图4-6 心室肌细胞跨膜电位及其形成的离子机制

RMP：静息膜电位 TP ：阈电位

　　肌膜上有Ca²⁺通道，是心室肌细胞和其它心肌细胞的重要特征。大量研究表明：①从一个心肌细胞的总体而言（不是从单个通道而言），Ca²⁺通道的激活、失活，以及再复活所需时间均比Na通道要长，经 Ca²⁺通道跨膜的Ca²⁺内流，起始慢，平均持续时间也较长。因此相应称为慢通道和慢内向离子流；②慢通道也是电压门控式的，激活慢通道的阈电位水平（-50～-35mV）高于快Na通道（-70～-55mV）；③它对某些理化因素的敏感性和反应性不同于快通道，可被Mn²⁺和多种Ca²⁺阻断剂（如异博定，D-600等）所阻断，而对于可以阻断快通道的河豚毒和细胞膜的持续低极化状态（膜内电位-50Mv左右）却并不敏感。各种心肌细胞的肌膜上都具有这种慢通道，由此形成的跨膜离子流，是决定心肌细胞电活动以及心室肌等快反应细胞动作电位平台期的最重要的内向离子流之一。

　　平台期之后，膜的复极逐渐加速，因此时Ca²⁺通道已经失活，在平台期已经激活的外向K⁺流出现随时间而递增的趋势。其原因是，3期的复极K⁺流是再生性的，K+的外流促使膜内电位向负电性转化，而膜内电位越负，K+外流就越增高。这种正反馈过程，导致膜的复极越来越快，直至复极化完成。

　　在4期内，心室肌细胞膜电位基本上稳定于静息电位水平，但是，离子的跨膜转运仍然在活跃进行。因为，动作电位期间有Na⁺和Ca²⁺进入细胞内，而K⁺外流出细胞，因此，只有从细胞内排出多余的Na⁺和Ca²⁺，并摄入K⁺才能恢复细胞内外离子的正常浓度梯度，保持心肌细胞的正常兴奋性。这种离子转运是逆着浓度梯度进行的主动转运过程。像骨骼肌一样，通过肌膜上Na⁺-K⁺泵的作用，将Na⁺的外运和K+的内运互相耦联形成Na⁺-K⁺转运，同时实现Na⁺和K⁺的主动转运。关于主动转运Ca²⁺的转运机制，还没有完全弄清楚。目前大多数作者认为，Ca²⁺的逆浓度梯度的外运是与Na⁺的顺浓度的内流相耦合进行的。形成Na⁺-Ca²⁺交换。Ca²⁺的这种主动转运是由Na⁺ 的内向性浓度梯度提供能量的，由于Na⁺内向性浓度梯度的维持是依靠Na⁺-K⁺泵而实现的，因此，Ca²⁺主动转运也是由Na⁺-K⁺泵提供能量的。在4期开始后，膜的上述主动转运功能加强，细胞内外离子浓度梯度得以恢复。总的来看，这时转运过程引起的跨膜交换的电荷量基本相等，因此，膜电位不受影响而能维持稳定。

　　（二）自律细胞的跨膜电位及其形成机制

　　在没有外来刺激时，工作细胞不能产生动作电位，在外来刺激作用下，产生一次动作电位，但两次动作电位之间膜电位是稳定不变的。而在自律细胞，当动作电位3期复极未期达到最大值（称最大复极电位）之后，4期的膜电位并不稳定于这一水平，而是立即开始自动除极，除极达阈电位后引起兴奋，出现另一个动作电位。这种现象，周而复始，动作电位就不断地产生。出现于4期的这种自动除极过程，具有随时间而递增的特点，其除极速度远较0期除极缓慢；不同类型的自律细胞4期除极速度参差不一，但同类自律细胞4期除极速度比较恒定。这种4期自动除极（亦称4期缓慢除极或缓慢舒张期除极），是自律细胞产生自动节律性兴奋的基础。

