心脏的兴奋收缩耦联与心电图.pdf

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临床心电学杂志2007年10月第16卷第5期心脏的基本功能和基本的活动形式有两种:

电活动和机械活动。

在每一个心动周期中都是电活动在前,机械活动在后,两者相差4060ms,形成了兴奋与收缩的耦联。

人们常把心脏比喻为循环系统中的一个动力泵,更确切地说心脏是一个电驱动的机械泵。

兴奋与收缩或曰电和机械活动之间形成的耦联是心脏生理学和心脏病学中的一个基本概念,其对深刻理解心脏的生理功能和病理学改变有着重要意义,对心电图及各种心电现象与临床关系的认识与理解也有重要作用。

一.兴奋与收缩耦联的基本概念正常心肌电激动和机械收缩的耦联间期约50ms,即心肌电激动和动作电位开始约50ms后开始机械性收缩,并在动作电位复极到一半时出现收缩的峰值,而复极完毕时开始舒张。

这种心脏的电激动经过转导引起心肌收缩、心肌收缩频率及强度变化的现象称为兴奋与收缩耦联。

兴奋与收缩的耦联现象是在上世纪60年代,通过膜片钳技术最终在细胞水平被证实。

在哺乳动物的单个心肌细胞去极化后,可以看到该细胞两种类型的收缩反应:

位相性收缩:

最先出现,快捷而持续时间短;张力性收缩:

位相性收缩之后,持续到动作电位复极后完成。

不论哪种收缩,两者与心肌细胞兴奋之间的耦联因子都是Ca2+（图1）。

业已明确,兴奋与收缩之间的相互作用呈双向性,两者间的反向作用称为机械电反馈,该作用依赖牵张激活的离子通道。

这一反向作用表现为心肌细胞及心肌组织机械收缩的张力、长度与方位的变化能够影响心肌细胞和组织的电位与兴奋,影响心脏的电功能。

总之,心脏的电和机械功能完全被整合为一体,深入探讨与研究两者的相互作用可能为顽固性心脏疾病,尤其是致命性心律失常的治疗和预防提供新线索。

二.兴奋与收缩耦联的发生过程兴奋与收缩的耦联间期约4060ms,两者耦联的因子为Ca2+,而耦联的过程并非十分复杂。

（一）Ca2+跨心肌细胞膜的转运Ca2+是心肌兴奋与收缩的耦联因子,Ca2+跨心肌细胞膜的转运,钙稳态与钙瞬变等概念十分重要。

1.心肌细胞的钙稳态钙的稳态表现在3个方面:

舒张期钙稳态:

此时心肌细胞内Ca2+浓度为10-7mol/L,细胞外Ca2+浓度为10-3mol/L,细胞外Ca2+浓度是细胞内浓度的1万倍,这使Ca2+可顺浓度阶差跨细胞膜转运到细胞内,尤其当细胞膜对Ca2+的通透性升高时;收缩期钙稳态:

心肌收缩时,细胞内游离Ca2+浓度骤然升高100心脏的兴奋收缩耦联与心电图郭继鸿【关键词】兴奋收缩耦联;钙瞬变;肌浆网中图分类号R329.2+5R540.4+1文献标识码A文章编号1005-0272（2007）05-325-08作者单位:

北京大学人民医院（100044）图1心脏的兴奋收缩耦联示意图图中显示电和机械活动之间的相互作用呈双向性325JClinElectrocardiol,2007,Oct.16.No5图2Ca2+跨心肌细胞膜各种转运方式的示意图电压依赖性Ca2+通道:

包括L型和T型两种,都参与心脏自动节律性的产生（图3）。

其中L型Ca2+通道激活开放的阈电位-40mV,开放后失活很慢,可被二氢吡啶类药物阻断,故又称为二氢吡啶受体,参与心肌兴奋收缩的耦联过程。

其与肌浆网Ryanodine受体（RYR2）的关系密切,可触发后者快速释放Ca2+而引起心肌收缩。

受体操纵性Ca2+通道的作用与机制尚不清楚。

（2）Na+-Ca2+交换体:

