实验——神经递质和几种离子对心肌的电生理效应

2009～2010 学年度人体解剖生理学实验（理论知识部分） 荣海工作室 宋秀明 神经递质和几种离子对心肌的电生理效应 一、 神经递质对心肌的电生理效应 心脏接受交感、副交感（迷走）双重神经支配。交感神经支配全心，其末梢释放去甲肾 上腺素，兴奋心脏；迷走神经支配心房及房室交界，其末梢释放乙酰胆碱，对心脏有抑制作 用。心脏的正常活动有赖于交感、副交感神经的活动的平衡协调。 (一)交感神经和儿茶酚胺对心肌的电生理效应 交感神经末梢释放去甲肾上腺素，作用在心肌膜上的肾上腺素受体而发挥作用。心脏肾 上腺素受体是 β1 和 β2 受体，也有 α1受体。生理情况下去甲肾上腺素主要通过 β受体发挥作 用。其它儿茶酚胺如肾上腺髓质分泌的肾上腺素以及外源性的儿茶酚胺类药物也有类似作 用。 1. 对起搏活动的影响 交感神经兴奋和儿茶酚胺使窦房结和浦肯野纤维的舒张除极加速，自律性增加，称为正 性变时作用（positive chronotropic action）。窦房结细胞和浦肯野细胞的起搏机制不同，儿茶 酚胺对这两种细胞的作用机制也有不同。 浦肯野纤维的起搏离子流 if，正常时在膜电位-100mV 时充分激活。在儿茶酚胺作用下， if通道开闭的动力学发生变化，当膜电位复极到-70mV 时 if通道已几乎充分激活开放。换言 之，在儿茶酚胺类作用下，同样的膜电位水平会引起更大的 if离子流内流，因而舒张除极速 率加快。另一方面，儿茶酚胺又使浦肯野细胞的阈电位下移，靠近最大舒张电位，使舒张除 极易于达到阈电位而增加其自律性，严重时可以诱发出室性早搏。 窦房结细胞的起搏离子流众多，比较复杂。窦房结内 β1 和 β2受体密度均高于周围心房 肌，而以 β1 受体为主。儿茶酚胺通过与 β 受体结合，通过对多种离子流的影响而加快窦房 结细胞起搏活动。目前已知的有：①降低 if离子流的阈电位，使之易于兴奋激活，幅值增大； ②增加钙流（iCa-L和 iCa-ST），从而加速舒张除极速率；③增加 ik 幅值，加快其衰减过程。通 过上述机制，儿茶酚胺加快窦房结起搏频率。 2. 对静息膜电位和动作电位的影响 儿茶酚胺使窦房结细胞和浦肯野细胞的最大舒张电位轻度增大（过度极化），这是由于 儿茶酚胺具有刺激生电性钠泵的作用之故。儿茶酚胺对钠泵既有直接刺激作用，也可以通过 加快心跳频率而间接刺激钠泵活动。 儿茶酚胺使慢反应细胞动作电位波幅增加，0 期除极速率增加，因而有加快房室传导的 作用，称为正性变传导作用（positive dromotropic action）。对快慢反应心肌细胞，儿茶酚胺 都有使它们动作电位的平台抬高的作用。以上两个作用，都是由于儿茶酚胺增加心肌细胞 L 型钙流（iCa-L）所引起。iCa-L内流的增加使心肌收缩力量增加，称为正性变力作用（positive inotropic action）。 对于动作电位时程和不应期的影响十分复杂，取决于动物种类、心肌标本、儿茶酚胺的 种类和浓度，变化不一。例如，兔窦房结细胞在肾上腺素作用下复极加快，动作电位时程缩 短；而兔心室肌细胞对肾上腺素的反应则是动作电位时程延长。狗浦肯野细胞在低浓度去甲 肾上腺素作用下现为动作电位时程延长；高浓度时则缩短。这是由于儿茶酚胺同时对 iCa-L 和 ik 都有增强作用，而增加的幅值又因不同标本、儿茶酚胺的不同浓度而异，因此表现为很 大的不一致性。这一点在儿茶酚胺诱发的心律失常中可能具有重要意义。 (二)迷走神经和乙酰胆碱对心肌的电生理效应 迷走神经末梢释放乙酰胆碱，作用在心肌细胞膜的毒蕈碱型（M 型）胆碱能受体而发 第 页 共 页 （本材料仅供药学院 2007 级本科同学参考使用） 1 4 2009～2010 学年度人体解剖生理学实验（理论知识部分） 荣海工作室 宋秀明 挥作用。