第 7 章：离子流与心肌动作电位的产生（Ionic Fluxes and Genesis of the Cardiac Action Potential）

7.1 膜电位（Membrane Potential）

心脏既是机械泵也是电器件，在每次心动周期的收缩期与舒张期持续产生电活动。心脏搏动受心脏电信号（即动作电位，AP）控制，动作电位是离子电流穿越细胞膜造成的跨膜电位的瞬时变化。所有可兴奋细胞（包括心肌细胞）的膜电位主要由三个因素决定：1）细胞内外离子浓度；2）由离子选择性通道蛋白介导的细胞膜对离子的通透性；3）产电泵（如 Na⁺/K⁺-ATPase 与 Ca²⁺ 转运泵）的活动，用于维持跨膜离子浓度梯度。

细胞膜两侧存在巨大的离子浓度梯度，其中最重要的是 Na⁺、K⁺、Cl⁻ 和 Ca²⁺（表 7.1）。K⁺ 在细胞内浓度高、细胞外浓度低（~40 倍梯度），因此在无电动势的情况下 K⁺ 倾向于向细胞外扩散；相反，Na⁺ 与 Ca²⁺ 在细胞外浓度高、细胞内浓度低（~10 倍与 ~20,000 倍梯度），有利于各自向细胞内扩散。构成细胞膜的磷脂双分子层是高阻、离子不通透的屏障，阻止这些离子沿浓度梯度移动。

以 Na⁺ 为例说明膜电位产生机制：Na⁺ 浓度在细胞外约比细胞内高 10 倍，因此 Na⁺ 沿其化学梯度会进入细胞；但必须向细胞内施加正电荷（相反方向电学梯度）才能平衡化学梯度。化学梯度与相反方向电学梯度恰好平衡的点称为电化学平衡，达到该平衡所需的膜电位称为平衡电位，由 Nernst 方程给出：E_Na = 61/z × log [Na⁺]_i/[Na⁺]_o（z 为离子电荷数）。对于 Na⁺（[Na⁺]_i = 20 mM，[Na⁺]_o = 145 mM，z = 1），平衡电位为 +52 mV，即细胞内必须相对外部为 +52 mV 才能阻止 Na⁺ 沿浓度梯度扩散入细胞。然而静息心肌细胞内的电位为 −90 mV，因此存在巨大的化学驱动力（向内）和巨大的电学驱动力（向内），共同促进 Na⁺ 内流。但静息时细胞膜对 Na⁺ 的通透性极低，仅有极少量 Na⁺ 漏入细胞。动作电位期间，细胞膜因 Na⁺ 通道开放而对 Na⁺ 瞬时通透，大量 Na⁺ 迅速入细胞，使细胞内电位变正，接近 E_Na。由于每次动作电位期间大量 Na⁺ 内流，需要 Na⁺/K⁺-ATPase 将 Na⁺ 泵出细胞以维持其化学梯度。

同样的原理适用于所有参与跨膜电通量的离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl⁻ 等）；每个离子都按其自身的跨膜浓度梯度、电动势、电导（离子通道）和泵活动保持静息电化学平衡。最终的细胞膜电位是各离子贡献的加权和；肌细胞兴奋期间膜电位的瞬时变化则来自各离子电导的改变，即各离子通道的开闭。

7.2 离子通道及其分类（Ion Channels and Their Classification）

肌细胞中的离子通道按其门控（开闭）特征或对特定离子的选择性进行分类。按门控方式可分为电压门控、配体门控和机械敏感性三大类。

电压门控通道。电压门控离子通道是一类因膜电位变化而激活的跨膜蛋白（图 7.1），是心脏中数量最多的通道类型，能让肌细胞快速而协调地去极化与复极化以实现高效电-机械耦联。其共同特征是通道结构中存在电压感受器结构域——一个含有带电氨基酸的区域，可因膜电场变化而发生位移，传感器的移动引起通道"门"的构象变化以控制离子进入孔道。Na⁺ 通道是首个被克隆的电压依赖性离子通道，源自电鳗电器官（Agnew et al., 1978），随后 K⁺ 与 Ca²⁺ 通道被纯化与克隆。电压门控离子通道是心脏中最丰富的通道，并共享若干结构主题：模块化架构；由高度保守的孔道衬里残基构成中心孔道；使用带电膜电压感受器作为通用门控策略；以及调节通道蛋白转运与功能的辅助亚基。有功能的通道由四个亚基（K⁺ 通道）或一个具有四个同源结构域的蛋白（Na⁺ 与 Ca²⁺ 通道）构成；每个结构域（或亚基）含有 6 个跨膜片段和一个孔道环，第 5、第 6 跨膜片段（S5、S6）及孔道环负责离子传导，第 4 跨膜片段（S4）含有若干带正电残基（如精氨酸或赖氨酸）以贡献电压感受能力。肌细胞中最重要的电压门控离子通道分别选择性通透 Na⁺、K⁺、Ca²⁺ 和 Cl⁻。

配体门控通道。配体门控通道是一类因化学信使（配体）结合而开闭的离子通道。配体可结合于胞外（如谷氨酸、乙酰胆碱、GABA），也可结合于胞内（如 Ca²⁺ 激活的 K⁺ 通道上的 Ca²⁺）。配体结合触发通道对特定离子通透性的剧烈变化，但配体本身不是通道开放时转运的物质。在神经细胞中，胞外激活的配体门控离子通道有三大超家族：Cys 环超家族（烟碱受体、5-HT3 受体、GABA-A 与 GABA-C 受体、甘氨酸受体以及某些谷氨酸、组胺、5-羟色胺激活的阴离子通道）、ATP 门控通道（P2X 受体）、以及谷氨酸激活的阳离子通道（NMDA、AMPA、红藻氨酸受体等）。心肌细胞中主要的配体门控通道包括 ATP 敏感性 K⁺ 通道（I_KATP）、乙酰胆碱激活的 K⁺ 通道（I_KACh）、Ca²⁺ 激活的 K⁺ 通道和 Ca²⁺ 激活的 Cl⁻ 通道，以及兰尼碱受体。

