心肌细胞的生物电现象

心肌细胞和其他肌肉、神经细胞一样，在细胞膜两侧存在着电位差，这电位差称跨膜电位。心肌细胞的生物电现象，就是跨膜电位的表现，与心肌细胞的兴奋活动有极密切的关系，可用细胞内微电极的方法描记和观察。
静息电位 心肌细胞在安静状态时，膜内外保持一定的电位差，称为静息电位。如定膜外电位为零，则膜内电位相当于-90mV左右。静息电位是细胞内的钾离子(K+)扩散外流所形成。在安静状态时，心肌细胞对Na+、Cl-等离子的通透性较低，但对K+的通透性较高，而且细胞内的K⁺浓度远比细胞外为高，于是K⁺通过细胞膜向外扩散，但膜内负离子（主要是蛋白质离子）不能随同外流，于是只有正离子外流而使膜外电位增高； 当膜外电位增高到足以对抗由于浓度差而造成的K⁺外流时，膜两侧的电化学势为零，于是出现平衡状态，K⁺外流停止，膜两侧电位差也固定于某一数值而不再增加，此数值称为K+平衡电位。这就是静息电位的形成原理。这种细胞膜内侧较负而外侧较正的状态，称为极化状态。
动作电位 心肌细胞兴奋时，跨膜电位在静息电位的基础上发生一系列的变化，称为动作电位。各种心肌细胞的动作电位基本类似，但又有差别；现以心室肌细胞为例，说明动作电位出现的过程。动作电位一般包括去极和复极两个主要过程，还可再细分为5个时期，其中0期属于去极过程，1～4期属于复极过程。各期变化过程及其离子动力学基础分述如下：
0期 亦称去极期。当心室肌细胞在窦房结传来的兴奋冲动影响下使膜内负电位减少到阈电位 (约为膜内-70mV)的水平时，引起膜结构中的快钠通道开放，使Na⁺通透性提高；由于细胞外的Na⁺浓度远比细胞内为高(20∶1)，而细胞内的电位远比细胞外为负，于是膜内外的Na+浓度差和电位差都促使Na+迅速内流，形成快钠内向电流(iNa)，使膜内电位急剧上升，直到由负变正，直到由此形成的膜内正电位足以抵消Na⁺内流的趋势，达到新的平衡，这时的电位称为Na+平衡电位，约为+30mV。这就是说，0期内由于膜的快钠通道的激活，膜内电位由静息时的-90mV上升到+30mV，变化幅度约120mV。0期亦称去极化期。膜内电位超出零电位的数值称为超射，其数值相当于Na+平衡电位的数值。
0期构成动作电位的上升支，是心肌细胞兴奋的表现，它可以引起相邻安静部位的膜去极化并产生动作电位，形成兴奋的传导。0期所占时间很短，仅约1～2ms，但膜内电位上升速度很快； 在浦肯野纤维0期去极化的最高速率可达1,000V/s。去极化的速度和幅度主要决定于膜对Na⁺的通透性、膜内外的Na⁺浓度差和原有静息膜电位的数值。
1期 亦称快速复极早期。复极开始时，膜内电位快速而短暂地下降，形成1期。1期的产生是由于细胞外Na+内流停止，同时膜外Cl-带着负电荷快速内流，形成短暂的氯电流(iC_l)。
2期 亦称缓慢复极持续期或“平坡”。这时跨膜电位持续保持在接近零电位的水平，是心肌细胞动作电位的特点之一。2期在心室肌细胞约占100ms，是缓慢持续的内向电流和外向电流互相作用的结果； 内向电流主要是慢钙内向电流(ica)和慢钠内向电流(iNas)，外向电流主要是平坡钾外向电流(ix)。这些离子电流的出现和停止具有电位和时间依从性，即随着膜电位的变化和时间的进展而改变； 与它们有关的通道的激活和失活都很缓慢持久，因此2期所占时间较长。
3期 亦称快速复极末期。平坡期以后膜内电位又迅速下降，直至恢复静息电位的水平。3期是复极期的主要组成部分，在心室肌细胞约历时100～150ms。3期的出现是由于慢钙、钠内向电流失活后钾外向电流的出现所造成，后者包括平坡钾外向电流 (ix) 和快钾外向电流(iK1)。平坡钾外向电流具有电位和时间依从性，约在膜内电位复极至-50mV时失活，这一电位又引发3期的复极过程。快钾外向电流也是电位依从性的，随着膜内电位的变负而增大，使复极加速，直到恢复静息电位的水平。
4期 亦即恢复期。复极完毕而膜电位达到静息电位水平后即进入恢复期。在此期内，膜的离子主动转运增强。钠与钙外运而钾内运，以恢复兴奋前各种离子在膜两侧的浓度差。钠的外运和钾的内运互相耦联，是通过Na⁺-K--依赖式ATP酶，即钠泵进行的。钙的外运和膜外钠浓度有关，通过一种特殊载体完成所谓钙-钠交换。在心室肌细胞等非自律细胞中，4期膜两侧电位保持在恒定的静息电位的水平，直到外来刺激引起新的兴奋。动作电位各期和有关的离子运动情况如图1所示。