　　根据细胞膜除极的跨膜电流的基本规律可分析自律细胞4期自动除极形成的机制。不难推测，自律细胞由于净外向电流使膜复极（3期）达最大复极电位后，在4期中又出现一种逐渐增强的净内向电流，从而使膜内正电位逐渐增加，膜便逐渐除极。这种进行性净内向电流的产生，有以下三种可能的原因：①内向电流的逐渐增强；②外向电流的逐渐衰退；③两者兼有。不同类型的自律细胞，4期自动除极都是由这种进行性净内向电流所引起，但构成净内向电流的离子流的方向和离子本质并不完全相同。

　　1．浦肯野细胞浦肯野细胞是一种快反应自律细胞。作为一种快反应型细胞，它的动作电位的形态与心室肌细胞相似，产生的离子基础也基本相同。

　　关于浦肯野细胞4期自动除极形成的机制，80年代研究资料表明，在浦肯野细胞，随着复极的进行，导致膜复极的外向K⁺电流逐渐衰减，而同时在膜电位4期可记录到一种随时间推移而逐渐增强的内向电流（I_f）（图4-7）。I_f通道在动作电位3期复极电位达－60mV左右开始被激活开放，其激活程度随着复极的进行、膜内负电性的增加而增加，至－100mV左右就充分激活。因此，内向电流表现出时间依从性增强，膜的除极程度因而也随时间而增加，一旦达到阈电位水平，便又产生另一次动作电位，与此同时，这种内向电流在膜除极达-50mV左右因通道失活而中止。可见，动作电位的复极期膜电位本身是引起这种内向电流启动和发展的因素，内向电流的产生和增强导致膜的进行性除极，而膜的除极一方面引起另一次动作电位，一方面又反过来中止这种内向电流。这一连串的过程是自律细胞“自我”启动、“自我”发展，又“自我”限制的，由此可以理解为什么自律细胞能够自动地、不断地产生节律性兴奋。

　　图4-7 浦肯野细胞起搏机制A；跨膜电位 B：由х闸门控制的Ik衰减以

　　及由у闸门控制的If，两者在形成起搏电位中的相对关系

　　这种4期内向电流，通常称为起搏电流，其主要离子成分为Na⁺ ，但也有K⁺参与。由于使它充分激活的膜电位为-100mV，因而认为，构成起搏内向电流的是一种被膜的超极化激活的非特异性内向（主要是是Na⁺）离子流，标志符号为I_f。I_f的通道允许Na⁺通过，但不同于快Na⁺通道，两者激活的电压水平不同；I_f可被铯（Cs）所阻断，而河豚毒却不能阻断它。目前，关于I_f及其通道的研究资料尚有若干不能充分予以解释的疑点，对I_f的进一步研究正受到心肌电生理学者们的高度关注。

　　2．窦房结细胞的跨膜电位及其形成机制 窦房结含有丰富的自律细胞，动作电位复极后出现明显的4期自动除极，但它是一种慢反应自律细胞，其跨膜电位具有许多不同于心室肌快反应细胞和浦肯野快反应自律细胞的特征：①窦房结细胞的最大复极电位（-70mV）和阈电位（-40mV）均高于（电位较正）浦肯野细胞；②0期除极结束时，膜内电位为0mV左右，不出现明显的极化倒转；③其除极幅度（70mV）小于浦肯野细胞（为120mV）,而0期除极时程（7ms左右）却又比后者（1-2ms）长得多。原因是窦房结细胞0期除极速度（约10V/s）明显慢于浦肯野细胞（200-1000V/s），因此，动作电位升支远不如后者那么陡峭；④没有明显的复极1期和平台期；⑤4期自动除极速度（约0.1V/s）却比浦肯野细胞（约0.02V/s）要快,记录曲线上窦房结细胞4期膜电位变化的斜率大于浦肯野细胞.图4-8显示心室肌快反应细胞与窦房结细胞跨膜电位变化的差别。

