钠内流钾外流动作电位

第四节　影响心肌细胞电生理特性的因素

一、自主神经及其化学性质

支配心脏的自主神经包括交感神经和副交感神经，它们对心肌细胞电生理特性的调控作用主要是通过释放相应的神经递质，递质与相应的受体结合，进而调节细胞膜离子通道的通透性而实现的。

(一)副交感神经的作用　支配心脏的副交感神经为心迷走神经，其节前纤维起源于延髓，进入心脏后，节前纤维的末梢与心内神经节细胞发生突触联系。当迷走神经兴奋时，其节后神经末梢释放乙酰胆碱，乙酰胆碱与心肌细胞膜上的M型胆碱能受体结合，导致心率减慢(负性变时作用)、传导减慢(负性变传导性作用)等抑制效应。乙酰胆碱发生抑制性效应的主要机制是能明显提高细胞膜上K⁺通道的通透性，促进K⁺的外向流动。其具体作用为:①由于增加了细胞膜上K⁺通道的通透性，使静息状态下细胞内K+的外向流动增加，静息电位绝对值增大，结果静息电位与阈电位之间的距离增大，心肌兴奋性下降;②由于K⁺外流增加，而抑制了Ca²⁺内流，从而使窦房结等自律细胞的“4”时相自动除极速度减慢，同时由于膜的K⁺通透增大，使最大舒张电位绝对值变大，因而舒张期自动除极达到阈电位而发生兴奋的时间延长，结果自律性下降;③复极过程中细胞内K⁺外流增加将使复极加速，结果动作电位缩短，不应期也相应缩短;④迷走神经，特别是左侧迷走神经能抑制房室交界部位的传导性，使其传导减慢，而容易发生传导阻滞。由于房室交界区属慢反应细胞，而迷走神经和乙酰胆碱可抑制慢通道，使Ca²⁺内流减慢，因而使慢反应动作电位的“0”时相上升速度变慢，从而使兴奋的传导速度降低。

(二)交感神经与儿茶酚胺的作用　支配心脏的心交感神经节前纤维起源于胸脊髓1～5节灰质侧角神经元，主要在星形神经节中与节后神经元发生突触联系，然后由节后神经元发出节后纤维分布于心脏。两侧心交感神经的分布不对称，右侧交感神经主要支配窦房结和心房肌，左侧交感神经则主要支配房室交界区和心室肌，但也有一定程度的重叠支配。交感神经节前纤维的递质是乙酰胆碱，它与节后神经元膜上的胆碱能N受体相结合，引起后者兴奋。节后纤维的递质是去甲肾上腺素，它与心肌细胞膜上的肾上腺素能使β受体结合引起心肌细胞的兴奋。由肾上腺髓质分泌的或外源性儿茶酚胺(去甲肾上腺素与肾上腺素等)也能与心肌的β受体相结合，对心肌产生刺激作用。交感神经受到刺激时，其末梢释放去甲肾上腺素，与心肌细胞膜上的β肾上腺素能受体结合，通过使通道蛋白质磷酸化的作用来改变细胞膜上离子通道的通透性和其他细胞功能，使心肌细胞出现兴奋效应，即心率加快(正性变时作用)和传导加速(正性变传导性作用)。其具体作用为:①使膜反应性增大(即膜反应曲线左移)，促进Na⁺内流，使心肌兴奋性增高。②促进复极相K+外流和Ca²⁺内流而加使复极过程，缩短动作电位时间，使有效不应期缩短。这样可以保证在交感神经作用下，心率明显增快时，心缩期也变短，而不仅仅是舒张期缩短，以保证心率在一定范围内增快时仍有足够的充盈时间而维持心输出量不致降低。③加强自律细胞舒张期超极化激活的非特异性内向电流(If)，使其自动除极速度加快，自律性增加。④加强慢反应自律细胞“0”时相除极时Ca²⁺内流，从而增加动作电位”0”时相除极速度与幅度，加快房室交界区的传导。