迷走神经支配窦房结、心房和方式交界，对心室肌的支配还存在争议。 1. 对起搏活动的影响 刺激迷走神经或在离体实验中用乙酰胆碱灌流标本，可以引起窦房结细胞过度极化和舒 张除极速率减慢，出现窦性心率变慢甚或窦性停搏，称为负性变时作用。 迷走神经的负性变时作用存在于窦房结和心房内散在的起搏细胞，对窦房结的抑制作用 最强。在窦房结内部，抑制作用也并不均匀一致。因此在迷走神经兴奋时，可以引起窦房结 内起搏点转移，游走节律和窦性心律不齐。 迷走神经和乙酰胆碱的负性变时作用是通过对多种离子通道的影响而实现的。首先是乙 酰胆碱和细胞膜上 M2 受体结合，通过 G 蛋白也可直接作用于乙酰胆碱依赖型钾通道，使之 激活开放，引起 iK-ACh 外流，造成细胞膜过度极化，最大舒张电位更负，离开阈电位更远， 因而降低窦房结细胞的自律性。乙酰胆碱依赖性钾通道也有内向整流特征，早期曾被误认为 就是内向整流钾通道，后来了解了其乙酰胆碱依赖性和通道的动力学特征才将两者区分开。 其次，在乙酰胆碱作用下，心肌细胞膜钙通道开放概率降低，使窦房结细胞的阈电位上移到 更正的膜电位水平，与最大舒张电位之间的距离变远，故降低窦房结细胞的自律性。第三， 乙酰胆碱使 if 离子流的激活曲线左移（和儿茶酚胺的作用相反），使 if 幅值降低，故起搏速 率减慢，自律性降低。 在离体实验中，乙酰胆碱对浦肯野细胞起搏活动的影响随动物种类不同而有很大的差 异。大多数动物表现自律活动减慢，主要是通过增加 iK-Ach和较小 if幅值而引起。也有个别 种类动物表现自律活动加快，这些现象的生理意义还不清楚。 2. 对静息膜电位和动作电位的影响 乙酰胆碱使窦房结、房室结和心房肌细胞过度极化，主要是增加心肌细胞对 K+的通透 性。在动作电位方面，乙酰胆碱使窦房结、房室结细胞的动作电位波幅降低，0 期除极速率 减慢，因而传导速率减慢，称为负性变传导作用（negative dromotropic action）。这是由于在 乙酰胆碱作用下，钙流受抑制减弱的缘故。心房肌在乙酰胆碱作用下，钙内流减少，动作电 位时程又因复极时 K+外流加快而缩短，这样更使得每个动作电位中进入细胞内的 Ca2+量减 少，收缩力量减弱，称为负性变力作用（negative inotropic action）。 由于乙酰胆碱引起心肌细胞过度极化，膜电位和阈电位之间的电位差距增加，所以兴奋 性降低。在心房肌，由于动作电位时程缩短，有效不应期也相应缩短。 对于非哺乳动物（蛙、鸡、龟）心室肌，乙酰胆碱的作用很微弱；有报道刺激迷走神经 可以使在体狗心室收缩力量减弱。对豚鼠心室肌的离体实验表明，乙酰胆碱可以同时减少 L 型钙流 iCa-L和延迟整流钾流 ik，所以对动作电位时程影响不大，仅有轻度缩短作用。但由于 Ca2+的内流减少，所以心室肌收缩力有明显减弱。 二、 几种离子的心肌电生理效应 心肌细胞膜离子通道的开闭以及由此而产生的离子跨膜运动是心肌细胞电活动发生的 根本原因，也是心肌生理特性的基础。细胞外液中一种离子浓度的改变，不仅改变了该离子 在细胞内外的浓度差，造成推动该离子跨膜运动的动力发生改变；而且还可以引起细胞膜对 该离子或其它离子的通透性发生改变，使问题变得复杂；再加上各种心肌细胞本身的离子流 各有不同，对离子浓度改变的反应也不尽相同，更增加了问题的复杂性。离子平衡失调引起 的复杂的心脏活动改变，概源于此。 (一)钾 钾是细胞内的主要正离子，细胞内外的钾离子浓度差是形成静息膜电位的基础。心肌细 胞膜对钾的通透性随细胞外 K+浓度发生变化，高钾时内向整流钾通道对 K+的通透性增高， 低钾时通透性降低，细胞外无 K+时，该通道对钾的通透性丧失。因此，钾离子浓度的改变 第 页 共 页 （本材料仅供药学院 2007 级本科同学参考使用） 2 4 2009～2010 学年度人体解剖生理学实验（理论知识部分） 荣海工作室 宋秀明 主要通过对静息膜电位（最大舒张电位）和钾离子流的影响改变心肌细胞电活动和心肌生理 特性。 