工作心肌细胞的动作电位.ppt

第九章 心肌的生物电活动 图图9-1 人和哺乳动物血液循环系统组成模式图人和哺乳动物血液循环系统组成模式图 血液循环的功能血液循环的功能 1.物质运输物质运输 2.维持内环境稳态维持内环境稳态 3.调节体温调节体温 4.内分泌功能内分泌功能 第一节第一节 心肌细胞的分类及各类心肌细胞的电活动特点心肌细胞的分类及各类心肌细胞的电活动特点 一、心肌细胞分类一、心肌细胞分类 快反应非自律细胞（快反应非自律细胞（fast response non-autorhythmic cell）快反应自律细胞（快反应自律细胞（fast response autorhythmic cell）慢反应自律细胞（慢反应自律细胞（slow response autorhythmic cell）房室结区的慢反应细胞具有自律性房室结区的慢反应细胞具有自律性 以前的研究显示以前的研究显示，房室结标本不表现自律性房室结标本不表现自律性。但经过深入研究发现但经过深入研究发现，游离游离的单个房室结慢反应细胞具有和窦房结细胞相似的自律性的单个房室结慢反应细胞具有和窦房结细胞相似的自律性。在整体和组织水平在整体和组织水平上房室结不表现自律性的原因上房室结不表现自律性的原因，一是房室结区细胞和房结区细胞与普通心房肌一是房室结区细胞和房结区细胞与普通心房肌细胞之间的电耦联程度高细胞之间的电耦联程度高，一是心房肌细胞的静息电位一是心房肌细胞的静息电位（-80-90 mV）远负远负于房室交界区的最大舒张电位于房室交界区的最大舒张电位（-60-70 mV），因而前者对后者的电紧张影因而前者对后者的电紧张影响阻碍了后者的舒张期去极化响阻碍了后者的舒张期去极化，致使在体及组织水平的房室结细胞不表现自律致使在体及组织水平的房室结细胞不表现自律性性，而仅发挥从心房到心室的的传导作用而仅发挥从心房到心室的的传导作用。因此因此，应该纠正过去的错误概念应该纠正过去的错误概念（即认为房室结区的慢反应细胞没有自律性即认为房室结区的慢反应细胞没有自律性）；正确的概念应该是：房室结区；正确的概念应该是：房室结区的慢反应细胞具有自律性的慢反应细胞具有自律性，但在整体和组织水平但在整体和组织水平，这种自律性不表现出来这种自律性不表现出来。二、工作心肌细胞的电活动特点二、工作心肌细胞的电活动特点 （一）内向整流钾通道（一）内向整流钾通道（IK1）与静息电位）与静息电位 静息电位产生的两个关键条件：静息电位产生的两个关键条件：1.细胞膜内外具有明显细胞膜内外具有明显K+浓度差浓度差 2.静息时膜对静息时膜对K+有通透性有通透性 表表9-1 心肌细胞内、外几种主要离子的浓度及其平衡电位心肌细胞内、外几种主要离子的浓度及其平衡电位-浓度（mmol/L）离子 -平衡电位（mV）细胞内液 细胞外液-Na+10 145 +67 K+150 4 -94 Ca2+10-4 1.8 +130 Cl-20 120 -47-注：表中Ca2+浓度指胞浆内游离Ca2+浓度 图图9-3.豚鼠心室肌细胞内向整流钾电流豚鼠心室肌细胞内向整流钾电流IK1 上：不同超极化和去极化脉冲引起的IK1离子流（基线以下为内向电流，以上为外向电流）。下：IK1的电流-电压曲线。Em：膜电位。Eth：阈电位（注意去极化时曲线的内向移位）“整流整流”的概念的概念 “整流整流”（rectification）一词来源于电子学，如人们熟知的二极管的整流作用，可将交流电变为直流电。欧姆定律：欧姆定律：I=V/R。当电阻不变时，电流与电压呈正比（直线关系）。如果这种关系不成直线而呈曲线，即为整流。内向整流内向整流（inward rectification）：随着电压的增大而电流的增加量比按直线关系的预期值减少（电流-电压关系曲线向下弯曲）。外向整流外向整流（outward rectification）：随着电压的增大而电流的增加量比预期增大（电流-电压关系曲线向上弯曲）。