心肌细胞为什么细胞内为负电荷外面为正电荷

心肌细胞为什么细胞内为负电荷外面为正电荷
心肌细胞为什么细胞内为负电荷外面为正电荷

心肌细胞为什么细胞内为负电荷外面为正电荷
人体细胞生活在一个液体环境中,称为内环境,内环境中存在有大量的离子成分,一般情况下,K离子主要分布在细胞内,而Na离子主要分布在细胞外.而心肌的细胞膜在静息状态下,可以让一部分K离子外流出来,这样就导致细胞外的正电荷分布相对较多,表现出外正内负的静息电位了.

任何细胞静息状态都是内负外正
受到兴奋时，钠离子内流，变成内正外负

心肌细胞膜内外存在着电位差，称为跨膜电位(transmembrane potential)。工作心肌在安静状态时细胞膜外为正，膜内为负，处于极化状态，膜内外的电位差值称为静息电位。特殊传导系统的心肌细胞，因为有自律活动（自动去极），不会有静息状态，只能用其最大极化状态时的膜电位值来代表，称为最大舒张电位。当心肌细胞兴奋时，产生一个可以扩播的电位变化，称为动作电位。动作电位包括去极化和复极化两个过程...

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心肌细胞膜内外存在着电位差，称为跨膜电位(transmembrane potential)。工作心肌在安静状态时细胞膜外为正，膜内为负，处于极化状态，膜内外的电位差值称为静息电位。特殊传导系统的心肌细胞，因为有自律活动（自动去极），不会有静息状态，只能用其最大极化状态时的膜电位值来代表，称为最大舒张电位。当心肌细胞兴奋时，产生一个可以扩播的电位变化，称为动作电位。动作电位包括去极化和复极化两个过程。心脏各部分心肌细胞的动作电位形态各异，图4-1是一个概略的示意图。
心肌细胞的跨膜电位是由于离子流跨越细胞膜流动而形成的。在电生理学中，正离子由细胞膜外向膜内流动或负离子由膜内向膜外流动，称为内向电流(inward current)，它增加细胞内的正电荷，促使膜电位去极；反之，正离子由膜内向膜外流动或负离子由膜外向膜内流动，称为外向电流(outward current)，它增加细胞内的负电荷，促使膜电位复极或超级化(hyperpolarization)。
跨膜离子流(transmembrane ionic current)大多经由位于细胞膜上的通道蛋白所形成的孔(pore)跨越细胞膜流动，是一种易化扩散。推动其流动的动力是细胞膜两侧的离子浓度差，但能否跨膜流动则取决于离子通道的孔是否开放。离子通道是否开放，有的取决于膜两侧的电位差，称为电压门控通道(voltage operated channel)；有的取决于细胞内、外的化学成分变化，称为配体门控通道(agonist operated channel)。离子流跨越细胞膜流动的第二种形式是离子泵(ionic pump)的主动转运，它逆着膜两侧的离子浓度差将离子由膜的低浓度侧转运到高浓度侧，这需要能量，消耗供能物质ATP，例如钠-钾泵、钙泵等。第三种跨膜离子转运方式是离子交换，例如细胞内外的钠-钙交换(Na＋-Ca2＋ exchange)，它的动力既来自膜内外的离子浓度差，也取决于膜内外的电位差。
（一）静息电位
人和哺乳类动物的心室肌细胞静息电位约为－80～－90mV，其形成原理和骨骼肌、神经纤维的静息电位相似，主要是钾的电-化学平衡电位。
工作心肌在静息状态下，细胞膜上的内向整流钾通道(inward rectifier K channel，IK1通道)处在开放状态，细胞内K＋循此外流，形成IK1，而细胞内带负电荷的大分子物质不能伴随外流，形成电-化学平衡，其电位数值可用Nernst公式计算得到的钾平衡电位(EK)来估算。
心肌细胞膜内外的几种主要离子浓度及其平衡电位见表4-1。
表4-1 心肌细胞主要离子浓度及其平衡电位
离子 浓度(mmol/L) 内/外浓度比值 平衡电位(mV)
细胞内液 细胞外液
Na＋ 10 145 1:4.6 ＋70
K＋ 140 4 35:1 －94
Ca2＋ 10-4 2 1:20 000 ＋132
Cl－ 9 104 1:3.5 －65
心室肌细胞静息电位的实际测定数值总是低于钾平衡电位，这是由于在静息状态下，细胞膜外Na＋顺膜内外浓度差少量漏入细胞内（钠背景电流，Na＋ background current），部分地抵消了细胞内负电荷之故。
心房肌细胞膜上存在乙酰胆碱依赖性钾通道（IK-ACh通道）。它有自发性开放并受迷走神经末梢释放的递质乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)激活开放，所以心房肌细胞的静息电位易于变动。
