放。在其后的去极化过程中，m门继续保持开放，在复极化时迅速失活关闭。,钠通道与离子电流,激活时间常数：m的激活速度非常快，其激活时间常数（活化时间常数，m）1ms，激活开始后0.1ms大部分m开放，约1ms全部开放。研究表明，大鼠心室肌细胞单个Na+通道的激活常数为0.8ms。由于快钠通道几乎同时激活开放，故整个细胞Na+通道的激活时间也在0.8ms左右。,（2）关阀的活动关阀（h）的失活较慢。稳态失活变数:（不变的inactivation变量，h），h门的稳态失活曲线也呈“S”型，但其变化与m相反。膜电位在9080mV时h为1，即尚未失活，完全处于开放状态。去极化到约75mV时开始失活，约在-70mV时为0.5，即半数失活，约-50mV时为0，即全部h失活关闭。,失活时间常数：h的失活时间常数（h）约为5ms，从失活开始起约经1ms后，只有小部分h失活关闭。大鼠心室肌膜片钳研究表明，Na+通道失活有两种不同时间，90%的失活时间较短，只需数毫秒，10%的失活非常缓慢，可达数百毫秒。3.钠通道的活动过程钠通道的活动可分为四个过程：,（1）静息状态m关闭，h开放，Na+通道处于可被激活的备用状态（可用到的情形）。（2）激活过程当去极化到阈电位（-70mV）时，m迅速开放，经0.1ms大部分开放，至1ms全部开放。h的失活较慢，约-75mV开始关闭，约经1ms小部分关闭，2ms半数关闭，5ms大部分关闭。因m快，h慢，故Na+通道全开时间约1ms。Na+依其电-化梯度迅速内流，形成0期去极化。,Na+通道的特点是整个细胞的通道几乎同一时间全部开放。据测定，每次开放时约有10000个Na+进入细胞内。（3）失活过程即h关闭，90%的Na+通道约在45ms内失活，10%的失活缓慢，形成晚期Na+内流，此时的Na+通道对TTX更敏感。研究表明，单个心肌细胞的晚期Na+内流有三种成分：,稳态Na+电流（不变的钠当前的）亦称窗Na+电流（窗口钠当前的），是由一小部分保持开放的Na+通道形成的一种微弱稳态电流，其强度为锋电位的0.06%，这种Na+电流为电位-依从性，而非时间-依从性，膜电位在-60-15mV之间产生，对0期去极化无影响，与2期平台的持续和动作电位时程（APD）的延长有关。稳态Na+电流并不出现在膜电位?-90mV时，即不影响静息电位，因而也不是Na+内向背景电流。,缓慢Na+电流（慢的钠当前的），这是一电位和时间-依从性Na+电流，对TTX特别敏感，失活时间常数可达数百毫秒，形成一种微弱而持久的内向电流。Na+内向背景电流（向内背景钠当前的，INa.b），这是一种非电位和非时间-依从性的渗漏电流，Na+通过无门钠通道内流，INa.b与静息电位的形成以及2期平台的持续有关。,钠通道的阀门活动变数,（4）恢复过程即指通道解除失活的过程。复极化过程中，m大部分迅速关闭，h逐渐开放，但h开放慢，至3期-60mV时少量开放，此时，若部分去极化到钠阈电位而激活m，则由于h开放的数量少，只有少量Na+内流产生一种低常性AP，称为期前去极化（早熟的去极）或期前兴奋（早熟的刺激）。,若h尚未开放，则完全不能产生Na+内流，称为有效不应期（ERP）。随着复极化的继续，h开放的数量不断增多，复极化到静息电位时，h全部开放，钠通道的失活完全解除，进入可再激活的备用状态，称为恢复过程。,（二）钙电流钙电流（钙当前的，ICa）因较钠电流慢，故称缓慢内向电流（慢的向内当前的，Isi），或称第二内向电流。ICa是形成慢反应动作电位及其兴奋功能的主要成分，此外，在肌肉收缩、腺体分泌、递质释放、酶的活性和生化代谢中也发挥重要作用，形成一种钙信使系统。钙电流的发现也是“钙通道阻断剂”的产生基础，具有重要生理意义。