静息期细胞膜的电活动静息期细胞膜的电活动 钠背景电流钠背景电流（Na+background current）：部分抵消了细胞内的负电荷，可能是静息电位实测值低于理论值的重要原因之一。钠钠-钾泵钾泵（sodium-potassium pump）活动：钠-钾泵活动时，通过耗能将细胞内多余的Na+驱出细胞，将部分动作电位期间流到细胞外的K+泵入细胞内。钠-钾泵活动时泵出的Na+数多于泵入的K+数，于是形成一个外向电流，称为泵电流泵电流（pump current,Ipump），这种泵电流使膜电位发生一定程度的超极化，但一般不超过10 mV。钠钠-钙交换钙交换：由钠钠-钙交换体钙交换体（Na+-Ca2+exchanger）介导，是3个Na+和1个Ca2+的跨膜交换，因而也是一种电荷不对称性交换，具有生电性。（二）工作心肌细胞的动作电位（二）工作心肌细胞的动作电位 分0、1、2、3、4期 去极相（0期）复极相（1、2、3、4期）具有较长的平台期和有效不应期，因此心肌不会发生强直收缩，动作电位时程动作电位时程（action potential duration,APD）可达200ms以上。动作电位幅度动作电位幅度（action potential amplitude，APA）（可达120 mV），超射（overshoot）约30 mV 图图9 9-4 4 心肌细胞动作电位模式图心肌细胞动作电位模式图 A：心室肌；B：窦房结；C：心房肌 横轴：B的扫描速度为A、C的一半 图图9-5.人右心室心外膜下（人右心室心外膜下（A）、中层（）、中层（B）和心内膜下（）和心内膜下（C）心肌细胞动作电位）心肌细胞动作电位 可见各层心肌的动作电位形态有差异，且动作电位时程随刺激频率（Hz）的加快而缩短。图图9-2.心脏特殊传导组织、各部位心肌细胞动作电位图形特点及其与心电图波形的关系心脏特殊传导组织、各部位心肌细胞动作电位图形特点及其与心电图波形的关系 图中数字表示窦房结的兴奋冲动传至心脏不同部位时所需要的时间（秒）（3）去极化和快钠离子流：）去极化和快钠离子流：电压门控钠通道电压门控钠通道（voltage-gated Na+channel，INa通道）开放，Na+快速流入细胞 阈电位阈电位（threshold potential）约为-70 mV 钠通道的三种功能状态：钠通道的三种功能状态：备用备用（静息）：通道关闭，但受到刺激可以开放。包括复复 活活（reactivation）状态。激活激活：开放 失活失活：通道处于不仅关闭、而且受到刺激也不能开放。失活的快钠通道的再度开启 钠通道阻断剂：河豚毒（钠通道阻断剂：河豚毒（TTX）图图9-6.小鼠心室肌细胞快钠电流小鼠心室肌细胞快钠电流 图示不同的去极化箝制电压引起不同大小的快钠内流（4 4）复极化及其离子流机制：）复极化及其离子流机制：1）1期（期（phase 1）复极化：）复极化：主要由瞬时外向离子流主要由瞬时外向离子流（transient outward current，Ito），Ito的载荷离子是K+。INa通道的失活和Ito通道的激活共同形成了1期。Ito通道也具有激活门和失活门，通道在激活后很快就失活关 闭，故名“瞬时性”通道。图图9-7.大鼠心室肌细胞的大鼠心室肌细胞的Ito电流电流 图示不同的去极化箝制电压引起不同水平的Ito电流，其中Ito2成分已被消除 Ito通道亚型：通道亚型：Ito1（Ito-f）：是上述）：是上述Ito的快成分和主要成分，其选择性阻断剂的快成分和主要成分，其选择性阻断剂是是4-氨基吡啶（氨基吡啶（4-aminopyridine，4-AP）。）。Ito1通道由通道由Kv4.2或或/和和Kv4.3蛋白构成通道孔洞。蛋白构成通道孔洞。Ito2（Ito-s）：是）：是Ito的慢成分，的慢成分，Ito2通道是一种通道是一种钙激活氯通道钙激活氯通道，即由细胞内即由细胞内Ca2+浓度增加而激活的浓度增加而激活的Cl-流（流（ICl-Ca），可被氯通道），可被氯通道阻断剂阻断。