第三节　心肌的生理特征

心肌组织具有兴奋性、自律性、传导性和收缩性4种生理特征。心肌组织的这些生理特征共同决定着心脏的活动。

一、心肌的兴奋性

所有心肌细胞都具有兴奋性，即具有在受到刺激时产生兴奋的能力。衡量心肌的兴奋性，同样可以采用刺激的阈值作为指标，阈值大表示兴奋性低，阈值小表示兴奋性高。

兴奋的产生包括静息电位去极化到阈电位水平以及Na⁺通道（以快反应型细胞为例）的激活两个环节，当这两方面的因素发生变化时，兴奋性将随之发生改变。因此影响兴奋性的因素有：

静息电位绝对值增大，距阈电位的差距就加大，引起兴奋所需的刺激阈值增高，表示兴奋性降低。例如一定程度的血钾降低时，细胞内电位负值增大，心肌兴奋性下降。反之，静息电位绝对值减少时，兴奋性增高。

阈电位上移，和静息电位之间的差距增大，引起兴奋所需的刺激阈值增大，兴奋性降低；反之亦然。一般情况下，阈电位很少变化。当血钙升高时，心室肌细胞阈电位可上移，导致兴奋性下降。

钠通道有备用、激活和失活3种状态。这3种状态的变化取决于膜电位和通道状态变化的时间过程。当膜电位处于正常静息水平时，钠通道虽然关闭，但处于可被激活的备用状态。在外来刺激或传导而来的局部电流影响下，造成膜两侧电位改变并发生除极时，钠通道被激活开放，引起Na⁺快速内流和膜的进一步除极，紧接着钠通道很快失活关闭，使Na⁺内流终止。此时钠通道不能立即被再次激活开放，只有恢复到备用状态后才能再次被激活。钠通道的激活、失活和复活到备用状态都是电压依赖性，又是时间依赖性的，即这些状态的变化过程均需要一定的时间，特别是复活过程所需的时间较长。细胞膜上大部分钠通道是否处于备用状态，是该心肌细胞是否具有兴奋性的前提。

心肌细胞每产生一次兴奋，其膜电位将发生一系列有规律的变化，兴奋性也随之发生相应的周期性改变。心室肌细胞一次兴奋过程中，其兴奋性的变化可分以下几个时期：

从0期去极化开始到3期复极化达-55mV这段时间内，无论给予多大的刺激，心肌细胞均不产生反应，称为绝对不应期（absolute refractory period）。这是由于I_Na通道处在失活状态之故。从-55mV复极到-60mV这段时间内，给予强的阈上刺激可以引起心肌细胞产生局部兴奋，但不能爆发动作电位。这是由于这时只有少量的I_Na通道复活，其开放不足以引起动作电位。因此，从0期去极化开始到复极化达-60mV膜电位水平的这段时间内，心肌细胞不能产生可以传播的动作电位，故总称为有效不应期（effective refractory period）。

从复极化到-80～-60mV的这段时间内，给予阈刺激仍不能使心肌细胞产生动作电位，但若给予比阈刺激强的刺激则可使心肌细胞产生动作电位，因此把这段时间称为相对不应期（relative refractory period）。在相对不应期内I_Na通道处在逐步恢复到正常备用状态的过程中；与此同时，I_K通道也处在逐步恢复过程中，并未完全去激活，K⁺流仍很大，所以这时产生的动作电位去极化的幅值小而复极化速度快，动作电位时程短。

在膜电位由-80mV恢复到-90mV这一段时期内，由于膜电位和阈电位之间的差距很小，所以用低于正常阈值的刺激，就可以引起动作电位爆发，表明心肌的兴奋性高于正常，故称为超常期（supernormal period）。

与骨骼肌相比，心室肌的动作电位时程和不应期特别长，有效不应期一直持续到心肌活动的舒张早期。这种兴奋性周期变化的特点也反映在心肌的收缩活动特征上。

由于心肌的有效不应期特别长（数百毫秒），相当于整个收缩期加舒张早期。在此期内，任何刺激都不能使心肌发生兴奋和收缩。因此心肌不会发生强直收缩，这保证了在生理条件下心脏节律性地收缩、舒张活动交替进行，有利于心室的充盈和射血，实现其泵血功能。