,1.钙通道的特性钙通道亦称慢通道，存在于心肌的细胞膜、横管膜、肌质网膜上，钙通道的直径比钠通道大，但其密度则较低（约5个/m2）。据测定，大鼠每个心室肌细胞含钙通道约200010000个。在膜脂质双层中，钙通道蛋白呈现一定间隔。,钙通道也是一种双门通道，且有选择性滤器，但其选择性较钠通道为低，除Ca2+外，Na+亦少量通过，产生慢钙内向电流（慢的向内钙当前的，ICa.s）和慢钠内向电流（慢的向内soldium当前的，INa.s）。钙通道可被某些阳离子（锰Mn2+、钴carbondioxide二氧化碳+、镍Ni2+、镧La3+）及钙通道阻断剂（异搏定、硝苯吡啶、D-600等）选择性阻断。,2.钙通道的种类（1）电位-依从性钙通道（VDC）或（PDC）T型：短暂型（短暂的类型，Tt），亦称低阈型钙通道，其激活所需的阈电位负度较大（约-40mV），失活较快，形成短暂Ca2+电流（ICa.t），其作用主要触发心肌内的肌质网释放Ca2+。T型Ca2+通道可被上述阳离子所阻断，而硝苯吡啶则无作用。,L型：持久型（长的-永久的类型，Lt），亦称高阈型钙通道，其激活所需的阈电位负度较小（约为0mV），失活较慢，形成持续钙电流（ICa.L），其作用主要补充心肌细胞内的Ca2+浓度。可被硝苯吡啶所阻断。S型：缓慢型（慢的类型，St），其激活的阈电位约为-60mV，较T型的更负，失活非常缓慢，失活时间常数在-30mV时为400ms。,S型钙通道所形成的慢Ca2+内向电流参与平台期的形成和心肌收缩，可被异搏定阻断。（2）非电位、亦非时间-依从性钙通道又称渗漏钙通道。此种通道无门控制，故不受电位和时间的影响，形成一种钙内向背景电流（Ica.b）。因水合钙离子直径较大，安静时电流较小，主要参与自律性的形成。（3）受体-操纵性钙通道（受体操作通道，巨鸟）,心肌特殊受体被选择性激动剂作用后，通过一系列生化反应，引起通道蛋白磷酸化而发生构型改变，使巨鸟激活开放，细胞外的Ca2+内流而形成钙电流。在心肌，受体作用和电位变化互相关联，通过同一途径产生作用。,儿茶酚胺类物质并非本身引起钙通道开放，而是通过激动受体后来影响电位-依从性机制，从而调节钙通道的状态。受体阻断剂心得安可使电位激活的钙通道数量减少。受体激动后，通过产生的露营地使蛋白质磷酸化而起作用，因此，胞浆内露营地浓度增高，可使电位-依从性钙通道的Ca2+内流增加。,但在心脏以外的其它细胞，两种钙通道是各自分别起作用。如在血管，K+和NE都可引起平滑肌收缩，但作用机制不同，K+是通过去极化而激活电位-依从性钙通道，促进Ca2+内流而产生收缩；NE则是通过与受体结合而激活受体-操纵性钙通道，在并无去极化的情况下促进Ca2+内流而产生收缩。,钙通道阻断剂-La3+和硝苯吡啶等对K+去极化引起的血管收缩有很强的抑制作用，而对NE的缩血管效应则基本无抑制作用。故在血管平滑肌中巨鸟更为重要。3.钙通道的阀门心肌细胞的电位-依从性钙通道亦属双门通道，开阀（d）和关阀（f），而受体-操纵性钙通道属单门通道，其阀门是一种磷酸化-依从性阀（g阀）。（1）开阀（d）亦称激活阀，随膜电位而变化，并需一定时间（以T型钙通道为例）。,图18钙通道的阀门活动A：电位-依从关系B：时间-依从关系,稳态激活变数（d）：,-90mV为0,-40mV为0.5,+10mV为1,激活时间常数（td）：d的激活慢，激活开始后约经2030ms达最大，-20mV时的激活开放时间最长，约达40ms，负于-50mV或正于+10mV时显著缩短。（2）关阀（f）亦称失活阀，其失活的时间比d阀的激活时间更长。稳态失活变数（f）：膜电位在-90mV或?