图1 心细胞的跨膜电位与离子活动示意图

舒张期自动去极化 在窦房结、浦肯野细胞等有自律性的心肌细胞中，其跨膜电位在复极后4期内并不稳定在恒定水平。当3期终了膜复极到所谓最大舒张期电位之后，又开始自动地、缓慢地去极化，使膜内负电位逐渐减少，称为舒张期自动去极化。当这种缓慢去极化达到阈电位的水平时，便引发膜产生0期去极化，使细胞进入兴奋状态，出现一次动作电位。心肌自律细胞的舒张期自动去极化，是心肌自律性的基础。
快反应与慢反应动作电位 各部位心肌细胞的动作电位各有特点，主要可分为两类，即快反应动作电位和慢反应动作电位。
快反应动作电位 心房肌、心室肌、心房传导组织和心室传导组织等处的心肌细胞，产生快反应动作电位。其特点是0期去极化是由快钠内向电流 (iNa)所形成，去极速率快，因此兴奋传导也快。这类细胞的静息电位（或最大舒张期电位）约为-90mV; 当膜部分去极化到阈电位(约为-70mV)时，可激活钠通道而引发0期去极化的出现。此型动作电位平坡明显，这也造成整个动作电位有较长的持续时间。
慢反应动作电位 慢反应动作电位见于窦房结和房室结等处的细胞，其特点是0期去极化，主要由慢钙内流所形成，故动作电位上升支较平缓，平坡不明显，且静息电位（或最大舒张期电位）数值较小，小于-70mV。
心肌细胞产生不同型式的动作电位的原因，似乎与它们当时静息电位或最大舒张期电位的数值有关。例如，心室肌和浦肯野纤维通常产生快反应动作电位，但当某些情况(如高钾或缺血、缺氧)使它们的静息膜电位由正常时的-90mV降低到-70mV或更低的水平时，就会产生慢反应动作电位，这大概是由于长期的膜电位负值减小使膜的快钠通道失活，于是动作电位主要由慢钙通道参与形成所致。
快通道与慢通道 一般公认，各种离子通过细胞膜依靠镶嵌在膜的脂质双分子层中的某些特殊蛋白质，称为通道。通道具有特异性，一般只能容许某一种离子通过，而通道的开放与否，常决定于膜两侧的电位差或其他理化因素。膜对于某一离子的通透性的改变，就是有关的通道蛋白质功能状态的改变引起的。在心肌细胞去极化的过程中，膜的快通道和慢通道的作用最重要。

图2 快慢反应动作电位示意图
A.快反应动作电位及其离子电流 B.慢反应动作电位及其离子电流

心细胞的快慢反应动作电位比较表

电生理特性	快反应电位	慢反应电位
激活与失活 离子活动 阻 断 剂 静息电位 阈 电 位 去极化幅度 去极化速度 传导速度 有效不应期	快 钠 河豚毒 -80～-95mV -60～-70mV 100～130mV 200～1000V/s 0.5～3.0m/s 终止于复极完毕前	慢 钙 异搏定 -40～-70mV -30～-40mV 35～75mV 1～10V/s 0.01～0.1m/s 终止于复极完毕后