还存在另一类可同时受电压和配体调节的离子通道，在心脏中最重要的就是超极化激活的环核苷酸门控阳离子（HCN）通道，受膜电位与胞内 cAMP 双重调节。HCN 通道编码起搏电流（pacemaker current），在心率调节中起关键作用。

机械敏感性离子通道。机械敏感性（MS）通道的显著特性是其门控对细胞膜的物理形变作出响应。活细胞中存在两种基本类型：牵张激活（SA）和牵张失活离子通道。MS 通道已在细菌、植物与动物细胞等多种细胞中被检测到，1983 年 Sachs 及其同事首次在鸡骨骼肌中发现 MS 通道。这些通道的活动影响细胞的电生理状态，如静息电位和动作电位的进程，以及兴奋的发生。牵张激活通道（SACs）在脂双层中膜张力的变化下开闭。已有报道称某些 SACs 为对多种离子（包括 K⁺、Na⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Cl⁻、Cs⁺）通透的非选择性通道，但各离子的电导随物种与组织类型变化。在心肌细胞中测得 SACs 的线性电流-电压关系，其反转电位在 −6 至 −15 mV 之间。

心脏中已观察到多种对机械-电反馈的电生理事件，包括动作电位时程（APD）变化、静息膜电位降低与动作电位幅度减小、牵张诱导去极化的发展、牵张诱导去极化引起的异位搏动，以及通过间隙连接的细胞间相互作用变化。在大多数情况下，去极化幅度取决于牵张程度。由于心肌细胞在心脏中取向异质，机械-电反馈效应具有时空特征。在人类心脏中，SACs 感知的机械负荷差异性地影响不同周期长度插入搏动的 APD，从而改变 APD 恢复曲线斜率与不应期。利用 SAC 的仿真模型可观察到 SAC 激活对人类心室肌细胞 AP 波形的不均一效应。APD 改变的不均一性可能是病变心脏中致心律失常的重要因素。

最近，瞬时受体电位（TRP）蛋白已被鉴定为一大类非电压门控阳离子通道超家族（TRPC1、5、6；TRPV1、2、4；TRPM3、7；TRPA1；TRPP2），可被各种机械刺激（如渗透压、膜牵张、剪切力）以及化学刺激（如受体激活、pH 变化、温度、辛辣/冷感剂）激活。某些证据提示 TRP 通道可能通过机械-电与神经体液机制在心律失常、心肌肥大、高血压和动脉瘤的发生中起作用，但具体病理生理机制尚未完全阐明。

7.3 氯通道（Chloride Channels）

氯通道对建立细胞静息膜电位与维持适当细胞容积至关重要。这些通道除传导 Cl⁻ 外还传导其他阴离子（如 HCO₃⁻、I⁻、SCN⁻、NO₃⁻）。就一级结构而言，它们与已知的阳离子通道或其他类型阴离子通道无关。氯通道亚基含有 1 至 12 个跨膜片段；其中一些成员由电压激活，另一些由 Ca²⁺、胞外配体、pH 等调节子激活。已描述的成年哺乳动物心脏中至少存在七种心源性 Cl⁻ 电流，其中较重要的有 cAMP 和蛋白激酶 A 依赖性氯电流（I_Cl,PKA）、Ca²⁺ 激活的氯电流（I_Cl,Ca）、以及肿胀诱导的氯电流（I_Cl,swell）。其他已被描述的心脏 Cl⁻ 电流包括嘌呤能刺激、血管紧张素或蛋白激酶 C（PKC）激活的电流，以及背景型 Cl⁻ 电流。某些 PKC 激活的 Cl⁻ 电流似乎与 PKA 依赖性电流相似。目前已报道心脏中存在五种不同的 Cl⁻ 通道编码基因：囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）、ClC-2、ClC-3、CLCA 和 Bestrophin。

由于缺乏特异性阻断剂且这些通道的分子身份尚未确定，对心脏中 Cl⁻ 电流功能的阐释受到限制。已知心脏中 Cl⁻ 通道的表达在空间上、发育过程中以及不同物种间存在差异。例如，I_Cl,PKA 在心外膜下心肌细胞比心内膜下心肌细胞更丰富，且在心房比心室少；I_Cl,Ca 在心房比心室大。

心脏中氯的平衡电位（E_Cl）估计在 −40 至 −60 mV 之间，即正于静息膜电位、负于 AP 平台。因此 Cl⁻ 电流的激活倾向于使静息心肌细胞去极化并缩短 APD。对心脏中阴离子通道作用的认识滞后于阳离子通道。尽管 Cl⁻ 电流被认为是心脏电功能的重要组成部分，但其实际作用在正常生理与疾病发病机制中的角色尚未确定。近期在确定这些电流的遗传与分子基础方面取得的进展提示未来可能出现快速突破。

7.4 钠通道（Sodium Channels）

Na⁺ 通道是工作心肌中最丰富的离子通道（每个细胞约 10 万个），携带心房、心室与浦肯野纤维兴奋过程中的主要内向电流（I_Na）。心肌 Na⁺ 通道的心脏亚型（Na_V1.5）由位于 3 号染色体短臂（3p21）的 SCN5A 基因编码。Na⁺ 通道跨膜结构域序列从人到电鳗高度保守。成孔 α 亚基是功能所需唯一亚基，决定离子选择性与电导特性。α 亚基由四个内部同源结构域（标记 I–IV）组成，每个结构域含 6 个跨膜片段；每个结构域第 5（S5）与第 6（S6）跨膜片段之间的肽连接子或 P 段会聚形成离子选择性孔道。每个结构域的 S5–S6 连接子具有独特的一级结构，并且通透性的结构基础与 K⁺ 通道（四条相同 P 段会聚形成 K⁺ 选择性孔道）有本质差异。