-60mV时为1（全部开放），随着去极化而失活关闭。膜电位?-60mV时开始失活，-25mV时为0.5，+10mV时为0。,失活时间常数（tf）：f阀的失活时间常数随去极化而增大，-80为40ms，-25为100ms，+20为400ms。（3）磷酸化-依从性阀（g阀phosphorylation-依靠的门）g阀位于通道内侧，非电位-依从性，内源性物质如NE、组织胺等可激活心肌特殊受体，引起g阀磷酸化，调整钙通道，产生Ca2+电流。,图1-9钙通道磷酸化-依从性的激活过程示意图,4.钙通道的活动过程心肌钙通道的活动不同步，在较长时间内相继开放或关闭，因此，Ca2+内流缓慢而持久。亦可分为4个过程：（1）静息状态约-90mV时，d阀关闭，f阀开放，通道处于备用状态。（2）激活过程去极化到钙阈电位（约-40mV）时，钙通道激活开放，但较慢，激活时间常数为1040ms，每个钙通道的开放约1ms。,关闭时间有两种，快的0.61.3ms，慢的320ms。（3）失活过程随着复极化，f阀逐渐关闭，约+10mV全部关闭。但钙通道的失活缓慢，失活时间常数为100400ms，失活机制有三：电位-依从性失活（已于前述）。,Ca2+-依从性失活（钙-依靠的inactivation）：当Ca2+i增高可使钙通道失活，因Ca2+可与通道内侧部结合，促进f阀关闭。如给豚鼠心室肌细胞内注入Ca2+可使通道失活加快，平台期和APD缩短。反之，注入钙螯合剂EGTA，钙通道失活减慢，平台期延长。此外，Ca2+i增高可激活K+通道，使Ik.Ca增大，K+外流增加使膜复极化加快，平台期和APD缩短。说明Ca2+i增加对Ca2+电流有负反馈抑制，这是钙通道失活的重要机制。,（3）脱磷酸化失活：钙通道的g阀脱磷酸化亦可使钙通道失活。当Ca2+i增高时，激活Ca2+-依从性磷酸蛋白磷酸酶（钙-依靠的磷蛋白质phosphatase），使g阀脱磷酸而产生构型改变，导致钙通道失活。（4）恢复过程：复极化过程中，d和f均处于关闭，f再开放所需时间较长，达125235ms。此外，解除失活尚有赖于Ca2+i降低和g阀再磷酸化，因此复活的时间就更长。,从去极化到通道复活相当于有效不应期，钙通道的有效不应期持续到复极化完毕后，称为复极后不应期。5.钙电流的成分钙电流（ICa）有三种成分：（1）快钙电流（紧的钙当前的，ICa.f）缓慢内向电流第一成分（Isi.1），由T型钙通道介导。膜电位?-40mV激活，激活较快，25ms达最大。,失活也较快，失活时间常数为1020ms，50ms内完全失活。ICa.f主要触发终池的Ca2+释放，与心肌兴奋-收缩耦联有关，而与平台期的形成关系较小。（2）交换性钙电流（交换钙当前的）或钠-钙交换电流（Na-Ca交换当前的），亦称缓慢内向电流第二成分（Isi.2），它由细胞内的Ca2+所激活，当胞内Ca2+瞬时性增高时，,就激活Na-Ca交换机制，交换器每次内运3个Na+，外运1个Ca2+，形成一种微弱的内向电流，在-20mV时出现，经50100ms达峰值，经同样时间衰退，参与平台期的形成。（3）慢钙电流（慢的钙当前的，ICa.s），亦称慢内向电流第三成分（Isi.3）。Ica.s的通道受阀门控制，去极化到-60mV开始激活，-30mV达峰值，维持一段稳定状态后逐渐衰退。,失活非常缓慢，-30mV的失活时间常数为400ms，ICa.s远比Ica.f弱，与平台期的形成和心肌收缩的持久有关。Ica.s的特点：不为Ba2+（钡）所代替；不被异丙肾所增强；不被Cd2+（镉）所阻断；在豚鼠心室肌快反应电位中，加入TTX（10M）以消除Na+电流，再加Cd2+（0.2mM）以消除快钙电流后，尚可出现一种幅度低而时间长的电位，是由慢钙电流所形成。