正常的心脏是按窦房结发出的兴奋进行节律性收缩活动的。如果在心室的有效不应期之后，心肌受到人为的刺激或起自窦房结以外的病理性刺激时，心室可产生一次正常节律以外的收缩，称为期前收缩或期外收缩。期前收缩也有自己的有效不应期，当紧接在期前收缩之后的一次窦房结兴奋传到心室时，常正好落在期前收缩的有效不应期内，因而不能引起心室兴奋和收缩。必须等到下次窦房结的兴奋传来，才能发生收缩。所以在一次期前收缩之后，往往有一段较长的心脏舒张期，称为代偿间歇。

二、心肌的自动节律性

在生理条件下，心脏特殊传导系统的心肌细胞在没有外来刺激的条件下能自动地发生节律性兴奋，这种特性称为自动节律性，简称自律性。

心脏特殊传导系统各部分的心肌都具有自律性，但自律性的高低不同。窦房结为90～100次/分，房室结为40～60次/分，Purkinje纤维为15～40次/分。可见窦房结的自律性最高，称为正常心脏活动的起搏点（pacemaker）。其他部位的自律性受窦房结控制，在正常情况下不表现其自身的节律性，只起着兴奋传导的作用，所以是潜在的起搏点。以窦房结为起搏点的心脏节律性活动，临床上称为窦性心律，以窦房结以外部位为起搏点的心脏活动，则称为异位心律。窦房结通过下述两种方式对潜在起搏点进行控制，以保证其主导心脏节律的作用。

是指窦房结P细胞的自律性高于其他潜在起搏点的自律性，当潜在起搏点4期舒张去极化尚未达到其本身的阈电位时，已经被由窦房结传来的窦性节律冲动所激动而产生动作电位，因此其本身的自律性不能表现出来。

当窦房结对心室潜在起搏点的控制突然中断后，首先会出现一段时间的心脏停搏，然后心室按其自身潜在起搏点的节律发生兴奋和搏动。其原因是：在自律性较高的窦房结的节律性兴奋驱动下，潜在起搏点的“被动”兴奋频率远超过它们自身的自动兴奋的频率（抢先占领机制）。但潜在起搏点长时间超速驱动的结果是其本身自律活动被压抑；一旦窦房结的驱动作用中断，心室潜在起搏点需要经过一定时间才能从被压抑的状态恢复过来，表现出自身的节律性。这种自律性由于超速驱动而受到压抑的现象称为超速驱动压抑。超速驱动压抑的程度与两个起搏点的自律性的差别呈平行关系，频率差别愈大，压抑效应愈强，超速驱动作用中断后，停搏的时间也愈长。研究表明，对心室的超速驱动压抑和钠-钾泵的过度活动有关。在超速驱动时，心室自律细胞膜上的钠-钾泵也以超过正常的速率运转，泵出过多进入细胞的Na⁺及泵入过量流出的K⁺，以保持细胞内离子浓度的稳定。当超速驱动突然停止时，钠-钾泵活动仍然处于增强状态，和已经减少的Na⁺内流入量不相匹配，这种过热的钠-钾泵外向电流既造成了细胞膜的超极化，又能对抗自律细胞舒张去极化时的内向电流，使膜电位的去极化不易达到阈电位水平，因而出现一段时间的自律性压抑。以后，随着钠-钾泵活动恢复正常，潜在起搏点的自律性才得以表现出来。

自律细胞的起搏活动是自发地从最大舒张电位去极化达到阈电位而引起一个新的动作电位，因此自律性的高低取决于舒张去极化的速率以及最大舒张电位和阈电位之间的差距。

舒张去极化速率即4期去极化的速度，速度越快，达到阈电位所需要的时间越短，单位时间内爆发兴奋的次数增加，于是自律性越高。交感神经兴奋可使自律细胞舒张去极化速率加快，自律性升高；迷走神经兴奋可使窦房结P细胞的舒张去极化速率减慢，自律性降低。