Na⁺ 通道可处于三种构象状态之一（关闭、开放、失活），各状态之间具有不同电压与时间依赖的转换速率常数。在膜去极化反应中，每个 S4 片段的若干带电残基在膜电场中发生跨膜位移、在膜内物理移动。Na⁺ 通道激活门的分子基础尚未阐明，但有证据提示涉及 S6 片段。电压门控 Na⁺ 通道极快的激活与失活动力学（时间常数几毫秒）使电冲动得以在心肌纤维中快速传播（>1 m/s）。Na⁺ 通道的关闭与失活状态均为非导通但具有不同构象。持续去极化使开放通道进入失活状态，这一过程与激活耦联。快速失活至少部分由 III 与 IV 结构域之间的胞内连接子介导，可能起"铰链盖"作用，对接到由 III 和 IV 结构域的 S4–S5 连接子形成的受体。较慢的失活状态以其恢复速率定义，可在数十秒或更长时间内恢复，其结构决定因素尚不完全清楚。与快速失活类似，在先天性肌强直与其他骨骼肌病中鉴定出的散在疾病突变抑制 Na⁺ 通道的慢失活。已发现四种不同的 Na⁺ 通道 β 亚基（Na_Vβ1–4, SCN1B–SCN4B），各含一个跨膜结构域与一个大的胞外 V 形免疫球蛋白折叠（常见于细胞黏附分子）以及小的羧基端胞质结构域。

Na⁺ 通道的动力学与电压依赖特性依赖于特定的 α-β 亚基组合与实验表达系统。然而 Na⁺ 通道 β 亚基在心脏中的功能尚不清楚。它们存在于心肌细胞中，但可能不与细胞表面的 α 亚基关联。在异源表达系统中，Na_Vβ1 调节 Na_V1.5 功能，改变对抗心律失常药物阻断的敏感性与对游离脂肪酸的敏感性。此外，β 亚基中的若干突变已被直接或间接地牵涉到遗传性心律失常的发病机制中。与骨骼肌相比，神经与心脏 Na⁺ 通道亚型在 I 与 II 结构域之间有较大的胞内连接子，含有 cAMP 依赖性蛋白激酶 A（PKA）和 Ca²⁺-钙调蛋白依赖性激酶（CaMK）磷酸化的共有位点。体外 PKA 介导的 Na_V1.5 磷酸化导致全细胞电导增加，并可能涉及通道向细胞膜的转运改变。与 PKA 相反，PKC 调节所有哺乳动物 Na⁺ 通道亚型的功能。PKC 磷酸化 Na_V1.5 III–IV 连接子中一个高度保守的丝氨酸残基，以亚型特异性方式降低最大通道电导并改变门控。

心脏电压依赖性 Na⁺ 通道在兴奋后第一毫秒内产生一个大的内向电流（I_Na），从而介导快速膜去极化（心肌细胞动作电位的上升支）。因此它是心房与心室传导速度的主要决定因素。I_Na 的失活具有快速（持续数毫秒）和慢速（持续数百毫秒）两个成分。与慢速失活相相关的电流称为晚期、持续或持续性 I_Na（I_Na,L, I_Na,sus, I_Na,p），以区别于峰值瞬态 I_Na。某些证据提示 I_Na,L 来自间歇性丧失失活的一小部分 Na⁺ 通道，而非一组不同的通道分子。

7.5 钾通道（Potassium Channels）

K⁺ 通道是心脏中最多样化的离子通道亚家族，包含三种具有不同分子结构的类型：内向整流通道、电压依赖性通道与双孔 K⁺ 通道。K⁺ 通道在维持正常心脏电生理中起多种作用。在分子亚型中，内向整流通道包括 ATP 敏感性、腺苷敏感性以及乙酰胆碱门控通道；电压依赖性 K⁺ 通道是心脏中瞬时外向与延迟整流电流的基础；双孔通道是可能受 pH 调节的背景电流。

内向整流电流由一个 cDNA 家族（命名为 Kir）编码，是 KCNJ 基因家族的成员。这些离子通道在进化上最原始，仅有两个跨膜片段，是首批被解析晶体结构的通道。电压门控、强内向整流的 I_K1 对维持静息膜电位与促进终末复极化至关重要。心脏中其他内向整流 K⁺ 通道具有特殊功能，如对神经激素或代谢应激的响应。Kir3 家族构成与 M2 毒蕈碱（I_KACh）或 A1 腺苷（I_KAdo）受体耦联、存在于结区与心房细胞的 K⁺ 通道。I_KACh（I_KAdo）由 KCNJ3（G 蛋白内向整流 K 通道，GIRK，Kir3.1）与 KCNJ5（心脏内向整流，Kir3.4）两个基因的产物组成的异四聚体。I_KACh 直接被抑制性 G 蛋白的 βγ 亚基激活，导致 K⁺ 外流与膜超极化。I_KACh 是副交感激活所致的负性变时与负性变传导效应的关键介质。另一种内向整流 I_KATP 将电信号与心肌细胞的代谢状态联系起来。I_KATP 是由 Kir6.2 通道（KCNJ8 与 KCNJ11）四聚体核心被四个磺酰脲受体亚基（SUR2A 由 ABCC9 编码，是 ATP 结合盒（ABC）蛋白）环绕构成的异八聚体，赋予其对磺酰脲类与 K⁺ 通道开放剂（如吡那地尔与色满卡林）的敏感性。在正常 ATP 浓度（[ATP]_i）下 I_KATP 关闭。胞内环境的若干变化，包括 ATP/ADP 比值变化、酸中毒与氧化应激将激活 I_KATP，导致 K⁺ 外流与膜超极化，在体表心电图上表现为 ST 段偏移与 T 波形态变化。因此，I_KATP 在活性膜特性与细胞代谢状态之间提供密切联系，并在心肌缺血与缺血预适应中起中心作用。