Na+与Ca2+跨心肌细胞膜的耦联交换呈双向性,交换时都是3个Na+交换1个Ca2+。

收缩期Ca2+内流,因此3个Na+从细胞内向外排出的同时耦联1个Ca2+内流;而舒张期Ca2+外流,此时3个Na+从细胞外内流的同时耦联1个Ca2+外流。

兴奋收缩耦联过程中的舒张期,Ca2+的浓度必需在极短的时间内迅速下降才能引起舒张,其中80%的Ca2+经肌浆网重摄取,另外20%的游离Ca2+则经Na+-Ca2+交换体排到细胞外,因此,Na+-Ca2+交换体对心肌舒张功能的作用十分重要。

（3）Ca2+泵:

Ca2+泵又称Ca2+-ATP酶,其功能是将胞浆的Ca2+转运到心肌细胞外,这是一种耗能的逆浓度差转运,钙泵将心肌细胞内的Ca2+向细胞外的转运对心肌收缩张力的调控也很重要。

转运中分解和消耗1分子的ATP可泵出1分子的Ca2+到细胞外,同时交换H+进入细胞内（图2）。

（二）Ca2+跨肌浆网的转运肌浆网（sarohleasnicreticulumSR）是分布于整个心肌细胞内纤细的网状结构,其肌膜结构类似细胞膜的双层脂质结构,对Ca2+有摄取、释放、贮存三大功能,起到调节细胞内游离Ca2+浓度的关键性作用,也是心肌细胞收缩与舒张的最重要决定因素。

肌浆网释放和摄取Ca2+主要通过RYR（Ryan-odinereceptor）受体和IP3受体两个家族调控。

其特点:

受细胞内游离Ca2+浓度的调节而发生肌浆网膜通道的开放与关闭（释放与摄取Ca2+）;通道呈快速爆发性开放和关闭,通道爆发性开放仅持续1到数毫秒,表现出最大速度的Ca2+释放,迅速的释放可使胞浆中游离的Ca2+浓度骤然上升100倍而引起心肌收缩。

心肌收缩后,肌浆网对Ca2+发生爆发式的再摄取,细胞浆中游离的Ca2+迅速摄取到肌浆网后,通道很快关闭。

上述这种细胞浆Ca2+浓度一定程度的升高引起大量Ca2+从肌浆网释放的现象称为钙火花,是钙瞬变倍（从10-7升高到10-5mol/L）,而收缩期后,在极短的时间细胞内游离Ca2+的浓度回降100倍后（降回到10-7mol/L）才能引起心肌舒张;心肌细胞和组织的收缩力受细胞内Ca2+浓度的调控,能够改变钙稳态的药物及其他因素都能影响心肌收缩力。

当钙稳态被破坏时,细胞内Ca2+浓度异常升高（Ca2+超载）,只要持续几秒钟就能引起细胞的不可逆损害。

2.Ca2+跨心肌细胞膜的转运Ca2+跨心肌细胞膜的转运主要经二进二出的途径:

（1）细胞膜上的Ca2+通道:

这种通道激活后,Ca2+经开放的通道进入细胞内,其包括电压依赖及受体操纵性两种Ca2+通道（图2）。

326临床心电学杂志2007年10月第16卷第5期的一种形式。

（三）Ca2+与心脏的电兴奋Ca2+与心脏电活动有多方面的关系,包括与心脏的自律性,普通心肌细胞的动作电位及不应期,以及兴奋收缩耦联中的作用等。

1.与心脏电活动起源的关系人体心脏电活动起源于窦性激动,窦房结内有自律性的起搏P细胞属于慢反应纤维,起搏P细胞的除极不是因快速的钠内流产生,而是由缓慢的钙内流形成（图3B、图4B）,当膜电位去极化达到阈电位-40mV时钙通道激活后开放,Ca2+带着正电荷缓慢内流并导致窦房结起搏P细胞的缓慢除极（0相）。

可以看出,心肌细胞表现出的快、慢反应电位的特点全然不同。

2.与心房或心室肌细胞电活动的关系普通心房肌或心室肌细胞的动作电位表现为快反应电位,其复极的2相平台期主要是缓慢而持续的Ca2+内流形成。

当膜电位约-55mV时,T型和L型Ca2+通道相继激活开放,Ca2+沿较高的浓度差跨膜缓慢内流,这种缓慢而持续的内流使细胞膜内的电位保持在较高水平形成2相平台期（图3、图4）。

