心脏自动节律的起搏机制

组织细胞在没有外来刺激的条件下，能自动地发生节律性兴奋，称为自动节律性。心肌细胞在适宜条件下可产生自动节律性兴奋，这一生理现象早在1883年先由Gaskll在青蛙和乌龟的心肌实验中得到验证，并为心肌自律性的肌源学说提供了有力证据。

一、窦房结细胞起搏机制

窦房结内含有丰富的起搏细胞、优势细胞和潜在细胞。它们的跨膜电位具有4相自动除极化特性。长期以来，由于窦房结自律细胞的体积小，电压固定技术在窦房结自律细胞的应用有一定难度。1976年Noma和Irisawa成功地在窦房结标本（直径＜300μm）上，进行双微电极法电压钳制术研究以来，对窦房结细胞的起搏原理在认识上有了很大的提高。目前认为，窦房结细胞的起搏离子流至少有3个：1个是随时间而递减的外向K＋流（ik）；另2个是随时间而递增的内向离子流Isi和if。

ik是一个依赖时间的外向K＋流，在除极到－50mV开始激活，除极到＋10mV呈最大激活。在复极化时，ik通道因失活（失激活）而关闭。其激活和失活的时间常数基本相同。在－40mV时约为400ms，在膜电位更正或更负时都较短，在200～300ms。1979年，Noma认为ik在复极化后失活而逐步衰减是窦房结起搏细胞（舒张除极）的主要因素，故曾将它命名为起搏离子流ip。

1977年，Brown等对蛙静脉窦的研究指出，Isi是其舒张后期的主要离子流。1980年Noma详尽研究了窦房结细胞的Isi的离子通道特性，发现它和其他组织的Isi十分相似。他们认为在窦房结动作电位4期中，Isi逐步从失活状态恢复过来，同时又有轻度的激活，从而引起舒张期除极。这一设想于1982年为Brown所证实。Isi在窦房结细胞舒张期除极的最后1／4～1／3时间起作用。

If的发现增加了问题的复杂性。它是一个因超极化（过度极化）而激活的内向离子流。1980年，Irisawa对窦房结细胞的测定结果显示，在－50mV开始激活，超极化达－100mV时充分激活，其激活时间常数很长，往往超过1s。窦房结if的离子组成有Na＋和K＋。

关于ik、if和Isi在窦房结细胞起搏活动中的相对重要性，原先存在着不同看法，目前已渐趋统一。如前所述，Noma等起初认为ik的失活、逐步衰减是窦房结起搏的主要离子流；if被发现后，1981年Maylie等又认为if是主要起搏离子流。1982年，Brown对这一问题进行了研究，他们先测定窦房结细胞在不同超极化水平时激活的内向离子流if的幅度，然后在同一细胞采取先除极（激活ik）再过度极化的方法（过度极化水平与前相同），测定ik失活和if的混合离子流幅度，把这两种离子流相减，即可求得由于ik失活所形成的离子流幅度值。据Brown估计，为超极化到接近舒张电位水平时，ik失活和if的离子流幅度值相比，约为5∶1。

1983年，Noma进一步研究了if在窦房结起搏中是否重要的问题。他们发现，用2mmol／L铯处理兔窦房结后，if受到明显抑制，而窦房结的自发节律活动的频率只有轻度减慢，表明if不是房窦结的主要起搏离子流。

综合上述，窦房结细胞的起搏原理可归纳如下：当窦房结细胞复极化到最大舒张电位水平时，由于ik的失活衰减和if的激活增加，细胞逐步除极。当除极接近起搏电位（take－off potential）时，由于Isi从失活中恢复过来，呈现轻度激活，也参与了起搏活动，使舒张期除极速率加快，达到阈电位而产生1次新的冲动。

二、Purkinije细胞的起搏原理

1968年，Noble和Tsien提出ik2是Purkinije细胞的起搏离子流。根据他们的研究，ik2是一个外向K＋流，其离子通道有激活门，在除极时激活开放，超极化（复极）时则失活关闭。绵羊的Purkinije纤维，当复极到－90mV时通道关闭。而当除极到－60mV时，通道则全部开放。通道开放、闭合的时间常数在0．2～2．2s。由此可知，ik2这一外向K＋流在除极过程中逐步增加，而在复极过程中则按膜电位水平，依其时间常数而逐步衰减。一个逐步衰减的外向离子流，在其他离子流不变的条件下，是有利于除极的。Noble和Tsien又发现ik2只存在于有Na＋的等渗溶液中。如果去除灌流液中的Na＋，则ik2消失。这种K＋流依赖Na＋的现象，作者也感到难以解释。根据上述实验现象，他们提出假设，认为在动作电位4期中，ik因失活而逐步衰减，在外向K＋流逐步减少的条件下，以Na＋为背景的离子流稳定地内流，从而导致4相舒张期除极，这就是Purkinije细胞的起搏原理。