第二类结构 K⁺ 通道为电压依赖性（Kv）通道（Kv1.x–Kv11.x），结构上类似 Na⁺ 或 Ca²⁺ 通道的单个结构域。Kv 通道由 6 个跨膜片段构成，S6 的胞质侧半区似乎介导药物阻断，类似于 Na⁺ 通道的局麻药结合区。与 Na⁺ 与 Ca²⁺ 通道类似，Kv 通道通过涉及带正电 S4 重复片段的机制激活；随后部分通道在持续去极化中失活。与 Na⁺ 和 Ca²⁺ 通道一样，Kv 通道存在多种失活类型并由不同分子机制介导。在 N 型"球-链"模型中，蛋白的氨基端与开放孔道的胞质入口结合并堵塞，终止 K⁺ 流动。在 C 型失活中，通道外孔道像相机光阑一样收缩，终止 K⁺ 流动。

瞬时外向 K⁺ 电流激活与失活迅速，是心室 AP 第 1 相复极化的关键决定因素。心脏中瞬时外向电流有两个成分：Ca²⁺ 不依赖的 K⁺ 电流（I_to1）和 Ca²⁺ 依赖的电流（I_to2）。后者在某些物种是 K⁺ 电流而在另一些物种是 Cl⁻ 电流。编码心脏 I_to1 的通道在不同物种间有差异，并可能存在心室内区域差异。Kv1.4 是某些物种（包括人）I_to1 的重要但次要成分；然而在人类心室中，I_to1 主要由 Kv4.3 编码，其从失活中的恢复远快于 Kv1.4 通道。

Kir 与 Kv 通道由同家族（如 Kv1.x）的成孔亚基四聚体组成，通常与多种结构不同的辅助亚基（即 Kvβ1–3、KCNE 和 KChIP）相关联。Kvβ 亚基（由 KCNAB 基因家族编码）结合到 Kvα 亚基的氨基端或 Kv4α 亚基的羧基端，以亚型特异性方式改变通道功能。例如，Kvβ2 与 Kv1.1 复合时可能起氧化还原酶作用，Kvβ1.2 赋予 Kv4.2 通道对 O₂ 的敏感性。KChIP（由 KCNIP 基因家族编码）是含 Ca²⁺ 结合 EF 手型基序的跨膜蛋白（与 Kvβ 亚基无关），调节 Kv4 门控与电导。

延迟整流 K⁺ 电流（I_K）在终止哺乳动物心脏复极化中起主要作用。I_K 是由快速成分（I_Kr）与慢速成分（I_Ks）组成的复合电流。对长 QT 综合征（LQTS）遗传学的阐明明确了延迟整流两个成分的分子基础。MinK（由 KCNE1 编码）最初被认为是产生类似 I_Ks 电流的"最小 K⁺ 通道"。随后的位置克隆在 11 号染色体连锁 LQTS 中鉴定出疾病基因 KvLQT1（KCNQ1 编码的 Kv7.1）。KCNQ1 与 KCNE1 共表达产生的电流比单独表达任一亚基时更接近天然 I_Ks。KCNQ1 基因产物的可变剪接变体在心脏中表达，对 Kv7.1 表达施加显性负效应，在体外降低 I_Ks；因此天然 I_Ks 可能部分地受这种可变剪接程度调控。

Human Ether-a-go-go Related Gene（HERG，由 KCNH2 编码的 Kv11.1）是 I_Kr 通道的成孔 K⁺ 通道亚基。与 KCNQ1 类似，HERG 可与其他蛋白共组装以产生天然 I_Kr。在 MinK 同源物数据库挖掘中发现了相关基因 MinK-Related Peptide-1，MiRP-1（KCNE2），位于 21 号染色体同一基因座，编码一种小的、拓扑相似多肽，含有胞外氨基端、单个跨膜结构域与胞质羧基端。当 KCNE2 与 HERG 共表达时，电压依赖性门控、单通道电导、[K⁺]_o 调节与药物阻断均被修饰。MiRP-1 在天然心脏 I_Kr 中的作用仍不确定。I_Kr 具有若干独特的生物物理学特性，其破坏可由 HERG 突变、低钾血症或药物引起，从而干扰正常复极化。在去极化时，I_Kr 通过快速失活而减小，该过程在更正电位与更低 [K⁺]_o 下更明显；后者解释了在低钾血症临床情况下 I_Kr 减小以及相关的 AP 与 QT 间期延长。HERG 通道被许多药物阻断，包括甲磺酰苯胺类药物如多非利特与索他洛尔。KCNQ1、KCNH2、KCNE1 和 KCNE2 的突变已分别与 LQT 综合征 1、2、5、6 型相关。

I_Kur 由 KCNA5（Kv1.5）的基因产物产生，具有超快速激活、外向整流、慢失活以及对奎尼丁的敏感性。I_Kur 在啮齿动物心脏中普遍存在，但在人类仅限于心房。因此该通道是治疗室上性心律失常的一个有吸引力的药理学靶点，因为引起室性促心律失常的风险减小。

K⁺ 通道的第三结构类是"双孔"K⁺ 通道，这类蛋白含有 4 个跨膜片段与 2 个孔环，可能由原始 KCNJ 基因的基因重复产生。在心脏中，双孔酸敏感 K⁺ 通道（TASK，KCNK 基因家族）主要作为背景电流起作用，电压与时间依赖性极小。

7.6 钙通道（Calcium Channels）

基于药理学与生物物理学特性，钙通道分为若干类别：T 型、L 型、N 型、P/Q 型与 R 型 Ca²⁺ 通道。心脏 L 型 Ca²⁺ 通道（LTCCs）由四个多肽亚基（α1、β、α2/δ）组成，形成分子量约 400 kDa 的异四聚体复合物。α1 亚基是 Ca²⁺ 通道蛋白中最重要的成孔多肽，也负责电压依赖性 Ca²⁺ 通道开放与对 Ca²⁺ 的选择性。至今已鉴定出至少 10 个不同的 α1 亚基基因，但仅 α1C（Cav1.2）亚型在心脏中以高水平表达。