Ca2+通道的失活比激活更慢,使钙内流微弱而时间持久,2相平台期及钙内流不仅与心房、心室肌细胞的动作电位时程及不应期有关,也和电兴奋引起心肌的收缩有关。

所以,Ca2+对心脏电活动的作用至关重要,关系密切（图3、图4）。

（四）Ca2+与心肌的收缩心肌的收缩和舒张主要由心肌细胞肌凝蛋白（粗肌丝）和肌动蛋白（细肌丝）两种收缩蛋白共同完成。

舒张期在两者之间存在位阻效应,即原肌凝蛋白丝在肌钙蛋白的作用下,阻碍了肌凝蛋白和肌动蛋白的接触及发生横桥滑动,因而保持舒张状态（图5A）。

当细胞浆游离的Ca2+达到一定浓度时,游离的Ca2+与肌钙蛋白C形成复合物,使原肌凝蛋白丝的位置移动,使原来的位阻效应去除,这使肌凝蛋白的横桥（头部）与肌动蛋白接触而发生同步的横桥及肌动蛋白细肌丝的滑动,本来已位于肌节中央部位的肌凝蛋白通过自己的横桥滑动而拉动肌动蛋白细肌丝向肌节中央方向滑行一定的距离,结果肌节长度缩短而产生收缩。

因此心肌收缩的本质只是肌动蛋白细肌丝随着横桥的一种滑动,而不是肌丝的真正短缩（图5、图6）。

当胞浆中Ca2+的浓度降低时（肌浆网摄取80%,Na+-Ca2+交换体排出20%）,Ca2+与肌钙蛋白C解离,使原肌凝蛋白丝又回到原来的位置而产生位阻效应,使肌凝蛋白的横桥和肌动蛋白的接触再次分离而退回原位置,肌节伸长而舒张。

因此,胞浆中游离Ca2+的增多,起到关键性的消除位阻效应而引起收缩,当Ca2+浓度下降时,位阻效应重新发生而产生舒张（图5、6）。

（五）心肌兴奋与收缩耦联过程的三步曲1.钙瞬变钙瞬变是指细胞动作电位或其他原因引起心肌细胞内游离Ca2+浓度迅速波动的现象。

换言之,心肌图3Ca2+在自律性及非自律性心肌细胞动作电位中的不同作用327JClinElectrocardiol,2007,Oct.16.No5图4Ca2+在心肌细胞快反应和慢反应电位中的不同作用细胞外的Ca2+经L或T型通道进入细胞内并触发肌浆网爆发性释放大量Ca2+,使细胞内游离Ca2+浓度骤然升高100倍,这种类型的钙瞬变又称钙火花。

2.去位阻作用心肌细胞的肌凝蛋白与肌动蛋白在舒张期呈分离状态,这是原肌凝蛋白丝将两者分开的结果。

当胞浆内骤然升高的Ca2+与肌钙蛋白C结合后产生去位阻效应,即原肌凝蛋白丝移位使肌凝蛋白的横桥发生滑动并同时拉动肌动蛋白细肌丝向肌节中央部位移位,产生心肌细胞的收缩。

3.位阻效应重现舒张期肌浆网重新摄取胞浆中增高的游离Ca2+,以及Na+-Ca2+交换体将部分游离的Ca2+排出细胞外,结果胞浆游离Ca2+浓度降低并与肌钙蛋白C分离,位阻效应重现而发生心肌的舒张。

因此,Ca2+在心肌的兴奋与收缩耦联现象中起到递质样作用,十分关键。

三.心脏的兴奋收缩耦联与临床

（一）心肌兴奋收缩耦联的几种类型1.正常的兴奋收缩耦联正常时,心房或心室肌细胞和组织发生兴奋后,间隔4060ms开始收缩,继而舒张。

2.兴奋收缩的脱耦联兴奋与收缩的脱耦联又称电和机械的分离。

由于心肌细胞肌浆网贮存Ca2+的数量本来就比骨骼肌少,因而其对心肌细胞膜外的Ca2+内流以及触发肌浆网释放Ca2+的依赖性较大,这使心肌细胞外的Ca2+浓度对心肌收缩力的影响较大。