,豚鼠心室肌单细胞的跨膜电位,6.钙电流的调节与钠电流不同，钙电流受多种因素的调节。（1）能量代谢调节钙电流为能量-依从性，与代谢活动有关，依赖ATP，通过产生露营地调节钙电流。胞内露营地增多可使钙电流增大，而缺氧时ATP减少，露营地降低，钙电流减小。,（2）植物性神经调节NE与1受体结合，露营地增多激活钙通道，促进钙电流。Ach与M2受体结合，抑制钙电流。阿托品可阻断Ach的这种作用。拟胆碱药氨甲酰胆碱的抑制作用比Ach大10倍。,（三）钾电流钾电流较复杂，参与心肌兴奋过程中的各项跨膜电活动。1.钾外向背景电流（potassium出口backgyound当前的，Ik1，Ikb）（1）K1通道的特性：电位-依从性，非时间-依从性，通道内侧部有激活阀，但无失活阀，属单门通道。无独特的失活机制，受内入性整流的控制。K1通道也受内流Ca2+的调节，故是一种钙激活钾电流（Ik.Ca）。,K1通道在平台期范围内激活，钾电导（gK）在-40-60mV后显著增高，随着膜内负度增大而继续增高。通道内部可被四乙基铵（茶）、铯（Se+）和钡（Ba2+）等所阻断。（2）IK1的调节：内入性整流(向内纠正),亦称内向整流，是一种异常整流，为心肌所特有，即膜的钾电导与其推动力呈反变关系。内入性整流作用使膜对内向电流比外向电流更容易通过。,IK1受内入性整流的控制，内入性整流随着K+的电-化梯度而改变，当膜内电位升高或K+o?，K+外流的跨膜电-化梯度加大，这时，内入性整流也增大，K+外向背景电流减小。反之，当促进K+外流的电-化梯度降低时，内入性整流也减小，K+外向背景电流增大。心肌的这种现象与正常原理相反，故称异常整流，其原理尚未明了。由于受内入性整流的影响，IK1在平台期范围内，随着膜内负度加大和K+o?而继续增大，形成快速复极3期。,细胞内Ca2+：内流的Ca2+和终池释放的Ca2+使胞浆Ca2+增高时，可激活K1通道，促进K+外流，使IK1增大，复极化加速，这是复极3期较快的原因之一。（3）IK1的生理意义：形成静息电位或最大舒张电位的背景外向电流；形成平台期的外向电流之一；形成复极3期的外向电流的主要成分。,K1通道的数量与细胞的快、慢反应性（即膜电位的大小）有关，如心房、心室（快反应C），K1通道较多，静息电位也较大；而窦房结、房室交界（慢反应C），K1通道较少，其MDP亦较小。2.短暂外向电流（短暂的出口当前的，Ito）Ito是一种电位和时间-依从性、Ca2+激活性钾外向电流。,（1）Ito的通道特性：电位-时间关系Ito通道的激活、失活都很快，但再激活的时间却很长。去极化到?-20mV开始激活，持续时间短，约510ms，失活时间常数为5080ms，因而平台期所占时间短，但因再激活长（约1ms），故在AP其它时间内均处失活状态。（2）Ito的生理意义Ito是形成1期的离子电流，快反应细胞都有，浦肯野纤维最明显。,过去曾认为1期是Cl-内流形成的，1978年Isenberg发现1期可被注入茶或铯+所抑制，1979年Carmeleit证明1期的电变化与42K的外流相一致，并可被钾通道阻断剂4-氨基吡啶所消除，因而否定了Cl-电流。3.延缓性钾电流（耽搁potassium当前的，Ik）,过去称为平台外向电流（Ix）（1）Ik的活动特性Ik是一种电位和时间依从性的离子电流，其通道仅有激活阀而无失活阀，,其失活亦受内入性整流的控制。激活机制包括去极化、Ca2+i?，因而也属于钙-激活性钾电流（Ik.Ca）。激活变数在-60mV时为0，约-55mV时开始激活，-20mV为0.5，+20mV为1。Ik通道激活缓慢，激活时间常数以-25mV时为最大约达500ms。