与其他几乎所有电压依赖性离子通道一样，α1C 成孔亚基含有四个（I–IV）同源结构域，每个结构域有六个（S1–S6）跨膜片段。负责离子通透、电压依赖性激活与失活、以及药理学阻断的蛋白特定区域最近已被确定。已在心脏组织中报道 α1C 基因的选择性剪接（影响第 IV 结构域第三跨膜区，IVS3）。在人类心室肌细胞中发现了四种不同的 α1C IVS3 亚型，其中两种表达外显子 31（IVS3A 亚型），另两种含有外显子 32（IVS3B 亚型）。IVS3A 亚型数量为 IVS3B 亚型的 2.5 倍。值得注意的是，在衰竭心脏中这些亚型的相对丰度发生变化，IVS3B 亚型变为 IVS3A 亚型的两倍。同样地，已发现四种 β 亚基亚型（β1–β4），其中 β2 是心脏亚型。β 亚基在 LTCC 功能中具有多种作用，控制 α1 亚基从内质网/肌浆网向质膜的转运，调节通道激活动力学，并参与 Ca²⁺ 通道易化与 β 肾上腺素能调节。此外 β 亚基含有 PKG、PKA 和 PKC 磷酸化的共有位点。α2/δ 亚基对 LTCC 生理学的影响小于 β 亚基，体现在电流幅度与通道激活、失活的生物物理特征方面。某些证据提示 α2/δ 亚基可改变通道密度并参与将 α1C 亚基"驱动"到质膜。

LTCC 在心室壁内不同层面差异性表达，呈现明显的跨壁通道密度梯度。与此一致，在犬、大鼠与小鼠左心室中已报道通道电流 I_Ca,L 的跨壁变化，但在豚鼠心室中未观察到。

β 肾上腺素能受体（β-AR）/PKA 通路是 Ca²⁺ 通道调节的主要通路，也是被研究最深入的。PKA 磷酸化通道形成蛋白 α1.2 上的 Ser-1928 位点以及辅助 β 亚基上的 Ser-459、Ser-478、Ser-479 位点。PKA 对 α1.2 的磷酸化严格依赖于 PKA 与 α1.2 的紧密空间共定位，而 PKA 对 β 亚基的磷酸化则不依赖于这种共定位。值得注意的是，最近的证据提示心室肌细胞中大部分 PKA 依赖性 I_Ca,L 激活并不涉及 Ser1928。某些证据指出 mAKAP 或 AKAP15 参与 PKA 与 α1.2 之间的相互作用。

PKC 依赖性心脏 LTCC 调节的机制尚未被充分记录。已有提示 α1C 与 β2 亚基在体外均可被 PKC 磷酸化。PKC 磷酸化 α1.2 亚基的 N 端，产生刺激或抑制活性的效应。进一步，PKC 对 LTCC 的效应似乎是 PKC 亚型依赖的。例如某些证据表明 βPKC 亚型刺激 I_Ca，而 εPKC 抑制 I_Ca。

cGMP/PKG 信号通路对心脏 LTCC 调节的效应同样不甚清楚，文献中报道的结果各异。一项近期报告将异源表达 LTCC 活性的 PKG 介导抑制定位到 β2a 亚基的 Ser496 位点。涉及 cGMP/PKG 依赖性 LTCC 调节的可能通路有若干，包括 PKG 对 Ca²⁺ 通道蛋白的直接磷酸化、PKG 对磷酸酶的激活以及 cGMP 依赖性刺激 PDE2 水解 cAMP。由于 cGMP/PKA 对 LTCC 的多因素效应，净效应可以是抑制性或激活性的。

近期工作发现 LTCC β 亚基上存在 CaMKII 的特异性结合位点，使附近氨基酸可被磷酸化靶向。β2 亚基上苏氨酸 498 的 CaMKII 依赖性磷酸化对易化是必需的。其他研究已证明 CaMKII 直接结合通道的成孔 α 亚基，需要 α 亚基上 Ser1512 与 Ser1570 的磷酸化以实现 I_Ca 易化。

本实验室最近报道钙调磷酸酶（calcineurin）同时结合 LTCC α1.2 的 N 与 C 端，且这种相互作用是直接的、不需要中介蛋白。我们也鉴定了 1943–1971 位残基作为特异性钙调磷酸酶结合所需的最小区域。体外实验证明钙调磷酸酶可使 α1.2 去磷酸化。然而，在表达组成性活性钙调磷酸酶的培养心肌细胞中，电压钳记录 I_Ca 显示通道功能增加；而通过钙调磷酸酶抑制剂或特异性肽急性抑制钙调磷酸酶则减少 I_Ca。这些数据共同揭示了 α1.2 与钙调磷酸酶在心脏中的直接物理相互作用以及钙调磷酸酶对 LTCC 调节的刺激作用。然而，钙调磷酸酶对 I_Ca 功能调节的具体机制仍有待阐明。

7.7 趣味通道（Funny Channels）

在心脏的结区，表达一种因超极化而激活的特殊离子通道。由于这种独特的激活特性（被膜超极化而非去极化激活），该电流最初被命名为"funny" current（I_f）。I_f 由超极化激活的环核苷酸门控基因（HCN1–4）家族的四个成员编码的通道传导。HCN2 与 HCN4 是人类心脏中表达的两个主要亚型。HCN4 是窦房结（SAN）中最丰富的亚型，其在起搏中的相关性由在 SAN 功能紊乱的患者中发现的四个功能丧失突变所支持。每种 HCN 亚型由三个大宏结构域组成：胞质 N 端、6 跨膜核心区与胞质 C 端。N 端对通道蛋白的正常胞内转运很重要。核心跨膜区是各亚型间较保守的区域，含有电压感受器（S4 片段）与参与孔道形成的残基（S5-P-S6 区域）。I_f 由 Na⁺ 与 K⁺ 离子传导，其反转电位在 −10 至 −22 mV 之间。近期实验也报道了 I_f 对 Ca²⁺ 离子的弱通透性。