二、电解质

电解质的改变对心肌的电生理特性有着重要影响，它们是引起心律失常的重要原因。在电解质中以K⁺、Ca²⁺和Na⁺较为重要，下面分别介绍这几种离子对心肌电生理特性的影响规律。

(一)钾离子对心肌电生理的影响　K+是心肌细胞内的主要阳离子，是影响心肌电生理最重要的离子。细胞内外的钾浓度差是形成静息电位的基础。K⁺主要通过静息电位而影响心脏的电生理和兴奋机能。心脏内组织以心房肌对钾最敏感，希氏─浦肯野系统次之，窦房结最不敏感。心肌细胞的K⁺外流弥散决定于跨膜电—化梯度所形成的K⁺电导和K⁺通透，并受内向整流作用所形成膜阻力的调整。

1．高钾　在细胞内钾浓度未变，而细胞外液或血液中钾浓度升高(即高血钾)时，可使膜内外的钾浓度差减小，致使外向电—化梯度降低，因而膜静息电位绝对值变小。高钾使静息电位减小的作用，相当于使膜发生了部分除极化，所以也称为钾除极化作用。同时高钾所致外向电—化梯度降低，则内向整流作用及其所形成的膜阻力减小，膜的钾通透性增高。高钾对心肌细胞电生理特性的影响主要是以上两种效应作为基础的，具体表现为:

(1)对兴奋性的影响　高钾对兴奋性的影响与血钾增高的程度有关。当血钾轻度增高(5～7mmol/L)时，由于静息电位轻度减小而和阈电位的差距缩短可使引起兴奋所需的阈刺激减小，即兴奋性增高。但当血钾浓度显著升高(大于7～9mmol/L)时，由于静息电位过小，使Na⁺内流的电梯度不足，兴奋性降低。严重者可使Na⁺通道完全失活，而丧失兴奋性。因此，在血钾升高过程中，心脏的兴奋性可出现先升高尔后降低的双向性变化。但若血钾迅速升高，则膜电位很快减小，以致Na⁺通道失活，可随即引起兴奋性的降低或消失。此外，细胞外K⁺浓度的升高，可增加心肌细胞膜对K⁺的通透性，使K⁺外流加速，尤以舒张期为著，故可使复极化“3”时相加速，因而使动作电位期时间和有效不应期缩短。动作电位的这种变化反映在心电图上，即显示为T波变得狭窄而高耸和Q－T间期缩短。

(2)对自律性的影响　高钾由于使舒张期K⁺通透增大，故可加强K⁺外流而相对减弱了Na⁺内流的作用，从而使“4”时相除极化速度减慢，自律性降低。高钾对快反应自律细胞的自律性有明显的降低作用，但对慢反应自律细胞(如窦房结等)的自律性影响不大。其原因是由于该部位有丰富的交感神经支配，交感神经对心肌电生理特性的影响与高钾是相拮抗的，因而可增强对高钾的耐受性。高血钾对正常窦性起搏点的自律性几乎无影响，而对异位起搏点的自律性有显著抑制作用，可使心脏在正常起搏点控制下更有效地制止异位节律。而且高血钾抑制异位起搏点自律性作用是在降低传导性和缩短不应期等不良反应之前产生，因此，钾盐所形成的高血钾可以治疗异位起搏点自律性增高所形成的心律失常

(3)对传导性的影响　高钾由于使静息电位降低而引起Na⁺通道的部分失活，可导致动作电位“0”时相上升的幅度和速度均降低，因而使兴奋的扩布减慢，传导性降低。因此，在高血钾时心房内、房室交界区和心室内均可发生传导延缓或阻滞。房内传导减慢可导致P波增宽而幅度降低;在有窦房阻滞时，可表现为P波消失;房室交界区传导减慢则表现为P－R间期延长;室内传导障碍可表现为R波降低，QRS波群增宽等。