,（2）Ik的生理意义：Ik是形成快反应C平台期的主要内向电流；ICa的失活和Ik的继续，使外向电流超过内向电流，造成平台期末复极加快，并对3期复极有触发作用。在慢反应C，Ik的衰减是形成舒张期自动去极化的重要因素。,4.泵电流（泵当前的，Ip）Ip是心肌细胞的Na-K泵运转时所产生的一种电流，即Na-K泵活动时，每摄入2个K+和排出3个Na+形成一种净外向电流，这种电流可使膜复极化。泵电流产生的负度较小，不超过-10mV，与静息电位的形成和3期复极化加速有关。,5.Ach-激活性钾电流Ach-激活性钾电流（Ach-活化potassium当前的，Ik.Ach）是一种由Ach激活、非电位非时间-依从性的钾电流。Ach作用于心肌的M2受体，激活一种特殊的钾通道，产生钾外向电流，对膜有复极化作用。可使静息电位增大或产生超级化，如迷走神经-Ach对心脏的抑制作用。Ik.Ach可被M受体阻断剂阿托品所消除。,6.ATP-敏感性钾电流ATP-敏感性钾电流（ATP-敏感的potassium当前的，Ik.ATP）是由细胞内ATP调节的钾电流，当胞内ATP明显低于正常时，便激活Ik.ATP通道，使K+外流增大。反之，胞内注入ATP可抑制此通道，使K+外流减少。,Ik.ATP最早由走马疳（1983）在单个心肌细胞和小片膜钳制术中发现，实验中观察到一种特殊外向电流，即当缺氧或氰化物处理细胞，导致胞内ATP浓度降低时，该电流显著增大，而将ATP注入细胞内则减小。实验表明细胞内ATP对Ik.ATP通道有抑制作用。Irisawa（1984）对Ik.ATP进行了定量观察，结果表明，胞内ATP浓度?2mM时该钾通道关闭，?2mM时开放。,Ik.ATP的生理意义尚未明了，可能与胞内ATP使心肌保持较长的复极化时间、延长不应期，防止心律失常有关。7.钠-激活性钾电流钠-激活性钾电流（钠-有活性的potassium当前的，Ik.Na）是一种由胞内Na+激活的钾外向电流，由Kameyama（1984）在心肌细胞中发现。当细胞内Na+浓度升高到2030mM时，这种钾通道激活开放，形成一种钾外向电流。,这与胞内Ca2+无关。Ik.Na的生理意义尚未明了，可能与Ik.ATP相似。当心肌缺血、缺氧或代谢障碍时，由于ATP产生减少，钠泵转运降低，细胞内Na+浓度增高，激活钾通道而产生K+外流，使复极化加速，APD和不应期缩短，这与心律失常有关。,第三节心肌的离子转运,一、钠-钾转运（一）钠-钾转运的意义心肌AP过程中，有Na+内流和K+外流，如犬心室肌AP后，胞内Na+增加约1/300，若反复兴奋300次，胞内的Na+即可与胞外相等。又如甲鱼心肌兴奋过程中，一次AP后，K+外流量约为胞内的1/400，据计算，数分钟后K+亦全部丢失。,为使心肌能保持正常兴奋功能，细胞膜不断地进行着离子转运，以恢复兴奋前的跨膜Na+、K+浓度。Na+-K+转运在4期内即可完成，但转运速度比弥散慢，如Na+外运的速度为内流的1/160。,（二）钠-钾转运酶1.钠-钾转运酶的特性Na+外运和K+内运相耦联，此酶以Mg2+为辅助因子，称为Na.K-ATP酶，或Mg依从性Na.K激活的ATP酶（Mg-depen-凹Na.KactivitedATP美证券交易所），简称钠-钾泵（Na-K泵）。钠-钾泵通过水解ATP获得能量，并转运Na+、K+。心肌细胞膜和T管膜上都有，前者比后者高约15倍。,钠-钾泵受膜内高Na+和膜外高K+激活，但不被膜内K+或膜外Na+所激活，其转运效率与Na+、K+浓度或结合点饱和程度有关。膜外侧的K+结合点经常处于饱和，但其内的Na+结合点饱和度则常有改变，故有限速作用。