趣味通道的另一个独特特征是它对电压与 cAMP 的双重依赖。cAMP 结合到 HCN 通道，使其电压依赖性向更正电压方向移动，加速通道激活，减慢失活动力学，并增加电流幅度。阻断或激活 cAMP 与 HCN 通道结合直接调节心率，这是自主神经依赖性心率调节的机制。HCN 通道已在心脏几乎所有组织中描述，包括 SAN、房室结（AVN）、浦肯野纤维与工作肌细胞。虽然该通道已在工作肌细胞中报道，但表达水平非常低，可能几乎没有生理作用。在非病理条件下其功能贡献仅限于心脏传导系统。

7.8 膜转运体（Membrane Transporters）

膜转运体是参与离子、分子与蛋白能量依赖性运动的整合膜蛋白。在动作电位期间，离子流入与流出细胞，经由离子选择性通道穿越肌膜。这些离子需要被泵回跨膜以重建电化学平衡，这一过程由膜转运体完成。

7.8.1 Na⁺-K⁺ ATP 酶（Na⁺-K⁺ ATPase）

Na⁺-K⁺ ATP 酶，也称 Na⁺/K⁺ 泵，是一种产电跨膜 ATP 酶。1950 年代由丹麦科学家 Jens Christian Skou 首次发现，该酶利用 ATP 水解能量将 Na⁺ 与 K⁺ 离子沿相反方向跨质膜转运。它每泵出三个钠离子就泵入两个钾离子，造成一个电荷的净移动。因此，该泵是产电的（即产生电流）。在心脏中，Na⁺/K⁺ 泵是 Na⁺ 排出细胞的主要途径。

Na⁺/K⁺ 泵定位于肌膜 T 小管以及周边肌膜区域。结构上，它由两个 α 与两个 β 亚基构成。α 亚基分子量约 110 kDa，可能跨膜 10 次。它含有 ATP、Na⁺、K⁺、强心苷的结合位点以及蛋白磷酸化位点。ATP 酶结构域位于蛋白的胞质侧，而离子结合与乌本苷结合结构域位于蛋白的胞外侧。α 亚基主要负责 ATP 酶的催化、离子转运与药理学特征。较小的 β 亚基分子量约 50 kDa（取决于糖基化程度），仅有一个跨膜结构域。该亚基是 Na⁺-K⁺-ATP 酶活性所必需的。Na⁺-K⁺-ATP 酶的 α 与 β 亚型均以组织特异性模式表达。关于 α 亚基，α1 亚型普遍表达，而 α2 亚型的表达主要发生在心脏与骨骼肌、脑以及脂肪细胞中。α3 亚型在神经组织与卵巢中丰富。此外，α 与 β 亚基的表达在发育过程中以及心房与心室肌细胞中存在差异，并在疾病状态下发生改变。

除泵离子之外，Na⁺-K⁺ ATP 酶还参与组装多个将信号转导到不同胞内区域的蛋白复合物。乌本苷与 Na⁺-K⁺ ATP 酶结合改变该酶与邻近膜蛋白的相互作用并诱导多个信号模块的形成，导致 Src、丝裂原活化蛋白激酶和蛋白激酶 C 的激活，EGF 受体（EGFR）的反式激活，以及活性氧（ROS）产量增加。这些激活通路之间的串扰导致若干基因表达改变、刺激心肌细胞肥大性生长，并触发平滑肌细胞增殖。

7.8.2 Na⁺-Ca²⁺ 交换体（Na⁺-Ca²⁺ Exchanger）

Na⁺-Ca²⁺ 交换体（NCX）是一种细胞表面膜蛋白，以 1 个 Ca²⁺ 交换 3 个 Na⁺ 的方式转运离子。哺乳动物 NCX 含有三种亚型：NCX1、NCX2 与 NCX3。NCX1 在心肌细胞与脑中高水平表达，在其他组织中以较低水平表达。NCX 作为心室肌细胞 Ca²⁺ 排出的主要途径已得到充分确立。在每次心跳中，Ca²⁺ 平衡通过 LTCC 介导的 Ca²⁺ 内流与主要由 NCX 介导的 Ca²⁺ 外排得以维持。当 Na⁺ 被运入细胞、Ca²⁺ 被排出时，NCX 活性称为"正向"；当离子以相反方向转运时，称为"反向"。NCX 电流（I_NCX）的方向与幅度取决于膜电位（V_m）以及决定反转电位 E_NCX 的内外 Na⁺ 与 Ca²⁺ 浓度。

NCX 在塑造动作电位轮廓中起重要作用。正向模式交换体功能产生内向去极化电流，贡献于 APD 延长。相反，计算机模拟提示早期平台期反向模式交换体功能的增强倾向于缩短 APD。其他数据提示正向模式功能与延迟 I_Ca,L 失活共同作用以延长 APD。然而，对 I_NCX 反向点的时间并无一致意见。具体而言，Ca²⁺ 经 NCX 排出可能始于 AP 的前 10 ms（兔模型）、AP 起始后 100 ms（豚鼠模型）或 AP 平台期后（犬模型）。换言之，I_NCX 的动力学可能因不同 AP 形态与胞内 Na⁺ 浓度差异而呈物种依赖。

7.8.3 Na⁺-H⁺ 交换体（Na⁺-H⁺ Exchanger, NHE）

Na⁺-H⁺ 交换体（NHE）是心肌细胞调节胞内 pH 的主要机制。至今已鉴定出至少六种 NHE 亚型，其中 NHE1–NHE5 似乎限于质膜，而 NHE6 可能是线粒体亚型。NHE1 是主要的心脏亚型，尽管它在大多数组织中普遍分布。NHE 由两个主要结构域组成：一个跨膜结构域与一个大的胞内胞质结构域。膜结构域含有 12 个整合跨膜片段。约 500 个氨基酸的 N 端膜结构域是负责阳离子转运的区域，而约 315 个氨基酸的大的 C 端胞质尾调节膜结构域并影响 NHE 活性。NHE1 由酸性 pH 激活；它受胞质质子变构激活，pH_i 下降至阈值以下（NHE 在生理 pH 下几乎无活性）促进酸的快速排出。NHE 的质子排出却受胞外酸中毒抑制。NHE 主要以 1 Na⁺:1 H⁺ 计量比作为质子排出器起作用。NHE 激活期间 [Na⁺]_i 的增加可抑制 NCX 活性，促成 Ca²⁺ 超载、舒张功能障碍与心律失常。NHE1 由一系列蛋白与辅因子调节，包括钙调蛋白、tescalcin、钙调磷酸酶同源蛋白与碳酸酐酶，以及磷酸化依赖性反应（包括 ERK 与 p90rsk）。近期证据提示 NHE1 也是各种肥大因子的主要下游介质。虽然 NHE1 参与的确切细胞机制仍有待阐明，但实验研究已表明 NHE1 抑制剂减轻由各种因子诱导的心肌细胞肥大并减少体内的心力衰竭，其作用独立于梗死面积的减小。

