第二节　心肌的生物电现象和生理特征(2)

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I_k1）。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。

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（I_f）（图4-7）。I_f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。

　　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I_f。I_f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；I_f可被铯（Cs）所阻断，而河豚毒却不能阻断它。目前，关于I_f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