心脏各部分心肌对钾的敏感性不同，心房肌最敏感、心室肌和浦肯野细胞次之，窦房结 和房室结较不敏感。 1. 高钾 细胞外钾离子浓度在 5～100mmol/L 范围内变动时，静息膜电位基本上按 Nernst 公式计 算的钾平衡电位发生变化，即高钾引起除极。 高钾除极作用引起快反应细胞 iNa通道的失活，除极越多，iNa通道失活越严重，快反应 细胞动作电位的 0期最大除极速率和波幅因而下降。慢反应细胞如窦房结由于细胞膜上的 iK1 通道不重要，所以对高钾不敏感，当钾离子浓度高达 20mmol/L 时其动作电位波幅甚至可以 大于心房肌（因为心房肌受高钾严重抑制）。 结扎冠状动脉引起心肌缺血时，在 10 分钟内细胞间隙中的 K+浓度可增加到 10～15 倍 正常值，这主要是由于细胞内 ATP 含量减少，iK-ATP通道开放，细胞内 K+外漏之故。这是快 反应细胞的静息电位除极到-50mV 或更多，iNa 通道几乎完全失活关闭，局部儿茶酚胺释放 量增加，出现慢反应动作电位，传导速度进一步下降而自律性升高，易于发生心律失常。 高钾时对细胞膜 K+的通透性增加（iK1），动作电位复极速度因 K+外流加速而增快，平 台期和动作电位总时程都缩短，这一作用在浦肯野细胞比心室肌细胞明显。心室肌细胞动作 电位时程的缩短和 3 期复极加速表现在心电图上为 Q-T 间期缩短，T 波高尖。 1) 对兴奋性的影响：血钾轻度升高时，由于除极使静息膜电位和阈电位之间的差距缩小， 兴奋性升高；血钾明显升高时，由于 iNa通道逐步失活，阈电位升高，心肌的兴奋性降 低。另方面高钾时动作电位时程缩短，有效不应期也相应缩短。 2) 对自律性的影响：轻度高钾除极减少了浦肯野细胞起搏离子流 if的激活程度，使其自律 性降低；但当重度高钾引起心肌细胞明显除极时，产生异常自律活动，自律性异常升高。 高钾对窦房结细胞自律活动影响不明显。 3) 对传导性的影响：高钾除极引起的 iNa通道失活导致传导速度减慢，易于发生传导阻滞。 如果 iNa通道完全失活，近由 iCa-L内流形成慢反应动作电位，则会出现极慢传导。 4) 对收缩性的影响：高钾时由于动作电位平台期和总时程都缩短，每个动作电位中 Ca2+ 内流量减少，使心肌收缩力减弱。 2. 低钾 当细胞外 K+浓度低于 3mmol/L 时，iK1 通道的通透性降低，因此心肌静息时对 K+的通 透性降低，而对其它离子的通透性相对升高，静息膜电位偏离按照 Nernst 公式计算的钾电- 化学平衡电位，仅出现轻度过度极化。对人体慢性缺血心室肌的研究表明，其 iK1 幅值降低， 仅为正常值的 70%左右，因而心肌细胞除极。缺血心肌对低钾十分敏感，切其反应异常， 不出现过度极化，反而呈现进一步极化，在此基础上，出现结细胞样异常自律活动，这可能 是缺血性心脏病患者在血钾偏低时易于出现室性早搏的原因。 心室肌和浦肯野细胞的动作电位时程由于钾的通透性的降低而延长，尤其是终末复极部 分的延长。在体表心电图上表现为 Q-T 间期延长，T 波低平。 1) 对兴奋性的影响：对正常心房心室肌，低钾引起静息膜电位过度极化，和阈电位之间的 距离增加，所以兴奋性降低。而浦肯野细胞对低钾敏感，易出现膜电位除极而兴奋性增 高。动作电位时程的延长使不应期也相对延长。 2) 对自律性的影响：浦肯野细胞对 K+通透性降低有利于 if 内流引起的舒张除极，浦肯野 细胞自律性明显升高，易于出现异位起搏活动。窦房结细胞对低钾不敏感，窦性心率很 少受影响。 3) 对传导性的影响：心房心室肌轻度过度极化，对 iNa影响不大，所以传导性无明显变化， 第 页 共 页 （本材料仅供药学院 2007 级本科同学参考使用） 3 4 2009～2010 学年度人体解剖生理学实验（理论知识部分） 荣海工作室 宋秀明 第 4 页 共 4 页 （本材料仅供药学院 2007 级本科同学参考使用） 心电图上 QRS 间期变化不大。