7.9 动作电位的离子基础（Ionic Basis of Action Potential）

工作肌细胞。工作肌细胞（心房与心室）的 AP 具有五个不同的相位（0–4 相）（图 7.3）。第 4 相是静息膜电位，描述细胞在未被刺激时的膜电位。静息膜电位主要由 K⁺ 经 I_K1 通道的通透性所决定。当肌细胞受刺激时，快速 Na⁺ 通道开放，导致对 Na⁺ 的膜电导（G_Na）快速增加，从而 Na⁺ 离子（I_Na）快速内流。这导致快速去极化相，即 0 相。0 相的斜率代表细胞最大去极化速率，量化为 dV/dt_max。值得指出的是，细胞在 0 相打开快速 Na⁺ 通道的能力与兴奋时的膜电位有关。当膜电位接近静息膜电位时，几乎所有 Na⁺ 通道都关闭且可立即开放，并发生大量 Na⁺ 内流（高 dV/dt_max）。然而，如果膜电位负值较小，部分 Na⁺ 通道将处于失活状态，无法立即重新开放，对兴奋的反应较弱（dV/dt_max 较低）。如果静息膜电位过于正，细胞可能根本无法被兴奋。

第 1 相 AP 发生于 Na⁺ 通道失活与 I_to1 和 I_to2 激活时。I_to1 在这里起重要作用，决定早期复极化斜率，贡献于 AP"切迹"。第 2 相，膜电位相对稳定（平台），由 Ca²⁺ 内向与 K⁺ 外向通量之间的电导平衡所决定。NCX 电流与钠钾泵电流（I_Na,K）在第 2 相也起次要作用。重要的是在第 2 相期间，膜电位由内向与外向电流之间的精细平衡维持，但"平台"期的膜阻抗相当高，因为方向相反的电流各自幅度相对较小。第 3 相是 AP 的"快速复极化"相，由 LTCC 关闭与慢延迟整流通道持续开放引起。延迟整流 K⁺ 通道在膜电位恢复到约 −80 mV 时最终关闭，而 I_K1 在整个第 4 相持续导通，贡献于静息膜电位的设定。

心脏自律性细胞。所谓自律性细胞是显示自发性舒张去极化的特化细胞（起搏细胞）。这些细胞位于 SAN 中心与房室结（AVN）。这些细胞的 AP 分为三个相位（图 7.3）。第 4 相是触发 AP 本身的自发性去极化，一旦膜电位达到阈值（在 −40 与 −30 mV 之间）。第 4 相去极化由舒张期激活的净内向电流驱动，包括超极化激活起搏电流（I_f）、背景 Na⁺ 电流、持续内向电流、T 型与 L 型 Ca²⁺ 电流以及 Ca²⁺ 释放激活的 Na⁺-Ca²⁺ 交换电流（I_NCX）。虽然这些电流对舒张去极化的相对贡献仍有争议，但 I_f 在介导自主神经递质的心率调节以及老化和心力衰竭中的心率减慢方面起关键作用。与工作肌细胞不同，这些细胞中第 0 相去极化主要依赖于第 4 相末期开放 LTCC。当 I_f 与 T 型 Ca²⁺ 电流在 0 相中因各自通道关闭而下降。由于通过这些通道进入细胞的 Ca²⁺ 运动缓慢，起搏细胞中上升支远慢于工作肌细胞（低 dV/dt）。第 3 相发生于 K⁺ 通道开放时，从而产生超极化外向电流。同时，LTCC 失活并关闭，减弱内向去极化电流，促成进一步膜复极化。

7.10 动作电位产生的决定因素（Determinants of Action Potential Generation）

心脏 AP 由一个将膜去极化到全或无反应触发点的刺激启动。当膜被去极化到该阈值电位时，AP 由工作肌细胞中 Na⁺ 通道开放（结细胞中由 Ca²⁺ 通道开放）触发。刺激电流能否诱发 AP 取决于该电流使细胞去极化的效力。这又由多个"安全因子"决定，包括刺激幅度、耦联电阻与细胞兴奋性。在心脏中，肌细胞通过间隙连接相连，间隙连接是允许离子以低电阻容易通过的蛋白，到达耦联的相邻细胞。因此 AP 启动严格依赖于肌细胞的兴奋性，这由阈值膜电位与静息膜电位之差、输入电阻以及膜离子通道的可利用性决定。心房肌细胞与心室肌细胞相比显示不同的兴奋性，原因在于心室细胞内向整流 K⁺ 电流（I_K1）幅度大得多以及心房肌细胞中可利用的内向 I_Na 电流明显较低。这些差异可能在允许心房细胞被自动性正常区域（如窦房结）一致激活方面很重要，而具有较低兴奋性水平的心室肌细胞会抑制来自异常自动性区域（如异位灶）的 AP 启动。

AP 被触发后，心肌细胞在某一持续时间内（略短于动作电位本身时程）不能启动另一 AP。该时段称为不应期。不应期通常细分为绝对不应期，即无论施加多大刺激都不能启动第二个 AP 的时段；以及相对不应期，即紧随绝对不应期之后启动第二个 AP 受抑制但并非不可能的时段。当临界数量的 Na⁺ 通道不可用于全或无反应（因失活）时，肌细胞处于"绝对"不应期。Na⁺ 通道在激活后以及去极化期间保持失活状态，直到膜超极化，此时它们转变为关闭状态并经历去失活，重新获得在刺激反应下开放的能力。在相对不应期，足够数量的 Na⁺ 通道已从失活中恢复，但膜的 K⁺ 电导足够高，需要大幅刺激才能达到第二个 AP 的启动阈值。