由于高钾一方面可使传导性降低，另一方面又有缩短不应期的作用，故易引起兴奋折返而导致心律失常，严重者甚至可引起心室颤动。血钾过高时还可因浦肯纤维和心室肌之间的外周传导阻滞而形成心室停搏。心室颤动和心室停搏是血钾过高导致死亡的主要原因。

2．低钾　在细胞内钾浓度未变，而细胞外呈低钾(低血钾)时，则由于膜内外的钾浓度差增大，而K+外向电—化梯度增高，按照Nernst公式，在膜内外钾浓度差加大时，应使静息电位增大。但实际上观察不到静息电位的明显增大，特别是当细胞外钾浓度降至3mmol/L以下时，静息电位反而随之减小。这种理论和实际相矛盾的现象，有人认为可能和低钾时心肌细胞膜对钾的通透性降低，膜的复极化不全或细胞内钾的丢失等因素有关。总之，细胞外高钾和较显著的低钾都有使静息电位降低的作用，因而，二者对心肌细胞的电生理特性的影响有一致的方面，但低钾因外向电—化梯度的增高和内向整流作用及其所形成的膜阻力增大，膜的K⁺通透性降低，故二者对心肌电生理特性的影响也有不一致的方面。

(1)对兴奋性的影响　低钾可致心肌细胞兴奋性增高，其原因为:①低钾可使静息电位轻度减小和阈电位的差距缩小，而使兴奋性增高;②低钾有降低膜对钾的通透性，使钾外流减慢，因而使复极化“3”时相特别是复极化末期部分显著延长，这样第2次兴奋便可在第1次兴奋的复极化尚未完毕，膜电位较低时发生，所以其和阈电位的差距亦较小，而使兴奋性增高。此外，低钾时，由于对Ca²⁺内流的抑制作用减小，Ca²⁺内流加速，因而动作电位的复极”2”时相缩短，但由于低钾使膜的K⁺通透性降低，K⁺外流减慢，因而使复极化“3”时相延长。综上所述，在低钾情况，复极化的前期加速而后期减慢，结果使有效不应期缩短而动作电位时间延长。反映在心电图上，为ST段缩短、压低及T波增宽和压低，并在末期出现U波，使Q－T间期延长。

(2)对自律性的影响　细胞外低钾可使舒张期K⁺通透性降低，因而使K⁺外流迅速减小，相对加快了持续性Na⁺内流的作用，而使“4”时相自动除极化的速度加快，自律性增高。一般认为，低钾对快反应自律细胞的自律性增高明显，而对慢反应自律性细胞的自律性影响较小，故低钾时易引起异位性心律失常。

(3)对传导性的影响　低钾可使膜电位减小，因而导致动作电位“0”时除极化速度和幅度减小，使兴奋的扩布减慢，传导性降低。反映在心电图上，可有轻度的P－R间期延长和QRS波群增宽等变化。

低血钾时因心脏的兴奋性增高，复极化末期的超常期延长和异位起搏点的自律性增高，因而容易发生心律失常。同时，低血钾又可使传导减慢和有效不应期缩短而容易发生折返性心律失常。

(二)钙离子对心肌电生理特性的影响　细胞外钙在心肌细胞膜上对Na⁺内流弥散有竞争性抑制作用，亦即膜屏障作用。钙离子主要影响Na⁺和Ca²⁺的内流，因此，主要影响动作电位过程，对静息电位无明显作用。钙离子对心肌电生理特性的影响则是以上述效应作为基础的。

1．高钙

(1)对兴奋性的影响　细胞外钙或血钙浓度升高，通过上述膜屏障作用抑制Na⁺内流，使除极过程不易发生而导致阈电位上移(负值减小)，从而引起兴奋所需的阈刺激增大，兴奋性降低。此外，细胞外高钙可加快Ca²⁺内流，使平台期缩短和复极过程加速，因而使有效不应期和动作电位时间均缩短。高钙使复极化加速机制尚不十分明确，一般认为可能是内流钙的增多使复极化的钾电导增强所致。高钙对动作电位的影响，反映在心电图上，表现为S－T波缩短和T波增高，Q－T间期缩短(主要由于S－T段缩短所致)。

