心臟電生理學基礎

1、心臟電生理學基礎,,,心臟的機能主要是泵血，從而推動血液循環(huán)。其所以有泵血功能，除心肌的形態(tài)結構外，還有以電活動為基礎的興奮機能和以機械活動為基礎的收縮機能。心臟的興奮機能以心肌細胞的電變化為基礎，形成興奮性、自律性、傳導性等電生理特性，表現(xiàn)為興奮在心臟內的發(fā)生和傳導，稱為心臟電生理。近40多年來，由于電生理和微電極技術的發(fā)展，已從細胞、亞細胞或分子生物學水平作了比較深入的研究，使我們對心電圖產生的基礎有了比較明確的認識。,一、心肌

2、細胞的生物電現(xiàn)象,心肌細胞的生物電現(xiàn)象與神經細胞、骨骼肌細胞一樣，表現(xiàn)為細胞膜內外兩側存在著電位差及電位差變化，稱為跨膜電位(transmembrane potential)，簡稱膜電位。細胞安靜時的膜電位稱靜息電位，也稱膜電位；細胞興奮時產生的膜電位稱動作電位，是細胞興奮的標志。,（一）心肌細胞生物電產生的基礎,心肌細胞的生物電現(xiàn)象產生的基礎是： ①細胞膜兩側帶電離子不均勻分布(表3－1)； ②細胞膜在不同情況下對離子選擇

3、通透性的變化，造成選擇性離子跨膜移動。 離子的跨膜移動主要受下列四種因素的控制：即 ①細胞膜對離子的通透性； ②細胞膜內外的電位梯度(電位差)； ③細胞膜內外離子的化學梯度(濃度差)； ④鈉－鉀泵機能。,,表1－1心肌細胞膜內外兩側幾種主要離子的濃度 ──────────────────────── 離子 細胞內液濃度(mmol/L) 細胞外液濃度(mmo

4、l/L) ───────────────────────── Na＋　 　 30 140 K＋ 　 140 4.0 Ca2＋ 　 10～4 2.0 Cl－ 　 　 30

5、 104 ─────────────────────,一、心肌細胞電生理,1、心肌細胞膜內外離子分布,膜外 膜內,K+ 5 150Na+ 145

6、 15Cl- 120 6Ca++ 2 <10,,,,,心肌細胞膜內外離子的不均勻分布 源于細胞膜中存在著一種------鈉－鉀泵結構(簡稱鈉泵)， 是鑲嵌在細胞膜中的一種特殊蛋白質(Na+－K+依

7、賴式ATP酶)， 作用是分解ATP使之釋放能量，并利用此能量將細胞內的Na+逆濃度轉移至細胞外，同時把細胞外的K+度轉移至細胞內，從而形成和維持細胞內高K+細胞外高Na+的不均勻的離子分布狀態(tài)。 ;,離子通道(ionicch-annels,心肌細胞膜對離子的通透性是有選擇性的，主要是由于心肌細胞膜中存在著一類貫通細胞膜的離子通道蛋白質，簡稱離子通道(ionicch-annels)，是離子跨膜擴散的通道。離子通道有如下特

8、性： 1．離子通道分別對不同離子有選擇性的通透能力， 如Na+通道只允許Na+通過，Ca2+通道主要通透Ca2+，對Na+有較小的通透； 2．各種離子通道的開閉各需要特殊的條件， 在某些特定的條件下，某種通道蛋白質分子的構象或構型改變，分子內部出現(xiàn)有小孔道，使通道處于開放狀態(tài)(激活)，可允許特定離子由膜的高濃度一側向低濃度一側擴散，此時膜對該種離子的通透性增大。而在另一種條件下，該離子通透處于關閉(失活)狀