在舒张去极化速率不变的条件下如果最大舒张电位和阈电位之间的距离缩小，则从最大舒张电位去极化到阈电位水平所需的时间越短，心肌细胞的自律性就越高；反之则自律性降低。心肌细胞的阈电位一般很少发生变化，但迷走神经递质乙酰胆碱可使窦房结P细胞最大舒张电位增大（超极化），故自律性降低。

三、心肌的传导性

心肌具有传导兴奋的能力，称为传导性。兴奋的传导主要依靠局部电流（电紧张电流）刺激相邻的细胞，使后者也发生兴奋。心肌细胞间兴奋的传导主要通过位于闰盘上的缝隙连接进行，因为该处电阻低，局部电流易于通过。心肌传导性的高低用兴奋的传导速度来衡量。兴奋在心脏内的传导过程和特点有：

正常心脏的节律性兴奋由窦房结产生，经心房肌及功能上的优势传导通路传播到左、右心房。心房内兴奋的传播除了由心房肌本身直接传播外，还有Purkinje样细胞的“优势传导通路”将兴奋快速地由右心房传播到左心房，使两侧心房几乎同时发生收缩，形成一个功能合胞体。与此同时，窦房结的兴奋也可通过结间束传到房室交界，然后由房室束（希氏束）传到左、右束支，最后经Purkinje纤维到达心肌。

心脏各部分心肌的形态结构和电生理学特性不同，细胞间的缝隙连接分布密度和类型也不同，故兴奋在心脏各部分的传导速度不同。窦房结内的传导速度低于0.05m/s，心房肌的传导速度约为0.4m/s，“优势传导通路”为1.0～1.2m/s，房室交界区的传导性很低，其中结区更低，仅为0.02m/s，兴奋通过房室交界区耗时约为0.1秒，因此心房和心室的兴奋相距0.1秒，称为房室延搁。房室延搁的存在保证了心室的收缩发生在心房收缩完毕之后，故有利于心室的充盈和射血。兴奋传播进入房室束、束支和Purkinje纤维网后，传导速度骤然加快，达到2～4m/s，兴奋可迅速传播到左、右心室。Purkinje纤维深入到心室壁的内层，兴奋心内膜下的心室肌细胞，然后由心室肌细胞以0.4～0.5m/s的传导速度使心室壁由内而外发生兴奋。室内传导系统的高速传导，对于保持心室肌的同步收缩是十分重要的。

心肌细胞的兴奋传导速度与细胞直径有关。直径大，横截面积较大，则对电流的阻力较小，局部电流传播的距离较远，兴奋传导较快，反之亦然。例如Purkinje纤维的直径可达70μm，传导速度为4m/s，而房室交界细胞直径只有3～4μm，传导速度为0.05m/s。另外，细胞间缝隙连接的数量也是重要因素。在窦房结或房室交界区，细胞间缝隙连接数量少，传导速度慢。

①动作电位0期去极化的速度和幅值：动作电位去极化的速度和幅值越大，其形成的局部电流也越大，达到阈电位的速度也越快，使传导速度加快；②邻近未兴奋部位心肌的兴奋性：邻近未兴奋部位心肌的兴奋性取决于心肌细胞静息电位和阈电位之间的差距。邻近部位兴奋性高，即心肌细胞静息电位和阈电位之间的差距缩小，传导速度就快。若邻近心肌的快钠通道处在失活状态，则不能引起兴奋，导致传导中止或完全性传导阻滞。若邻近心肌细胞的快钠通道处在部分失活状态（如处于相对不应期或超常期内），则兴奋时产生的动作电位去极化速率慢，幅值小，传导速度减慢（不完全传导阻滞），严重时可形成兴奋的折返，诱发心律失常。