Na+、K+转运所消耗的能量与其所要克服的电-化梯度成正变关系，Na-K泵的最高转运速度约为15000次/min。,多种阳离子（Rb+、铯+、Ti+）在细胞内可替代Na+以激活Na-K泵，Li+虽可替代Na+形成内向电流，但在细胞内不能激活Na-K泵。Na-K泵的膜外侧有洋地黄类药物亲和点（选择性极强），称为洋地黄受体（洋地黄受体），用3H哇巴因进行放射配体结合法测定，可了解泵的数量。测定显示，心肌的密度比血管平滑肌的高，如猫的心室乳头肌为760个/m2，兔的主动脉平滑肌仅74个/m2。,2.钠-钾泵的组成钠-钾泵已从多种细胞中被提纯，并可嵌入人工脂质膜上而具有Na-K转运功能。将Na-K泵嵌入红细胞血影膜上的研究表明，泵的内侧部可有ATP酶可分解ATP而获得能量，其外侧部可与强心甙（如哇巴因）结合而阻断转运。Na-K泵是一种由两对亚基组成的对称性四联体，即一对亚基和一对亚基形成的“”四联体，两对亚基若分离即失去活性。,Na-K泵上有7个结合位点，即3个Na+结合点、2个K+结合点、1个ATP结合点和1个强心甙结合点。亚基：分子量为100000，跨越整个膜，其内有ATP结合点，其外有哇巴因结合点。亚基：分子量为40000，暴露于膜的外侧面。亚基和亚基均可作为抗原引起抗体产生，以抑制此酶的活性。,钠-钾泵结构示意图,（三）钠-钾泵的转运机制,钠-钾泵转运机制示意图,（四）钠-钾转运的生电性大多数细胞的Na+-K+转运并非11，每消耗1分子ATP，排出3Na+个、摄入2个K+，因而有1个Na+净外运，形成一种Na+外向电流，亦称泵电流。表示为：,安静时，心肌由泵电流引起的外向复极化作用较小，不超过-10mV，只是心肌在连续快速兴奋后才显著增大，可达-30mV以上。,（五）钠-钾转运的调节1.能量代谢：钠-钾转运中所消耗的能量与其所克服的电-化梯度成正比，由于Na+内流的电-化梯度远比K+外流的为大，故Na+外运所消耗的能量也比K+内运为多（约为10倍）。当代谢障碍或能量缺乏时（缺血、缺氧或代谢抑制），可由于钠-钾泵转运降低而影响心脏的离子电流、跨膜电位、兴奋功能。,2.H+：H+对钠-钾泵抑制作用显著，如鸡胚心脏，当pH为6.3时钠-钾泵活动降低50%，pH为5.8时降低75%。3.2受体：激动2受体对钠-钾泵有激活作用，如NE、Adr、舒喘灵等均可激动2受体，通过腺苷酸环化酶而产生露营地，露营地可促进Na+-K+运转，外向泵电流增大，并有降低血K+的作用。,二、钙转运钙亦为主动转运。内流的Ca2+和终末池释放的Ca2+均需通过细胞膜外运和肌质网内运贮存，以保持跨膜Ca2+梯度和细胞内Ca2+恒定，并恢复跨膜电位和舒张状态。（一）细胞膜的钙转运细胞膜的钙转运包括Na-Ca交换（Na-Ca交换）和钙泵转运（Ca泵传送器）。心肌以Na-Ca交换为主，平滑肌则以钙泵为主，而红细胞几乎完全由钙泵进行。,1.Na-Ca交换心肌的Na-Ca交换占Ca2+排出量的80%（1）Na-Ca交换的过程：是由膜的载体蛋白进行的交换性弥散。载体有两个负电荷，可与2个Na+或1个Ca2+相结合，膜外，载体与Na+的亲和性高，膜内，与Ca2+的亲和性高。未与离子结合的载体无活性，结合了Na+、Ca2+后，载体才能在膜上移动。Li+可代替Na+，Sr2+可代替Ca2+进行交换。,心肌钠-钙交换过程示意图,（2）Na-Ca交换的因素：Na-Ca交换性Ca2+外运的决定因素是细胞外的Na+浓度，当Na+o增高时，Na-Ca交换增强，Ca2+外运增多，Na+i降低则相反。Na-Ca交换不直接耗能，亦无ATP酶参与，能量来自Na-K泵，由Na-K转运所维持的胞外Na+浓度来推动Na-Ca交换，因而，Na-K转运和Na-Ca交换密切相连。