总的看来，工作心肌细胞的静息电位基本上是一个钾平衡电位，但受许多因素的影响（包括钠-钾泵、钠-钙交换）而偏离理论值。
特殊传导系统心肌细胞的最大舒张电位在不同的细胞中数值相差很大。浦肯野细胞约为－90mV左右，其产生原理和工作心肌细胞静息电位相似。窦房结细胞最大舒张电位仅为－60mV左右。这是由于其细胞膜上的IK1通道极为稀少，对K＋的通透性(PK)较低，相对地，对Na＋的通透性(PNa)显得较高，钠背景电流使细胞内电位的负值较小。
（二）动作电位
心脏各部分心肌细胞的动作电位形态各异，幅值和时程不一，它是各部分心肌生理特性不同的电生理基础，保证了心脏的正常起搏、传导以及心房心室协调有序的兴奋、收缩，完成泵血功能。这也是心电图(electrocardiogram，ECG)波形产生的基础。
心肌细胞动作电位的形态不同，说明形成它们的离子流(ionic current)基础不同。按照心肌细胞动作电位的电生理特性，特别是其去极化速率的不同，可以大致分为两类。一类是快反应动作电位(fast response action potential)，另一类是慢反应动作电位(slow response action potential)。具有快反应动作电位的心肌细胞有工作心肌和浦肯野细胞（包括房室束、束支），窦房结和房室交界区中的结区细胞动作电位属于慢反应动作电位。以下分别以心室肌细胞和窦房结细胞为例，对比它们的动作电位特征和离子流基础。
1．心室肌细胞动作电位
心室肌细胞的动作电位特征是去极化（0期）迅速，复极化过程缓慢，分为1、2、3期。复极完毕后电位处在静息电位水平（4期）（图4-2）。
（1）去极化过程（0期）：心室肌细胞受刺激而发生兴奋，膜内电位由－90mV迅速去极化到＋30mV，形成动作电位的升支。0期时间短，约1ms。去极化速度很快，最大去极化速度(Vmax)达到200～300V/s。
0期去极化的发生原理主要是细胞外Na＋的内流。细胞受刺激而兴奋时，先有少量钠通道(sodium channel)开放，Na＋循膜内外浓度差内流，造成膜电位去极化。当去极化达到钠通道的阈电位(threshold potential)水平时（约－70mV），钠通道快速激活(activation)开放，开放的通道数目和开放时间激增，Na＋迅速涌入细胞，称为快钠流(INa)，造成去极化。去极化是一个再生性过程，去极化引起Na＋内流，Na＋内流又进一步加速去极化，不断循环再生。与此同时，去极化也启动了钠通道的失活过程(inactivation)，失活过程使钠通道开放后迅速关闭，到0期去极化到达顶峰时，钠通道已接近完全关闭。由于钠通道激活快，失活也快，故称为快钠通道。快钠通道可以被河豚毒(TTX)选择性阻断。
（2）复极化过程：快反应动作电位的复极过程缓慢复杂，可以分为1、2、3三个期。在不同动物（包括人）和同一种动物不同部位的心室肌，复极过程存在着差异。
1）1期（快速复极初期）：在本期中，膜电位迅速复极。在人和狗的心外膜下心室肌和室壁中层的细胞（M细胞），膜电位由＋30mV快速复极到0mV电位水平。0期的快速去极和1期的快速复极构成一个尖锋状图形，称为锋(spike)。心内膜下心室肌1期复极程度较小，不构成锋图形（图4-3）。
1期复极由短暂的瞬时性外向电流(transient outward current，Ito)所引起，其主要成份是K＋。Ito通道在膜电位除极到－30～－40mV时激活开放，但迅即失活关闭，故名。Ito通道可以被钾通道阻滞剂4-氨基吡啶(4-AP)选择性阻断。
2）2期（平台期）：本期复极缓慢，膜电位停滞在0mV水平，形成平台(plateau)，持续约100～150ms，是心室肌动作电位时程长的主要原因。在心内膜下心室肌，由于1期复极不显著，所以2期呈平台形；而心室壁中层M细胞和心外膜下心室肌，由于1期复极显著，所以2期成为一个向上隆起的圆顶状。这些动作电位的形态特征有它们的离子流基础。
平台期的形成涉及多种离子流，主要由于Ca2＋（和少量Na＋）的内流和K＋的外流处于相对平衡状态而形成。在平台期初期，由于钙流激活内流比较显著，在心外膜下心室肌和室壁中层M细胞形成一个向上的圆顶；在平台期的过程中，钙内流逐步减弱，而钾外流逐步增强，形成一个微弱的净外向电流，膜电位缓慢地复极而形成平台期的晚期。
在平台期Ca2＋的内流通过L型钙通道(L type calcium channel，ICa-L通道)，它在膜电位除极到－40mV水平时激活开放，但它的激活、失活和复活都很慢，故称L型(long lasting)。ICa-L通道虽然在动作电位0期激活，但其内流量要到2期才达最大值，随即失活，内流量逐步减少到停止，导致2期结束，3期开始。