9、態(tài)，膜變成對該離子不能通透。根據(jù)引起離子通透開閉的條件，一般可將離子通透分為兩大類： ①電壓依從性通道：其開閉決定于膜電位水平； ②化學依從性通道：其開閉決定于環(huán)境中是否存在某種化學信號。,,3．各種離子通透具有不同的特異阻斷劑 如Na+通道可被河豚毒類(TTX)特異性阻斷； 四乙銨可特異阻斷K+通道， Ca2+通道可被硝苯吡啶類特異阻斷。 當帶電離子經離子通道跨膜擴散時便形成離子電流。 正離子從細

10、胞外擴散至細胞內或負離子外流，稱為內向離子電流； 正離子外流或負離子內流，稱外向離子電流。 內向離子電流可使膜內電位升高， 外向離子電流可使膜內電位降低。選擇性離子跨膜移動可形成跨膜電位。,（二）靜息電位,如用一臺靈敏的電測量儀器的兩個微電極，測量處于安靜狀態(tài)的心室肌細胞的表面各點，可以發(fā)現(xiàn)細胞表面各點之間并無電位差存在，表明安靜細胞的膜外各點是等電位的。但如把一個測量電極放在心肌細胞膜的外表面，把另一電極換成尖端只

11、有1um左右的微電極刺入膜內(圖2－1)，則在微電極剛穿膜的時候，測量儀器上立即出現(xiàn)一個明顯的電位變化，說明膜的內外兩側存在著電位差。其數(shù)值如以膜外為零電位，則膜內電位即相當于-90mV。由于這一電位差存在于安靜心肌細胞膜的兩側，故稱靜息電位(resting polential)，或稱膜電位。通常以膜內電位的負值來表示靜息電位的值，正常心室肌細胞靜息電位的值為-90mV，是一種穩(wěn)定的直流電位。,,圖2－1 心肌細胞的膜電位（1）

12、兩個微電極都放置在細胞外，在電極之間沒有電位差別，電位線在0水平。（2）將一個微電極插入細胞內，可以記錄到細胞內外的電位差別，當細胞在靜止期細胞內的電位為-90mV。（3）當細胞激動時，出現(xiàn)快速除極的上升相，與細胞外相比，細胞內的電位高達+30mV。（4）這一時間代表復極的終末部分，逐漸回復到靜止期的膜電位水平。,靜息電位的形成原理,由于細胞膜內外Na+、K+等離子分布的不均勻及膜對這些離子的通透性不同，正常情況下膜外Na+多而

13、K+少，膜內K+多而Na+少。安靜狀態(tài)時膜對K+的通透性高，對Na+的通透性很低，對有機負離子(A-)的通透性最低，此時K+可自由的通透細胞膜而擴散，Na+則不易擴散，A-幾乎不通透。K+便順濃度差經K+通道向膜外側凈擴散，而膜內帶負電的A-又不能隨之擴散，因此隨著K+的外移，就在膜的兩側產生了內負外正的電位差，稱濃差電勢。,靜息電位的形成原理,濃差電勢有抵制K+繼續(xù)外流的作用，隨著K+外流的增多，濃差電勢繼續(xù)增大，它阻止K+擴散的力

14、也愈大。當驅動K+外流的濃差電勢能與阻止K+外流的電位差勢達到平衡時，凈的鉀外流停止，膜電位保持相對穩(wěn)定，此時即----------K+平衡電位， 所以靜息電位主要是K+平衡電位組成。,靜息電位的形成原理,因為靜息電位是K+外流所形成的平衡電位，主要取決于膜對K+的通透性和膜內外的K+的濃度差，故當細胞膜對K+的通透降低或細胞外K+度降低時，均可稱靜息電位減小。,（三）動作電位,動作電位------指細胞興奮時發(fā)生的短暫而劇烈的膜

15、電位波動過程。 當安靜細胞受到 一次外加刺激(人工給予或由鄰接細胞的興奮所引起)而興奮時，受刺激部位的細胞膜兩側電位發(fā)生短暫的變化，細胞膜外突然由正變負，膜內由負變正，稱為除極化或反極化。 稍后，膜兩側的電位又恢復到受刺激前的狀態(tài)(即膜外為正，膜內為負)，稱為復極化。心肌細胞的動作電位分為五期（圖2-2）。,圖2-2 心室肌細胞的動作電位曲線與細胞內外離子運動的關系,（1）心電圖 （2）動作電位曲線