,Na-Ca交换是可逆性的，决定其交换方向的主要因素是膜内外Na+和Ca2+浓度的改变，Na+占主导地位。如前所述，Na-K泵主动转运后，膜外的Na+浓度升高，此时的Na-Ca交换是促使Ca2+外运；而当Na+i增高时，通过逆转性Na-Ca交换，可使Ca2+内运。如豚鼠心房肌内Na+浓度增高时，可测出同位素45Ca内运增多，胞内Ca2+浓度亦增高。,（3）Na-Ca交换的生电性：哺乳类心肌的Na-Ca交换并非都是电中性，如对犬心室肌应用同位素24Na和45Ca测定，结果表明，Na-Ca交换的比值为3Na+:1Ca2+，每次交换就有1个Na+净内运。蛙心房肌Na-Ca交换的比值为4Na+:1Ca2+。,说明Na-Ca交换亦有生电性，形成一种钠内向电流，称为钠-钙交换电流（INa.Ca），是一种无特殊通道的离子电流，在心肌安静时占内向背景电流的10%。,（4）Na-Ca交换的意义：排除内流的Ca2+，以恢复胞内Ca2+浓度的恒定；当心脏兴奋频率增高时，由于膜反复去极化，胞内Na+浓度增高，通过逆转性Na-Ca交换使胞内Ca2+浓度增高，产生强心作用；,Na-K转运与Na-Ca交换相关联，间接依赖能量，当心肌缺血、缺氧或代谢障碍时，Na-K转运降低，胞内Na+浓度增高，Na-Ca交换逆转，致使胞内Ca2+浓度增高；洋地黄类药物选择性抑制钠-钾泵，使胞内Na+浓度增高，通过逆转性Na-Ca交换使胞内Ca2+浓度增高，从而产生强心作用。,2.细胞膜的钙泵转运心肌细胞膜上亦有钙泵，称为以Mg2+为辅助因子的钙-激活ATP酶。此酶是一种单链多肽蛋白质，分子量为130000，对Ca2+有高亲和性。膜的内侧面有Ca2+结合部位和催化部位，可催化ATP获得能量逆浓度外运Ca2+。钙泵的活性与钙调素有关，Ca2+先与钙调素结合成复合物，再激活钙泵转运。钙泵转运对维持细胞内安静时Ca2+稳定有重要意义。,（二）肌质网钙转运肌质网通过膜上的钙通道释放Ca2+到胞浆中是扩散，而从胞浆中将Ca2+摄入到肌质网则要通过钙泵转运。肌质网膜含脂质45%，蛋白质55%，钙泵占蛋白质成分的5080%，这种泵Ca2+作用对心肌兴奋-收缩耦联有重要意义，即肌质网释放Ca2+促进收缩，转运Ca2+促进舒张。,1.肌质网钙转运的过程肌质网的钙泵有两种状态，即E1和E2，这两种状态都可与高能磷酸键结合，形成磷酸化酶（即E1P和E2P）。E1和E1P对Ca2+的亲和性高，而E2和E2P对Ca2+亲和性低。在钙泵转运过程中，Ca-ATP酶分子中的活性点与Ca2+和ATP相结合，并产生变构，然后从膜外侧移向膜内侧，将Ca2+转运到肌质网内。1个Ca-ATP酶一次可分解1分子ATP转运2个Ca2+。其转运过程可用下图表示：,肌质网的钙泵转运过程示意图,通过钙泵转运使胞浆中的Ca2+浓度降低到?10-8M，形成跨膜钙梯度。2.肌质网钙转运的调节肌质网钙转运受肌质网调节蛋白的调节，也称受磷蛋白，是一种酸性蛋白，分子量22000。该蛋白贯穿肌质网膜，可被外源性蛋白激酶激活而磷酸化。受磷蛋白的磷酸化可提高Ca-ATP酶的活性。,在图118中有两个限速步骤，即6（E2E1）和3（E1E2），6是使钙亲和性提高，3是使钙亲和性降低。磷酸化受磷蛋白对限速步骤有促进作用，使钙泵转运加速，受磷蛋白有两个不同的磷酸化部位，可被两种酶作用而磷酸化。,（1）露营地-依从性蛋白激酶：在露营地-依从性蛋白激酶作用下受磷蛋白磷酸化，促进肌质网的钙泵转运。（2）钙调素-依从性蛋白激酶：在钙调素-依从性蛋白激酶作用下受磷蛋白磷酸化，钙调素与Ca2+结合成有活性的复合物，激活钙调素-依从性蛋白激酶而催化受磷蛋白的磷酸化。