在平台期K＋的外流主要通过延迟整流钾通道(delayed rectifier K channel，IK通道)。IK通道在膜电位除极到－40mV时激活开放，但通道的开放速率缓慢，在2期中K＋外流量逐步增加。Ca2＋内流量的逐步减少和K＋外流量的逐步增加，使2期形成一个缓慢的复极过程。当Ca2＋内流停止而K＋外流显著增加时，动作电位由2期（缓慢复极期）转入3期（快速复极末期）。
在2期中，另一个需要提到的钾通道是内向整流钾通道（IK1通道）。IK1通道具有内向整流特性，在0期除极中迅速关闭，K＋不能按照电位差循IK1通道外流，在平台期IK1电流几乎为零，使膜电位不能迅速复极化。
3）3期（快速复极末期）：此期内复极过程加速，膜电位由0mV水平快速恢复到静息电位－90mV，完成复极化过程，占时100～150ms。
3期复极加速主要是L型钙通道失活关闭，Ca2＋内流停止，而K＋外流又进行性增加所致。在3期之初，主要是IK外流，而当膜电位复极到－60mV左右，IK1通道又被激活，K＋也可以循IK1通道外流，加速并最终完成复极化过程。在3期中，K＋的外流造成复极，而复极化又加速K＋的外流，所以也是一个再生性过程（图4-4）。
（3）恢复期（4期）：在3期之末，膜电位虽然恢复到静息电位水平，但在动作电位期间流入细胞的Na＋、Ca2＋和流出细胞的K＋所造成的细胞内外离子分布变化尚未恢复。在4期之初，细胞膜上的钠-钾泵(Na＋-K＋ pump)和钠-钙交换加强运转，排出Na＋、Ca2＋和摄回K＋。此外，位于细胞膜上的钙泵(calcium pump)也加强运转，将进入细胞内的Ca2＋泵出细胞。
心肌细胞膜上的钠-钾泵和钠-钙交换都参与静息电位的形成，两者都具有生电性(electrogenic action)。钠-钾泵将细胞内Na＋泵出细胞，将细胞外K＋泵入细胞。它是Na＋-K＋-ATP酶，每分解一分子ATP，泵出3个Na＋，泵入2个K＋，净泵出一个正电荷，产生泵电流(pump current，I pump)，使细胞内电位变负。由泵电流产生的电位差不超过10mV。钠-钙交换的方向取决于细胞内、外的Na＋、Ca2＋浓度和膜电位水平。在交换过程中，是3个Na＋和1个Ca2＋跨越细胞膜交换，所以也是生电性的。在心肌细胞兴奋过程中，进入细胞的Ca2＋可以通过钠-钙交换排出细胞。因此在动作电位复极刚完毕时，1个Ca2＋的排出细胞交换3个Na＋进入细胞，使细胞内多一个正电荷，是一个内向的钠-钙交换流(INa/Ca)，也影响静息电位数值。
心房肌细胞的快反应动作电位形成原理和心室肌大致相似，但钾流种类更多，复极较快，故动作电位时程(APD)较短，仅150～200ms左右。心室浦肯野细胞的动作电位也是快反应动作电位，其特点是0期去极化较快，最大速率可达400～800V/s，所以传导速度快，复极过程也呈锋型和圆顶图型，动作电位时程持续时间最长，可达400～500ms。心室肌中动作电位时程的长短依次为：浦肯野细胞、室壁中层M细胞、心内膜下心室肌细胞、心外膜下心室肌细胞；另一方面，浦肯野细胞作为自律性细胞，不存在静息电位，在动作电位3期复极完毕后，细胞膜内电位达到最大负值，称为最大舒张电位或最大复极电位。
2．窦房结细胞动作电位
窦房结是心脏自律性最高的心肌组织，具有起搏功能，是原始的心肌细胞，其细胞内肌原纤维很少而显苍白(pale)，故名P细胞。
P细胞的细胞膜上IK1通道几乎缺如，而钠背景电流相对较大，因而最大舒张电位较正，约为－60mV。另一方面P细胞膜上的快钠通道也不发达，并且由于最大舒张电位较正而处于失活关闭状态。当P细胞兴奋产生动作电位时，依赖ICa-L的内流而产生去极化（阈电位约为－40mV）。由于ICa-L幅值远小于INa，流入速率又慢，因此P细胞去极化仅到0mV电位水平，很少超射，最大去极化速率慢，一般不超过10V/s。由于L型钙通道是慢通道，由它引起的动作电位称为慢反应动作电位。
ICa-L内流造成P细胞去极化时，激活了细胞膜上的IK通道。在ICa-L通道逐渐失活关闭的同时，K＋循IK通道缓慢外流而引起复极。在3期复极化过程中，随着膜内电位变负，IK通道逐步去激活而K＋外流逐步减小或衰减。这种衰减过程一直持续到4期。在4期中这种外向K＋流逐渐减小是P细胞自动去极化的最重要的离子流基础

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