自律细胞的跨膜电位及其形成机制

自律细胞的膜内外电位差没有稳定数值，把细胞膜内外最大电位差称为最大复极电位。自律细胞与非自律细胞膜电位的最大区别是在4期（当然其他各期也有不同）。心房肌和心室肌细胞4期的膜电位是基本稳定的，而自律细胞，动作电位3期复极化末达到最大复极电位之后，4期的膜电位并不稳定在这一水平，而是立即开始自动去极化；当去极化达到阈电位水平后，就爆发一次新的动作电位。这种4期自动去极化的过程具有随时间而递增的特点，去极化的速度远较0期去极化缓慢。4期自动去极化是自律细胞产生自动节律性兴奋的基础。

不同类型的自律细胞，4期自动去极化的速度和机制不完全相同。自律细胞在3期复极化的净外向电流达到最大复极电位后，在4期又出现一种逐渐增强的净内向电流，使膜内的负电位值逐渐变小，膜便逐渐去极化。这种进行性净内向电流的产生，有以下3种可能的原因①内向电流逐渐增强；②外向电流逐渐减弱；③二者兼有。实际上，在不同类型的自律细胞，4期自动去极化都是由进行性的净内向电流引起的，但构成净内向电流的离子种类和离子流的方向并不完全相同。下面分别对浦肯野细胞和窦房结细胞进行讨论。

1.浦肯野细胞 浦肯野细胞是一种快反应自律细胞，最大复极电位-90mV，其动作电位分为0期、1期、2期、3期和4期。除4期外，浦肯野细胞动作电位的形态和离子基础与心室肌细胞的相似。

浦肯野细胞4期自动去极化形成的离子机制包括一种外向电流（IK）的逐渐减弱和一种内向电流（If）的逐渐增强（图2-3)。IK通道在0期去极化时开始开放，K+电流在平台期逐渐增强，3期复极化至-60mV左右时IK通道开始关闭，至最大复极电位时接近完全关闭。因此，与下面将要叙述的窦房结细胞相比，在浦肯野细胞中由于IK衰减而引起的K+外流减少对于4期自动去极化所起的作用较小。在浦肯野细胞4期自动去极化中发挥主要作用的离子电流是起搏电流If，这是一种主要由Na+负载的内向电流，可被Ca2+选择性阻断。If通道在动作电位3期复极化至-60mV左右时开始被激活开放，其激活程度随着膜内负电性的增加而增加，至-100mV时完全激活开放。If的激活较为缓慢，并表现出时间依从性，即随时间的推移而逐渐增强，是导致4期自动去极化的主要原因。当4期自动去极化达到阈电位水平时，便产生一次新的动作电位。If通道在膜的去极化水平达-50mV左右时关闭。总之，动作电位3期复极化进行至一定程度时引起If的激活和发展，If的产生和增强导致4期的自动去极化，自动去极化的发展引起新的动作电位，并反过来中止If。

2.窦房结细胞 窦房结含有丰富的自律细胞，但这类自律细胞属于慢反应自律细胞。与心室肌快反应工作细胞和浦肯野快反应自律细胞相比，窦房结细胞的跨膜电位具有以下特点：①最大复极电位（-70mV）和阈电位（-40mV）的绝对值均小于浦肯野细胞；②0期去极化幅度较小（约70mV），时程较长（约7ms)，去极化的速率较慢（约10V/s)；③没有明显的复极1期和2期；④4期自动去极化速度（约0.1V/s）快于浦肯野细胞（约0.02V/s）。心室肌细胞与窦房结细胞的跨膜电位不同（图2-4）。

图2-3　浦肯野细胞的起搏机制
A.代表If的离子电导；B.代表Ik的钾电导

图2-4　心室肌细胞和窦房结细胞跨膜电位比较
A.心室肌细胞；B.窦房结细胞

（1）去极化过程：窦房结细胞的去极化过程为动作电位的0期。当膜电位由最大复极电位（-70mV）自动去极化达到阈电位水平（约-40mV）时，激活膜上的L型Ca2+通道，引起Ca2+内流，导致0期去极化。由于L型Ca2+通道的激活和失活都较缓慢，故窦房结细胞的0期去极化过程比较缓慢，持续时间较长。

（2）复极化过程：窦房结细胞的复极化过程是动作电位的3期。窦房结细胞的动作电位无明显的1期和2期，0期去极化后直接进入3期。0期去极化达到0mV左右时，L型Ca2+通道逐渐失活关闭，Ca2+内流减少；另一方面，在复极化的初期，IK通道被激活开放，出现K+外流。由于Ca2+内流的逐渐减少和K+外流的逐渐增加，使细胞膜逐渐复极化并达到最大复极电位。

（3）4期自动去极化：形成窦房结细胞的4期自动去极化至少有3种离子电流，当内向电流超过外向电流时，形成的净内向电流导致自动去极化（图2-5）。

图2-5　窦房结细胞的动作电位及离子机制

①IK：IK通道在膜的去极化时即开始激活开放，以后K+外流逐渐增强，成为窦房结细胞3期复极的主要原因。但IK通道在复极化接近最大复极电位时便开始关闭，K+的外流逐渐减少，使内向电流超过外向电流，从而导致4期自动去极化。目前认为，由于IK通道的时间依从性的关闭所造成的K+外流的进行性衰减，是窦房结细胞4期自动去极化的最重要的离子基础。

②If：If是一种进行性增强的内向离子流，在浦肯野细胞4期自动去极化过程中起重要作用。If通道的最大激活电位为-100mV左右。而在正常情况下，窦房结细胞的最大复极电位约为-65～ -70mV。在这一电位水平，If通道的激活十分缓慢，电流强度也较小，因此If在窦房结细胞4期自动去极化过程中所起的作用不大。

③ICa-T：除L型Ca 2+通道外，窦房结细胞还存在T型Ca2+通道，其阈电位在-50mV。当4期自动去极化到-50mV时，T型Ca 2+通道被激活开放，引起少量的Ca2+内流（ICa-T），成为4期自动去极化后期的一个组成成分。T型Ca2+通道可被Ni2+阻断。一般的Ca2+通道阻断剂对ICa-T无阻断作用。