当细胞外Ca2+浓度降低时心肌收缩力减弱。

犬的试验表明,试验犬呼吸停止后,心脏的机械活动仅能维持10min,而心电活动则可维持50min。

临床中,很多临终前病人在一段时间能够记录到缓慢的心电活动,但同时却无心音和血压,形成电与机械功能的分离。

3.兴奋收缩的延迟耦联兴奋与收缩之间的耦联并非呈“全或无”状态,还存在着一种延迟耦联,这是在各种病理因素的作用下,如缺血、缺氧,使某些心肌细胞或心肌组织发生兴奋与收缩的耦联间期出现病理性延长,收缩耦联间期可能延长到一百或几百毫秒,表现为心室电激动形成的QRS波已经结束,但某些部位的心室肌相隔较长时间后才开始延迟收缩,造成不同部位心室肌收缩的不同步。

心室肌收缩的不同步能显著影响心室功能,是心衰患者一种常见的病理状态。

目前,心室再同步化起搏治疗心力衰竭时,不少心衰患328临床心电学杂志2007年10月第16卷第5期图5心肌收缩时横桥滑动的示意图A.舒张期出现的位阻效应阻碍了肌凝蛋白与肌动蛋白的横桥滑动;B.Ca2+与肌钙蛋白C结合后产生去位阻效应,进而引起收缩时的横桥滑动者的QRS波不增宽,但双室同步化起搏治疗后疗效显著,则属于这种情况。

（二）舒张功能的下降临床医生经常遇到心脏舒张功能明显减退的患者,例如老年人,肥厚型心肌病、冠心病、高血压病等都可能存在不同程度的舒张功能减退,甚至发生舒张性心力衰竭。

动物及临床研究的结果表明,舒张功能的减退常是心肌细胞肌浆网对Ca2+的再摄取速率及Ca2+-ATP酶活性下降的结果,这使心肌细胞收缩后,肌浆网对Ca2+的再摄取速率下降,或Ca2+-ATP酶的活性下降使钙泵逆浓度差向细胞外泵出Ca2+的速率下降,结果胞浆中游离的Ca2+不能及时迅速地回降而导致舒张功能减退。

（三）甲状腺功能与心肌收缩力甲状腺功能异常时,其对心肌收缩力的影响也经Ca2+介导,其中甲亢患者肌浆网Ca2+的释放速率和Ca2+-ATP酶的活性增加,使心肌收缩和舒张的速率均增加。

相反,甲减病人心肌收缩力明显下降,其与肌浆网Ca2+的释放速率下降等因素有关。

（四）洋地黄的强心机制洋地黄能选择性抑制细胞膜的Na+-K+-ATP酶,使心肌细胞内的Na+外运发生障碍而浓度升高,细胞内Na+浓度的升高将促进Na+-Ca2+交换体的功能,最终使细胞内Ca2+的浓度升高而心肌收缩力增强。

（五）抗心律失常药物实验及临床资料显示,几乎所有的抗心律失常药物在其产生心脏负性频率和负性传导作用的同时,都同时伴有负性肌力的作用。

此外,迷走神经兴奋性增强时也有同样的三负作用;而交感神经兴奋性升高时则相反,表现为三正作用,即正性变时,正性传导、正性心肌收缩力的作用。

电功能的抑制与兴奋和机械功能的抑制与兴奋这种同步改变的机制,与兴奋收缩的耦联直接相关。

以交感神经兴奋时为例,交感胺与受体结合后,经过一系列酶促反应引起各种离子通道的功能增强,包括Ca2+的内流增加,Ca2+跨膜内流的增加影响电功能的同时必然增加心329JClinElectrocardiol,2007,Oct.16.No5图6心肌收缩时横桥滑动的平面示意图A.舒张期:

肌动蛋白细肌丝距肌节中央较远,肌节较长;B.收缩期:

横桥滑动后,肌动蛋白细肌丝向肌节中央移位使肌节缩短10%,产生收缩肌收缩力。

因此,交感神经兴奋时的三个正性作用也呈耦联式同时表现出来。

其他因素的类似作用也能以此类推。

四.心脏的兴奋收缩耦联与心电图心脏的基本功能是电和机械功能,临床中检测这两种功能最常应用的技术是心电图及超声心动图。

因此,当怀疑病人有心脏疾患时,医生最先开出的两张检查单常是心电图和超声心动图。

超声心动图不仅能够检测心脏的形态学,还能检查心脏的收缩和舒张功能。

当这二项检查结果都为阴性时,医生则能初步认为患者心脏的基本功能正常,没有太大的问题。

1.经心电图识别心脏电与机械功能的耦联关系心电图是检查心脏电功能最常用、最简单的方法,临床医生和心电图医生分析心电图时,除了通过心电图的分析了解心脏电功能之外,还应当同时考虑已发生的电功能紊乱与心脏机械功能的关系和可能产生的影响。

换言之,通过心电图能将心脏电和机械功能耦联在一起同时考虑,这种分析方法能显著提高对心电图、心律失常及血流动力学影响的理解,提高医生对患者的诊治能力。

心脏的电和机械功能在每个心动周期中都紧密耦联在一起,这意味着,当心肌细胞或组织发生兴奋和电激动后50ms时,应当出现相应的机械活动:

先收缩后舒张,对心房肌和心室肌都一样。

以心室肌为例（图7）,心电图QRS波的起点代表心室电活动的开始,此后50ms时,则是其机械活动心室收缩的开始,左室收缩并向主动脉射血一直持续到T波结束。

因此QT间期对心脏电活动而言是心室肌的总不应期（有效不应期+相对不应期）,对机械活动而言是心室的收缩期,T波结束代表心室收缩期的结束。

在心室收缩期（QT间期）,各部分心室肌先后除极共同形成QRS波。

其中除极的第一向量为间隔向量,第二为心室体部向量,第三为心室底部向量,这先后发生的三个心室除极向量在某些导联分别形成Q波、R波和S波。

电活动之后必将触发其机械活动,因此,不同部位心室肌的机械收缩顺序也将有先有后地开始。

但正常时,各部分心室肌收缩力达峰的时间是同时的,当各部位心肌收缩力同时达峰时,产生很高的心室内压将能冲开主动脉瓣完成射血。

因此,QT间期相当于心室的收缩期,此时主动脉瓣开放,心室呈射血状态。

心室射血结束后,经过等容舒张期心室的容积开始扩大及腔内压下降,当心室腔内压下降到比心房平均压还低时,房室瓣（二、三尖瓣）则被冲开,开始了舒张期心室的充盈。

此时超声心动图的探头对准二尖瓣探查时,可以记录到舒张期跨二尖瓣血流形成的E峰,以及随后的A峰,E峰与A峰的持续时330临床心电学杂志2007年10月第16卷第5期图7通过心电图一个心动周期分析心室电与机械功能的耦联关系间是左室的有效充盈期。

因此,我们分析心电图的一个心动周期时既要看到心电活动,同时也要联想到与之耦联在一起的机械活动,即QT间期相当于心室的收缩期,T波结束到下一个Q波的间期相当于心室的舒张期（图7）。

通过心电图将心脏的电与收缩功能紧密联系在一起时,很容易就能分析出心律失常发生时相关的血流动力学影响。

例如心电图常能记录到联律间期不同的室性早搏,当室早的联律间期较短时,通过图7的分析可知该室早将落入收缩期,而联律间期较长的室早将落入舒张期,甚至是舒张晚期的室早。

稍加分析就能清楚两者血流动力学的不同,落入收缩期、联律间期很短的室早出现时,将遇到前次窦性心律心室收缩已将血流射入主动脉后尚未舒张的心室,本次的心室电活动（室早）以及再次心室收缩的有效射血量肯定很少,能引起动脉血压明显的下降,甚至能激惹交感神经。