Noble和Tsien这一假设发表后，迅速得到公认，并被编入生理学教科书。但近来有研究证明，上述假设是错误的。

1977年，Baumgarten等研究了在电压钳制术实验中，Purkinije细胞间隙内K＋积聚增多和耗损减少对跨膜离子流的影响。他们指出，Purkinije细胞表面积的80%为狭窄的细胞间隙或缝隙（cleft）所覆盖，其宽度仅其间隙液和细胞外液物质交换十分缓慢。在长时间的电压钳制术实验中，由于膜电位的改变，细胞间隙中的K＋会流入心肌细胞（超极化），或心肌细胞内的K＋会流出到细胞间隙（除极时），造成细胞间隙K＋浓度的降低或者升高。这种细胞间隙中K＋浓度的改变，因而使细胞膜内外离子浓度也发生改变，使跨膜离子运动的推动力发生改变，结果必然导致跨膜离子流的改变。例如，ik1是一个不依赖时间的以K＋为背景的离子流。在过度极化时应该表现为稳定的K＋内流，可是由于上述衰减现象的存在，在细胞间隙中的K＋浓度逐渐降低，因而内流的ik1逐步衰减。这种逐步衰减的ik1，并不反映ik1通道的开、闭动力学变化，仅仅是一种实验伪差，作者们称之为减失电流（depletion current）。1980年Difrancesco发现Purkinije细胞的起搏离子流ik2和窦房结细胞的起搏离子流之－if很相似。这二者的激活（或失活）的电位水平相似；二者都要依赖细胞外Na＋而存在；二者又都可以被铯所阻断，提示这两种离子流的本质可能是一样的。可是，已知if是一个因超极化而激活的内向离子流，其主要成分是Na＋和K＋；而“ik2”却被认为是一个超极化而失活的外向离子流，其成分纯粹是K＋，这显然存在着矛盾。

1981年，Difrancesco对Purkinije细胞的起搏原理进行了一系列研究。首先，他用一串小而短的脉冲在4期舒张除极过程中测定膜电导，发现在超极化时膜电导增加，而在除极时膜电导降低。这一结果表明“ik2”不像是因超极化而失活的离子流，却像是一个因超极化而激活、开放的离子通道。其次，铯可以选择性阻断ik2，ik2的离子在低浓度（0．5mV）时只阻断“ik2”，在阻断以后发现膜电流向外移位。这说明“ik2”不是一个外向离子流，而是内向离子流。第三，Noble等认为ik2”是一个K＋流的主要依据是“ik2”的转向电位等于钾平衡电位，在K＋为4mmol／L时为－100mV，Difrancesco考虑这可能是一个实验伪差。因为按照上述在电压钳制术长期超极化实验中，细胞间隙中K＋有减失，从而影响ik1。这种ik1的变化如果重叠在实验结果上，可以导致误解。Difrancesco选用钡来阻断ik1，以消除上述减失现象所导致的伪差（已证明钡对窦房结的if没有影响）。实验结果表明，用钡处理后，“ik1”在钾平衡电位转向的现象完全消失，即使超极化到－163mV也不表现转向。相反，其转向电位移到－30mV，十分接近窦房结if的转向电位（－25mV）。由此证明，所谓“ik2”的转向电位接近钾平衡电位，实质上亦是一种实验伪差，它是超极化时，随时间而逐步增加的内向if离子流和随时间而递减的，ik1减失电流重叠而形成的现象。

根据上述实验，Difrancesco结论认为，所谓“ik”是一个实验伪差，Purkinije细胞的起搏离子流是if。If是一个因过度极化到－50mV而激活的内向离子流，其主要离子是Na＋，也有K＋参加。他根据这一重要发现提出了新的见解，引起了学术争论。后来Noble本人工作也证实了ik2确实是实验伪差，转而支持Difrancesco的见解。至于今后Purkinije细胞自律起搏机制，是否有新的见解，尚有待于进一步研究。