16、 （3）細胞內外離子運動 （4）離子通透性,2、心肌細胞動作位與離子流,1.除極(除極)化過程,又稱“0”時相。 當心肌細胞受到外來刺激(在體內是來自竇房結產生并下傳的興奮)作用后，心室肌細胞的膜內電位由靜息狀態(tài)下-90mV迅速上升到+30mV左右，構成動作電位的升肢。 “0”時相除極化不僅是原有極化狀態(tài)的消除，而且膜內外極性發(fā)生倒轉，超過“0”電位的正電位部分稱為超射?！?”時相占時1～2ms，幅度可達120mV

17、。,形成原理,在外來刺激(在體內是傳導而來的興奮)的作用下，引起Na+通道的部分開放，Na++從膜外少量擴散至膜內，使膜部分除極化，膜電位由靜息電位(-90mV)減少至閾電位水平(-70mV)時，細胞膜上的Na++通道大量激活而開放。此時膜上Na++通道的開放數(shù)目和開放概率都明顯增加。由于細胞外的鈉濃度遠比細胞內為高(約20：1)，而且細胞內的電位遠比細胞外負，膜內外的化學濃差電勢和電位差勢都促使Na+向細胞內彌散，而此時膜對K+的通透

18、性大為降低，Na+帶著正電荷從快Na+通道迅速內流，形成快鈉內向電流(iNa)，使膜內電位急劇上升，直至由負變正。這樣形成的膜內外電位差有抑制Na+繼續(xù)內流的作用。當膜內外的鈉濃差電勢及其所形成的電位差勢兩種拮抗的力量相等時，即達到了“電-化平衡”，此時，膜內電位可從安靜狀態(tài)時的-90mV上升至+30mV，亦即瞬間內上升120mV(即超射值)，此值相當于Na+平衡電位。按Nernst公式計算：,形成原理,RT [Na+]i

19、RT 140　 　Ena = ─log─── = ──log── = +41.0mV 　　　 ZF [Na+]o ZF 30 　Na+的平衡電位約+41mV，而實際測得的動作電位為+30mV，這是由于膜對其他離子，如K+也有少量通透之故。,形成原理,“0”時相的Na+內流:所經過的Na+通道稱快鈉通道或快通道，其離子電流稱為快鈉內向電流。 快鈉通道不但激活開放速度快，而且失活

20、也快，當膜除極到膜內的負度＜-60mV以后，于幾毫秒之內即失活而關閉，中止了Na+繼續(xù)內流。此時快鈉通道盡管已關閉，但除極化仍在進行，在快通道開放時大量流入細胞內的Na+內流電流，其電荷平衡在當時還來不及表現(xiàn)出來，需要以后慢慢的表現(xiàn)?？焘c通道失活后，膜電位需要復極做到膜內電位絕對值＞-60mV以上，Na+通道才恢復到能再被激活開放的備用狀態(tài)(或靜息狀態(tài))。 Na+通道的恢復過程稱復活。 快Na+通道是電壓依從性通道，可被河豚

21、毒阻斷。 由于快Na+通道激活開放速度快，Na+內流快，故心肌細胞”0”時相除極速度快，動作電位升肢陡峭。,,除極化過程“0”時相是動作電位的主要部分，也就是“興奮”（擴布性興奮)。膜電位的急劇變化起一種“引發(fā)”作用，可以引起細胞的其他機能活動，如肌細胞的收縮腺細胞的分泌興奮的傳導等。,,除極化(“0”時相)主要是鈉內流形成，受到膜對Na+的通透性膜內外鈉的濃度差電位差(靜息電位)的影響。膜外Na+的通透性降低，