图4-8 心室肌（A）与窦房结（B）细胞跨膜电位的比较

　　窦房结细胞的直径很小，进行电生理研究有一定困难。直到70年代中期，才开始在窦房结小标本上采用电压钳技术对其跨膜离子流进行了定量研究，但目前尚未能充分阐明它的跨膜电位，尤其是4期起搏电流的离子基础。学者们观察到，窦房结细胞0期除极不受细胞外Na⁺浓度的影响，对河豚毒很不敏感；相反，它受细胞外Ca²⁺浓度的明显影响，并可被抑制钙通道的药物和离子（如异搏定、D-600和Mn²⁺等）所阻断。据此可以认为，引起窦房结细胞动作电位0期除极的内向电流是由Ca²⁺负载的。这种内向电流被称为第二内向电流；而引起快反应细胞（心室肌、心房肌和浦肯野细胞）0期除极的快Na⁺内流称为第一内向电流。根据已有的研究资料，可将窦房结细胞动作电位的形成过程描述如下：当膜电位由最大复极电位自动除极达阈电位水平时，激活膜上钙通道，引起Ca²⁺内向流（Ica），导致0期除极；随后，钙通道逐渐失活，Ca²⁺内流相应减少；另一方面，在复极初期，有一种K⁺通道被激活，出现K⁺外向流（I_k）。Ca²⁺内流的逐渐减少和K⁺外流的逐渐增加，膜便逐渐复极。由“慢”通道所控制、由Ca²⁺内流所引起的缓慢0期除极，是窦房结细胞动作电位的主要特征，因此，相应称为慢反应细胞和慢反应电位，以区别于前述心室肌等快反应细胞和快反应电位。

　　窦房结细胞的4期自动除极也由随时间而增长的净内向电流所引起，但其构成成分比较复杂，是几种跨膜离子流的混合。目前已知，在窦房结细胞4期可以记录到三种膜电流，包括一种外电流和两种内向电流，不过它们在窦房结细胞起搏活动中所起作用的大小以及起作用的时间有所不同。

　　（1）I_k通道的激活和逐渐增强所造成的K⁺外向流，是导致窦房结细胞复极的原因。I_k通道在膜复极达-40mV时便开始逐渐失活，K⁺外流因此渐渐减少，导致膜内正电荷逐渐增加而形成4期除极。目前认为，由于I_k通道的时间依从性逐渐失活所造成的K+外流进行性衰减，是窦房结细胞4期自动除极的最重要的离子基础（图4-9）；

图4-9 窦房结动作电位和起搏电位的离子机制

A．跨膜电位 B.越膜电位C. 胞浆Ca²⁺浓度表示动作电位升支由I_ca,

f构成，起搏电位 由I_k和I_f及I_na/_Ca构成

　　(2)I_f：I_f是一种进行性增强的内向离子（主要为Na+）流，在浦肯野细胞起搏活动中，I_f起着极重要的作用，而Ik衰减的作用很小。与此恰相反，窦房结细胞4期虽也可记录到If ，但它对起搏活动所起的作用不如Ik衰减。实验证明，用Cs2+选择性阻断If后，窦房结自发放频率仅轻度减少；对家兔窦房结细胞4期净内向电流的总幅值而言，I_k衰减与If两者所起作用的比例为6：1。

　　I_f通道的最大激活电位为-100mV左右，而正常情况下窦房结细胞的最大复极电位为-70mV，在这种电位水平下，I_f通道的激活十分缓慢，这可能是I_f在窦房结4期除极过程中所起作用不大的原因。若窦房结细胞发生超级化时，I_f则可能成为起搏电流中的主要成分。

　　（3）此外，窦房结细胞4期中还存在一种非特异性的缓慢内向电流，在膜除极达-60mV时被激活，可见，它在自动除极过程的后1/3期间才起作用。这种缓慢内向电流可能是生电性Na⁺-Ca²⁺交换的结果（Na⁺-Ca²⁺交换时，心肌细胞排出一个Ca²⁺，摄入3个Na⁺，出/入细胞正电荷之比为2：3，形成内向电流）。

　　心肌细胞的类型 除了按照功能和电生理特性将心肌细胞分为工作细胞和自律细胞之外，还可以根据其生物活动的特征，特别是动作电位0期除极的速度，将心肌细胞分为快反应细胞和慢反应细胞，其动作电位相应称为快反应电位和慢反应电位；然后再结合其自律性，可将心肌细胞分为以下四种类型：