而舒张晚期的室早则相反,与室早耦联的心室收缩时,已有相当数量的心室充盈,因此,几乎不存在上述血流动力学的影响。

对于联律间期不同的房早也同样存在不同的血流动力学影响。

2.经心电图识别房室同步的关系房室同步是保证正常心功能的一个重要因素。

心脏在人体循环系统充当的泵功能中,心室将承担65%85%的比例而称主泵,心房约承担15%35%而称辅助泵。

心室与心房各自承担的比例呈反向变化,二者的总合为100%。

对于二者承担比例的高低,心室是主动的,当心室的收缩及舒张功能正常时,其单独承担的主泵比例能达到85%以上,但当心室功能随年龄增大而出现明显的生理性减退及心功能下降时,或因冠心病、心肌病、高血压病引起心功能下降,甚至发生了心力衰竭时,则心室承担的主泵功能比例将有不同程度的下降。

此时心脏对心房辅助泵的协助作用依赖性明显增大,心房辅助泵所占心功能的比例就要增高。

心房辅助泵的作用如何发挥和体现呢?

从图8可以看出,QRS波起始50ms后心室开始收缩,并向主动脉内持续射血直到T波结束、第二心音发生之前。

此后心室开始舒张,当心室内容积变大、心室内压下降到低于心房平均压时,心房的血流将冲开房室瓣,血流从压力高的心房快速向心室充盈,此时跨二尖瓣的血流形成了超声心动图上的E峰,随着心房血流向心室不断地充盈,左房的平均压逐渐下降,左室充盈速率的下降形成了E峰的下降支。

但在此时,心房P波出现了,这是窦性激动使心房除极时形成的P波,同样心房肌也遵循着兴奋与收缩的耦联,P波起始50ms后心房的机械收缩将开始,心房的收331JClinElectrocardiol,2007,Oct.16.No5图8通过心电图一个心动周期分析房室同步的关系缩使心房容积变小而内压升高,心房平均压的再次升高将加大左房与左室之间的跨二尖瓣压差,进而再次增加了舒张期心室充盈的血流速度并形成跨二尖瓣血流的A峰。

因此,心室的有效充盈时间包括心室快速充盈的E峰和心房收缩期形成的A峰,而舒张期心室有效的充盈是心室再次收缩时每搏量的重要基础。

因此,心房辅助泵的作用发生在舒张期,表现为舒张晚期心房收缩时A峰的出现。

当左室舒张功能减退,对心房辅助泵作用的依赖增加时,则会出现A峰的增高,甚至A峰高于E峰。

而当房室的同步性丧失时,则会出现A峰的消失,窦律时E、A双峰共存的情况则变成了单峰,心房辅助泵功能的消失将使整个心功能明显受损。

因此房室同步十分重要,适当的PR间期能够确保舒张期心房发挥最佳的辅助泵作用。

房室同步不是房室同时,其先后适时的顺序发生是维持良好心功能的重要环节。

正常时两者的最佳间期常为0.120.20s,而房颤、三度房室阻滞、室速时房室同步完全丧失了,主泵和辅助泵共同完成心脏泵功能的情况变成了由心室单独完成和承担,对于有明显器质性心脏病的患者则因心房辅助泵作用的丧失而使心功能明显下降,严重受损,甚至诱发心衰及心功能恶化。

当PR间期0.20s时,也会出现房室同步性不良的情况。

PR间期太短时,临床能够出现左房功能低下综合征,PR间期过长时（350ms）可以出现PR间期过度延长综合征。

这些情况时心功能的受损都能从图8的进一步分析而推导出来。

小结心脏的兴奋与收缩耦联是一个经典的生理学概念,但近年来相关研究的进展十分迅速,使这个原来纯基础的概念与心脏病的临床及心电图的直接关系越来越密切。

除此,心脏的兴奋收缩的良好耦联,房室的同步性对于心功能十分重要,这些抽象的关系可以在心电图上形象而具体地体现出来,学会将心电图与这些概念随时“耦联”在一起,将能提高对这些问题更加清晰透彻及深刻的理解,这对临床和心电图医生十分重要。

作者简介郭继鸿,北京大学人民医院教授,主任医师,博士生导师,中国心电学会主任委员,临床心电学杂志主编,中华医学杂志、中华心律失常学杂志、中华临床医师杂志、临床心血管病杂志、心电学杂志、实用心电学杂志的副主编。

高等医学院校国家统编教材“诊断学”的副主编,曾获国务院、国家教委授予的“有突出贡献的博士学位获得者”称号,是享受国家政府特殊津贴的专家。

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