浦肯野细胞由于静息电位除极，动作电位 0 期最大除极 速率降低，波幅减小，传导速度减慢，但其变化不足以引起心电图 P-R 间期的变化。 4) 对收缩性的影响：低钾时心肌收缩力轻度增加，与细胞内 Ca2+浓度有关。这可能由于 钠-钾泵受抑制，也可能由于 Ca2+内流受细胞外 K+抑制作用减少，因而内流量增加之故。 (二)钙 钙是 iCa-L 的主要成分，iCa-L 是慢反应细胞动作电位除极的主要内向离子流，它和 iCa-ST 的共同参与窦房结细胞的起搏活动。对快反应细胞而言，是动作电位平台期主要内向离子流， 对心肌的兴奋-收缩耦联十分重要，心肌的收缩力量每一次搏动都依赖于 iCa-L 的内流。快反 应细胞钙离子的内流又触发了 ito2 以及钠/钙交换，它们也影响动作电位。此外，Ca2+和 Na+ 在细胞膜表面存在着竞争性抑制作用，称为钙的膜屏障作用，上述离子流之间的相互作用使 问题变得复杂化。在病理情况下，细胞内 Ca2+超负荷是多种心脏疾病发生心律失常的离子 流基础，因此，钙通道阻滞剂称为一大类抗心律失常药物是可以理解的。 1. 高钙 在 K+浓度正常的条件下，Ca2+浓度在很大范围内（0.68～10.8mmol/L）变动对心肌静息 膜电位没有影响。 高钙主要是通过对动作电位的影响而改变心肌生理特性。高钙时膜屏障作用加强，Na+ 离子不易内流，阈电位水平上移，和静息膜电位之间的差距增大，兴奋性降低。高钙时 iCa-L 内流量增加，动作电位平台期抬高，Ca2+内流增加引起心肌细胞膜通透性升高（钙诱导的钾 离子流），K+外流加速，因而复极加速，动作电位时程缩短，有效不应期也相应缩短。在一 定浓度范围内，高钙使窦房结细胞舒张除极速率加快，自律性升高；但钙浓度过高时窦房结 自律活动频率反而降低，这可能由于钙-钙抑制或是细胞膜被动电学特征发生改变之故。高 钙时 Na+内流的减慢和阈电位的升高，使快反应细胞传导速度减慢。慢反应细胞则由于除极 时 Ca2+内流增加，动作电位除极速率和幅值都增加，传导速度加快。高钙时 Ca2+内流量的 增加既可以增加肌浆网的钙释放量（钙-钙释放），也可以增加细胞内的钙贮存量，所以心肌 收缩力增强。 2. 低钙 低钙的心肌电生理效应基本上与高钙相反，表现为阈电位降低，兴奋性升高，动作电位 平台期电位降低，动作电位时程延长，不应期延长，窦房结自律性降低，心肌收缩力量减弱 等。 如果完全去除灌流液中的钙，则心肌细胞膜的生理特征会有很大改变，表现为通透性明 显增加，细胞膜出现一种非特异性的正离子通道开放，内向整流现象消失，动作电位波幅减 小，时程极度延长等。说明钙是维持细胞正常生理既能所必需的。 (三)钠 Na+是细胞外液中的主要正离子，是快钠流、慢钠流和 if 的主要组成成分，又是背景离 子流和 iCa-L的组成部分，因此 Na+和心肌的兴奋性、传导性和自律性都密切有关。但是心肌 细胞对钠的变化不敏感，Na+浓度必须有很大变化才会引起上述生理特性的改变，因此在实 践中钠的影响不如钾、钙对心肌的作用重要。 细胞外 Na+浓度改变对静息膜电位没有明显影响。高钠时细胞膜内外 Na+浓度梯度差增 大，快反应细胞兴奋时 Na+内流加速，使心肌的兴奋性、传导性和自律性都有所增加。高钠 时由于 Na+、Ca2+在细胞膜上的竞争性抑制作用，使 Ca2+内流减少，另一方面 Na+内流的增 加还可以通过细胞膜上的 Na+-Ca2+交换机制使 Ca2+外流增加，引起细胞内 Ca2+浓度的降低， 心肌收缩力量减弱。 实验条件下，低钠使快反应细胞和窦房结细胞的 0 期除极速率和动作电位波幅都降低， 传导速度减慢，自律性降低，但收缩力量则增强。