快通道 一般称快钠通道。构成通道的蛋白质内侧端可被蛋白酶分解破坏，外侧端可被河豚毒选择性地阻断。快通道内部结构中有闸门以控制Na⁺的内流。所谓闸门，通常是指通道蛋白质内部某些带电基团或电偶极矩，它们可在膜两侧电位差改变的影响下发生位移或转动，使通道开放（激活）或关闭（失活）。在心肌细胞，当静息电位保持在约-90mV时，膜上的快钠通道大多数处于关闭状态； 只有当膜电位去极到阈电位即-70mV时，通道闸门开放，引起Na+迅速内流，形成0期的快速去极化； 但膜的继续去极又能诱发闸门的失活，因此Na+内流也将很快停止。
慢通道 一般指慢钙通道。慢通道蛋白质对离子的选择性较低，除Ca2+外，Na+也可以少量通过。慢通道可被儿茶酚胺类物质所激活，而被异搏定或Mn2+、Co2+等离子选择性阻断。慢通道的开放和关闭也是电位和时间依从性的； 当膜电位去极化到-40mV时引起慢通道开放，使膜外Ca²⁺缓慢内流；但当膜内电位达到+20mV时，此通道关闭，Ca2+内流也逐渐停止。慢通道的活动尚需一系列的生化过程；激活时通过cAMP激活膜的蛋白激酶，使通道蛋白质磷酸化，从而使通道开放； 相反当cAMP被磷酸二酯酶分解时，通道蛋白质由于脱磷酸而引起通道关闭。
内向电流和外向电流 一般以正电荷移动方向确定跨膜电流方向，因此正离子内流或负离子外流都称为内向离子电流，它使膜内电位上升趋向于正，起去极化作用；正离子外流或负离子内流都称为外向离子电流，它使膜内电位变负，起复极化作用。与心肌细胞动作电位出现和复极的各种离子电流有如下一些，它们都与特定的通道蛋白质有关。
快钠内向电流 细胞外Na⁺通过快钠通道迅速内流，它使膜电位迅速上升，形成快反应动作电位的去极化，即造成0期的出现。
慢钙内向电流 细胞外Ca²⁺和小部分Na⁺通过膜的慢通道内流。在快反应细胞，此内向电流使膜内电位保持于较正水平，参与2期平坡的形成和维持。
钠内向背景电流 指膜外Na⁺通过膜的漏泄通道而缓慢地持续内流，可影响4期静息电位的数值。
短暂氯电流 亦称短暂外向电流。复极开始时，细胞外Cl-通过膜的氯通道快速而短暂地进入膜内，使膜内电位快速下降，形成1期。
平坡钾外向电流 (i_x) 包括快成分(i_x1) 和慢成分(ix2)，其中以ix1最为重要，ix2因进行极慢而在动作电位的复极过程中无显著作用。K+通过这些通道外流，和慢钙内向电流相平衡，使跨膜电位在一个较长的时间内保持在接近零电位的水平，形成2期平坡。当慢钙通道关闭以后，ix1也在膜内电位复极到-50mV时失活，此后即进入复极3期。此外，在窦房结细胞中，ix1的失活使钾的外流减少而内向背景电流占了优势，结果形成舒张期自动去极化，因此ix₁还与窦房结自动节律的形成有关。
快钾外向电流(i_k1) 亦称晚期外向电流，它实际是一种背景电流，只是在复极后期增大，使膜内电位快速下降而变负，形成3期。
慢钾外向电流(i_k2) 亦称起搏电流。在心脏的快反应自律细胞（如浦肯野细胞）中，此电流从最大舒张期电位开始，随着时间而逐渐减弱，但这时钠背景内向电流维持在稳定状态，于是膜内电位缓慢变正，形成舒张期自动去极化；因此它是造成快反应细胞自律性产生的基础。