阻断剂阻断。Ito2的电流微弱且短暂，可能和的电流微弱且短暂，可能和1期与期与2期的切迹形期的切迹形成有关。但在细胞内钙超载时，成有关。但在细胞内钙超载时，Ito2幅值增大，使动作电位时程幅值增大，使动作电位时程缩短，从而减少缩短，从而减少L-型钙离子流内流的时间，从而减少型钙离子流内流的时间，从而减少Ca2+内流内流量。这可能是缓冲胞内钙超载的一种负反馈机制。量。这可能是缓冲胞内钙超载的一种负反馈机制。2）2期复极化期复极化：很缓慢，形成平台（：很缓慢，形成平台（plateau），也称为平），也称为平台期（台期（plateau phase）。）。主要离子流：主要离子流：L型钙电流型钙电流（long-lasting Ca2+current，L-type Ca2+current，ICa-L）：）：Ca2+内流：内流：IK1：由于：由于IK1通道的内向整流特性，阻止了通道的内向整流特性，阻止了K+的进一步外的进一步外流，从而使动作电位流，从而使动作电位2期内少量的期内少量的Ca2+内流就使膜电位保持内流就使膜电位保持在去极化状态的平台，甚或向上隆起形成圆顶。随着动作电在去极化状态的平台，甚或向上隆起形成圆顶。随着动作电位复极化到接近静息电位时，内向整流现象解除，位复极化到接近静息电位时，内向整流现象解除，K+又可经又可经IK1通道外流而加速最后的复极化过程。通道外流而加速最后的复极化过程。延迟整流钾电流延迟整流钾电流（delayed rectifier K+current,IK）图图9-9.心室肌细胞动作电位时程中心室肌细胞动作电位时程中ICa-L幅值的变化幅值的变化 图图9-8.心室肌细胞动作电位时程中心室肌细胞动作电位时程中IK1幅值的变化幅值的变化 注：由于内向整流特性，从动作电位去极化到平台期，IK1幅值锐减；在3期后期，内向整流现象消除，而驱使IK1外流的动力大于静息状态，所以IK1幅值暂时超过正常。3）3期复极化期复极化 约需100150 ms 3期复极化主要是由于Ca2+内流逐渐停止和K+外流逐渐增加所致 延迟整流钾通道延迟整流钾通道（delayed rectifier K+channel，IK通道）是3期K+外流的主要通道 图图9-10.狗心室肌细胞动作电狗心室肌细胞动作电位复极化过程中延迟整流钾电位复极化过程中延迟整流钾电流流IKr和和IKs幅值的变化幅值的变化 IK通道亚型：通道亚型：快速延迟整流钾通道快速延迟整流钾通道（rapid delayed rectifier K+channel，IKr通道）：IKr通道蛋白中组成通道孔洞的亚基（a亚基）由HERG基因编码，HERG基因突变可导致型长QT综合征。IKr的选择性阻断剂是E-4031。2.缓慢延迟整流钾通道缓慢延迟整流钾通道（slow delayed rectifier K+channel，IKs通道）：人类IKs通道的a亚基由KvLQT1基因编码，而辅助亚基由Mink基因编码；KvLQT1基因的某种突变会导致I型长QT综合征；Mink基因突变可导致V型长QT综合征。IKr通道和IKs通道是完全不同的两种通道，因二者在启闭动力学上有某种重叠，因而如果不用选择性阻断剂加以区分，可记录到一个IKr和IKs的混合电流。IKr的电流幅值远大于IKs，且二者的激活速率快慢有差别。4）4期期（静息期静息期）此时膜电位复极化至静息电位并稳定在此电位水平此时膜电位复极化至静息电位并稳定在此电位水平 离子泵离子泵（特别是特别是钠钠-钾泵钾泵和和钙泵钙泵）离子交换体离子交换体（如钠如钠-钾交换体钾交换体，钠钠-钙交换体等钙交换体等）将将Na+移出移出，并将流至膜外的并将流至膜外的K+移入移入，将胞质内升高的将胞质内升高的Ca2+移出细胞或移出细胞或/和移入肌质网的钙池和移入肌质网的钙池，使胞质内的离子水使胞质内的离子水平恢复到高钾平恢复到高钾、低钠和低钙的静息正常水平低钠和低钙的静息正常水平。图图9-11 心室肌细胞跨