22、膜內外的鈉濃度差或靜息電位減少，均可使“0”時相除極化的幅度和速度降低?！?”時相的后期還有鈣電流成分在內。鈣電流是慢電流(Isi),也有快成分。鈣電流由Ca2+攜帶，從Ca2+通道內流，Ca2+通道的開放始于“0”時相，但在“0”時相動作電位中辨認不出鈣電流。,2.復極化過程,膜從除極化狀態(tài)恢復到靜息電位和極化狀態(tài)的過程稱為復極化過程，可分為四期： “I”時相(快速復極初期) “2”時相(緩慢復極期，平臺期) “3”時相(快

23、速復極末期) “4”時相(靜息期或恢復期),“I”時相(快速復極初期),膜電位從+30mV迅速下降至0mV左右，占時約10ms，為早期復極相?！?”時相和“0”時相一樣，膜電位的變化極為迅速，常合稱為峰電位。形成的機制-------是由于快Na+通道失活，同時出現(xiàn)一過性外向電流。過去認為這種外向電流為CL-內流所致，,,現(xiàn)在認為---------“1”時相復極的機制包括：①鈉電流幅度開始下降。決定“0”時相除極的Na+通道是一

24、種快通道，是電壓依從性的，其特點是迅速激活、開放，接著又迅速失活、關閉(在15ms以內)。當膜除極到一定程度(0mV左右)時，Na+通道就開始失活而關閉，最后終止Na+ 的繼續(xù)內流。②與此同時，一種以往稱為瞬時性外向離子流的短暫性鉀電流(Ito)被激活,使膜電位迅速復極到平臺期電位水平(0～-20mV)。關于Ito離子成分,過去曾認為是Cl-(Cl-內流)， 近來根據(jù)Ito可被四乙基銨和4-氨基吡啶等K+通透性阻滯劑所阻滯的研究

25、結果，認為------K+才是Ito的主要離子成分。,“2”時相(緩慢復極期，平臺期),此期膜電位復極緩慢，初期停留在0mV左右，記錄圖形平坦，持續(xù)時間100～150ms。此期形成的機制是:同時存在緩慢的Ca2+內流與K+外流?！?”時相除極化達到一定程度(膜內負度約＜-55mV后，膜的慢Ca2+通道被激活開放，由于細胞外液的Ca2+濃度遠比細胞內為高（約10 000:1）。細胞內的負電位又促使Ca2+向細胞內彌散。Ca2+帶

26、著正電荷從慢Ca2+通道緩慢內流，形成緩慢而持久的慢內向電流(ica)，同時也有少量鈉(Na+)離子通過慢通道內流(因此時快鈉通道已關閉)，與之平衡的是氯離子同時內流。這種正負離子較活躍的內流使膜內電位保持于較高，而且平衡的水平。,,“2”時相平臺形成的另一重要因素是-------K+的外流。此期膜內外K+的濃度差及電位差，均驅使K+通過K+通道(ik1，ix1及ix2)外流，由于細胞對K+外流存在“內向(自動)整流的規(guī)律，即

27、---------膜電位與鉀離子的平衡電位(-90mV)差別越大時(即膜電位的負值愈小時) K+外流較少，進一步保持“2”時相平臺期長達100ms以上。,“3”時相(快速復極末期),是繼平臺期之后的晚期快速復極時相。該期膜電位復極快速直達靜息電位水平，完成復極過程，占時100～150ms。形成的機制：------在平臺期后期Ca2+(及小部分Na+)的慢通道失活關閉，Ca2+內流停止，膜電位下降，K+通過K+通道(ik，ix通道)外

28、流，ik通道的K+外流比較恒定且較少，而ix通道的K+外流隨著其內向整流作用，即當膜電位愈接近K+平衡電位(-90mV)時，就愈促使K+外流，因而復極速度加快，直至恢復到靜息膜電位水平(-90mV)。,“4”時相(靜息期或恢復期),此期心肌細胞膜電位基本上穩(wěn)定于靜息電位水平，但有離子恢復過程。離子的恢復機制：-------通過肌膜上的Na+—K+泵的作用，將除極時進入細胞內的Na+外運，同時將復極的外流的K+內運。Ca2+的外排機制