四、心肌细胞的收缩性

工作心肌细胞兴奋时发生收缩，肌细胞缩短并产生张力。这种兴奋后能产生收缩的特性称为肌细胞的收缩性。

1.心肌细胞在兴奋产生动作电位的过程中，细胞外的Ca²⁺经细胞膜T管上的I_Ca-L通道内流，这是兴奋-收缩耦联的开始。

2.内流的钙触发肌质网释放钙和钙瞬变 在心肌细胞内，T管膜上的I_Ca-L通道内口和连接肌质网上的钙释放通道受体十分靠近，经I_Ca-L通道内流的Ca²⁺可以触发钙释放通道受体释放肌质网内贮存的Ca²⁺，称为钙触发钙释放，使胞质内的游离Ca²⁺由10^-7 mol/L升高到10^-5 mol/L，进而引起心肌细胞收缩。在兴奋-收缩耦联过程中，细胞内Ca²⁺的升高持续时间很短，胞质内的游离Ca²⁺浓度很快就降至正常，因此将Ca²⁺浓度的这种变化称为钙瞬变。

3.钙瞬变引起心肌细胞收缩 心肌细胞的收缩由钙瞬变引起，钙瞬变的幅值越大，心肌细胞的收缩强度也越大。胞质内Ca²⁺浓度升高，Ca²⁺和肌钙蛋白C（troponin C，TnC）结合，TnC和TnI的结合加强，TnI和肌动蛋白的结合减弱，原肌球蛋白位移，使横桥能和肌动蛋白结合。横桥头部摆动，拖动肌动蛋白向肌节中线滑动。在肌肉收缩过程中，横桥头部一个又一个地和肌动蛋白的活化点结合和解离，引起肌节和肌肉的缩短。

电解质、自主神经递质和其他生物活性物质能影响心肌的收缩性。

高血钾时I_K1通道对K⁺的通透性增加，复极化过程加快，动作电位平台期和总时程都缩短。动作电位时程中Ca²⁺的内流量减少，故心肌收缩力减弱。细胞外高钙时，心肌兴奋过程中内流的Ca²⁺量增加，导致细胞内高钙，故心肌的收缩力增强。

血液循环中的去甲肾上腺素和肾上腺素作用于心脏的肾上腺素能β受体，对心肌产生正变力作用，表现为心肌的收缩作用增强，收缩力增加，收缩速度加快，同时舒张速度也加快。这是由于β受体被激动时不仅增加心肌收缩时的Ca²⁺浓度，增加横桥和肌动蛋白结合的亲和力，同时还加快舒张时细胞内Ca²⁺浓度降低的速率。乙酰胆碱作用于心肌细胞的胆碱能M受体，对支配的心肌产生负性变力，降低心肌的收缩性，收缩力减弱。这是由于M₂受体被激动后经G蛋白介导，可减少cAMP的生成而增加cGMP的生成，同时还激活一氧化氮合酶，增加NO的生成。NO也通过增加cGMP，产生负性变力作用。

影响收缩性的生物活性物质很多，也包括循环血液中的神经递质以及心肌细胞本身和血管内皮细胞产生的生物活性物质，如NO、心房钠尿肽、内皮素、血管紧张素Ⅱ等。

心肌的收缩和舒张取决于胞质内游离Ca²⁺的浓度，而且心肌肌质网释放Ca²⁺完全依赖于细胞外Ca²⁺的流入，Ca²⁺的流入越多，心肌收缩越强，没有Ca²⁺的流入，心肌收缩即停止。

心房和心室都是一个功能合胞体，阈下刺激不能引起兴奋，当刺激强度达到阈值后，一个细胞的兴奋可以迅速传播到整个心房或心室，引起整个心房或心室的收缩，称为“全或无”收缩。

心肌兴奋后的有效不应期特别长，相当于心肌的整个收缩期和舒张早期，因此心肌不可能在收缩期内再接受刺激而产生一次新的兴奋和收缩，也就是说，心肌不会发生完全性强直收缩。心肌的这一特点保证了心脏进行交替的收缩和舒张活动，使心脏能有效地充盈和射血。

（于丹玉）