(2)对自律性的影响　细胞外钙或血钙增高时，由于抑制了快反应自律细胞的Na⁺内流(膜屏障作用)，而使K⁺外流(ik2)相对加速，使“4”时相自动除极的速度相对降低。此外，高钙还可使阈电位水平上移。“4”时相除极化速度降低和阈电位水平上移，这两种变化均可使快反应自律细胞的自律性降低。高钙对慢反应自律细胞的自律性可有不同的影响。在细胞外钙中等程度增高时，因促进了Ca²⁺内流，使慢反应自律细胞的“4”时相自动除极化速度增加，自律性增高。

(3)对传导性的影响　细胞外高钙时，使Na⁺内流减慢(膜屏障作用)，使“0”时相除极化速度降低，再加上阈电位水平上移，而使兴奋扩布的速度减慢，故传导性减慢。反映在心电图上，表现为P－R间期延长和QRS综合波增宽。

由于高钙具有使传导性降低和不应期缩短的作用，因此极易发生兴奋折返而引起心律失常。此外，高钙还对毛地黄类引起的心律失常有加重作用。

2．低钙

(1)对兴奋性的影响　细胞外低钙时对钠内流的屏障作用减弱，使阈电位下移(负度增大)，引起兴奋所需的阈刺激减小，兴奋性增高。同时低钙还使动作电位“2”时相的钙内流减慢而时间延长，因而使动作电位和有效不应期延长。反应在心电图上表现为ST段延长、T波压低和Q－T间期延长(主要由于ST段延长所致)。

(2)对自律性的影响　细胞外低钙，由于膜屏障作用减小，使钠内流加速。在快反应自律细胞中，钠内流的加速可以相对超过钾外流的作用，而使“4”时相自动除极化加快，再加上低钙引起的阈电位下移，故低钙可使自律性增高。

(3)对传导性的影响　由于钠内流的加速，可使“0”时相除极化速度加快，再加上阈电位下移，两者均可使兴奋的扩布加快，传导性增高。心电图上表现为QRS综合波时间缩短。

低血钙时，由于传导加速和有效不应期缩短，可以阻断折返兴奋，因而有抗心律失常的作用。实验证明，钙螯合剂依地酸钠(Na₂－EDTA)所形成的低血钙也有同样的效果，因而可用以治疗毛地黄中毒等所引起的心律失常。

(三)钠离子对心肌细胞电生理的影响　钠离子是细胞外的主要阳离子，同时钠内流又是形成动作电位和产生兴奋的基础，因此从理论上讲，它对心肌电生理特性有重要影响。但实际上，心肌对钠离子的变化并不敏感，只有当细胞外钠或血钠的浓度发生非常大的变化时，才会影响心肌的电生理特性和心脏的功能。而临床上一般很少会发生这样大的变化，所以钠离子对心肌电生理特性的影响不如钾离子和钙离子重要。

1．高钠　细胞外高钠，加大了膜内外的钠浓度差，因而可使钠内流加速，而使动作电位“0”时相除极速度加快，幅度增高，故可提高心肌细胞的兴奋性、自律性和传导速度。因此，临床上在高血钾造成房室和心室内传导阻滞时，静脉注射氯化钠或乳酸钠，可以改善心脏的兴奋传导。

2．低钠　细胞外低钠时，细胞内外钠浓度差减小，钠内流减慢，动作电位“0”时相除极速度减慢，幅度减小，故可降低心肌细胞的兴奋性、自律性和传导速度。上述作用在显著低钠时出现，在一般的低钠时并无重要作用。