两种激酶催化受磷蛋白磷酸化的部位不同，故二者有相加作用，均可促进肌质网的钙转运。,第二章离子对心脏的影响,第一节钾,K+是心肌细胞内的主要阳离子。K+外流是形成静息电位、最大舒张电位和复极化的离子基础。因此，K+主要通过静息电位和复极化而影响心脏功能。心脏内不同部位对K+的敏感性差异很大，这与细胞膜上K+通道的数量和密度有关。快反应细胞比慢反应细胞敏感，希氏-浦肯野系统次之，窦房结最不敏感。,如K+o升至5.4mM时即可使浦肯野纤维产生传导阻滞，而窦房结则需高达21.6mM才能抑制。K+可形成多种外向电流，主要受膜内外浓度差、电位差以及内入性异常整流作用的影响，如高血K+时，跨膜K+浓度差减小，K+外流推动力减小。但由于内入性整流作用减弱，又会使钾电导与钾通透性增大。低血K+是则相反。,Vassalle（1965）在离体浦肯野纤维中用细胞内微电极输入外加电流测量，发现胞外K+浓度改变对膜的钾阻抗有很大影响，当K+o从2.75.4mM，膜的钾阻抗降低，反之，当K+o从5.42.7mM，膜的钾阻抗增高。人体正常血钾约为4（35）mEq/L，?6.0mEq/L为高血钾，?3.0mEq/L为低血钾。,一、高钾,（一）兴奋功能1.膜电位：轻度高钾跨膜K+梯度K+外流RP或MDP膜部分去极化，称为钾去极化。RP减小使钠通道的激活度和钠内流的电梯度降低，这时的h门随膜电位减小而逐渐失活关闭，INa减小，0期的幅度和速度降低。,2.兴奋性：轻度高钾时，由于RP减小，与阈电位的差距减小，兴奋性增高。重度高钾时，RP显著减小，h门关闭程度大，INa减小，兴奋性降低。如果高钾使RP?-60mV，钠通道全部失活，INa不能产生，快反应兴奋性消失，快反应电位转变为慢反应电位。因此，在K+o逐步增高过程中，兴奋性呈先高后低的双相性变化。如果K+o是迅速增高，则兴奋性立即降低或消失。,3.传导性：K+o轻度增高（?6mEq/L）时，静息电位稍减小，与阈电位差距减小，兴奋性增高，也使传导性增高。因此，对房-室传导阻滞的病人，轻度高钾可使传导性提高。但在重度高钾（?8mEq/L）时，由于静息电位太小、钠通道部分失活、0期去极化减小，至使传导性降低，易发生传导阻滞。因此，血钾逐渐增高时对传导性也有双相影响。,但当血钾迅速增高时，则传导性立即降低，可形成窦-房间、心房内、房-室间、心室内的传导阻滞。由于心房对K+最敏感而窦房结最不敏感，故当心房传导性消失、ECG不出现P波时，窦房结产生的兴奋仍可通过结间束传向心室，形成窦-室传导（sino-心室的传导）。,4.自律性：慢反应细胞（如窦房结）的4期自动去极化主要由K+外流衰退和Ca2+内流完成。但因窦房结对K+不敏感，故自律性无影响。而快反应细胞（如浦肯野纤维）的4期由如果（Na+）完成，加上它对K+敏感，这样就使4期自动去极化减慢，自律性降低。,5.ECG：高钾时，由于AP0期的幅度和速度降低，ECG显示P波压低和增宽，R波压低而QRS波群增宽。心室复极化加速，显示T波高耸、狭窄，此为高血钾时的ECG主要特点。APD缩短则Q-T间期缩短。房-室传导减慢显示P-R间期延长。,6.心律失常：（1）抗心律失常作用：高钾窦房结的自律活动影响小，对潜在起搏点（浦氏纤维）的自律活动抑制作用大，且不伴有传导性降低和不应期缩短，故用钾盐可治疗异位起搏点所形成的自律性心律失常。,（2）致心律失常作用：显著高钾，由于传导性降低和不应期缩短，可形成兴奋折返而致心律失常。QRS波群显著增宽是高钾引起严重心律失常的信号，增宽达50%时需作紧急处理。浦肯野纤维末梢传导阻滞时可致心室停搏，心室停搏或室颤是钾盐过量导致心性猝死的主要原因。因此，钾盐治疗心律失常有很大危险性，用途非常