7.11 动作电位的传播与电通讯（Action Potential Propagation and Electrical Communication）

心脏搏动严格依赖于电波在心肌中的有序扩散。心脏的电激活通常始于 SAN。SAN 产生的信号跨右心房与左心房扩散，刺激它们收缩。电兴奋最终到达房室结（AVN），即位于心房与心室之间的一束特化细胞，作为这两组织间的"电桥"。由于 Ca²⁺ 通道依赖性结细胞的缓慢传导造成延迟后，电信号在 AVN 心室侧出现，并通过特化的电缆（希氏束与浦肯野纤维）传导，以快速沿两心室的心内膜表面传播。希氏束之外，电缆分为两支：左束支与右束支。左束支较短，分为左前分支与左后分支。左后分支宽而呈扇形并具有双重血供，使其相对耐受缺血性损害。电兴奋然后进入收缩性心肌——一个功能性合体，每一细胞通过间隙连接与相邻细胞电耦联。结果电冲动在每个方向上自由地在细胞间传播，因此心肌作为单一收缩单位起作用。当电激活通过希-浦系统快速绕两心室心内膜表面扩散时，机械收缩同步而高效地发生。

间隙连接是膜的特殊区域，具有密集排列的称为连接子的通道，连接子以端对端对接并直接连接两个相邻肌细胞的胞质区。间隙连接的数量、大小与空间分布在决定不同心脏组织的传导特性中起重要作用。连接子由六个称为连接蛋白（connexins）的单体组成。室肌细胞中表达三种连接蛋白：连接蛋白 40（Cx40）、连接蛋白 43（Cx43）和连接蛋白 45（Cx45）。Cx43 在肌细胞电传导中起主要作用，而 Cx45 因表达水平较低可能不太重要。Cx40（一种与高电导通道相关的连接蛋白）主要在束支与浦肯野纤维系统中表达。

通常，心室的电激活始于心内膜下浦肯野网络并通过心室壁向外传播。虽然心外膜最后被激活，但它比心内膜复极更快；结果复极沿相反方向进行，从心外膜到心膜。在完整心脏中，由于细胞间电耦联，AP 产生的电流作为相邻细胞（sink）的兴奋电流。相邻静息细胞（sink）由源激活。源电流与下游细胞实际需要的电流之间的不平衡会造成源-汇失配。这可能源于源电流的改变（如工作肌细胞中 Na⁺ 通道阻断或结细胞中 Ca²⁺ 通道阻断）或汇特征的变化（如缺血与 I_K,ATP 通道的激活）。

冲动传播也高度依赖于组织结构排列与波前几何。肌细胞结构是不对称的，成年肌细胞平均长度为 100–150 μm、宽 15–25 μm，细胞的排列使组织具有结构各向异性。各向异性因间隙连接分布模式而进一步增强，横向传播速度（θ_t）低于纵向速度（θ_l），θ_l 与 θ_t 之比在心室为 2.7、在心房界嵴可达 12。心脏结构还存在由结缔组织条带（在病变心脏中表现为电阻屏障）造成的进一步各向异性。冲动传播成功取决于三个因素：兴奋细胞（引导细胞）提供的耦联电流、耦联电阻（包括内外电阻率）以及跟随细胞的膜兴奋性。在正常心室中，来自 SAN 的兴奋可因低耦联电阻而安全传导。然而，在疾病情况下，电阻因间隙连接改变与纤维化而显著增加，驱动动作电位早期复极相中嵌入的耦联电流对于确保相邻肌细胞 AP 成功启动变得至关重要。早期 AP 复极时程的内在跨壁梯度对于成功维持 AP 从心内膜到心外膜（生理传导方向）的传导很重要。然而，在结构性心脏病的情况下，心内膜与心外膜心室肌细胞中 AP 复极的早期时程都延长（跨壁梯度消失）。这些变化可能具有致心律失常性，因为来自心外膜的异常冲动的传导相对容易。

值得指出的是，在心脏中肌细胞占总细胞不到三分之一，虽然它们占据约三分之二的结构空间；心脏中绝大多数细胞是成纤维细胞，仅占据一小部分体积（5%）。在老化或损伤应激反应下，静止的成纤维细胞分化为肌成纤维细胞并增殖、分泌胶原。胞外基质蛋白的沉积形成减慢传导速度并促进波裂的结构屏障。此外，肌成纤维细胞具有与肌细胞形成间隙连接的潜力，并直接影响肌细胞的电生理和电传导。当成纤维细胞与肌细胞耦联时，早搏引起折返的易感性可大幅增强，因为这种成纤维-肌细胞耦联抬高肌细胞静息电位，促进成纤维细胞富集区域的复极后不应性并促进局部波阻滞与折返。这一机制可能促成纤维化心脏特征性的促心律失常表型。

本章个人批注

本章是 Ch6 心脏泵功能概述之后的分子电生理基础章节。与 Ch5 超微结构（讲肌节、T 小管、SR、线粒体的形态学）不同，Ch7 进入功能层面：动作电位（AP）的离子基础、AP 产生与传播的分子机制。这种"从形态到电生理"的过渡与全书的整体推进一致——Ch1–Ch6 奠定了"心脏是什么"和"心脏怎么作为泵工作"，Ch7–Ch9 则开始回答"心脏的电信号如何产生、调控、整合"。

作者把"膜电位 = 各离子贡献的加权和"这一基本公式讲得非常清楚。Na⁺/K⁺-ATPase 的产电性（每泵出 3 Na⁺/泵入 2 K⁺，净外运 1 个正电荷）是一个很巧妙的细节——大多数读者习惯把 Na⁺/K⁺ 泵想成"维持离子梯度"，但作者明确指出它本身是产电的（electrogenic），是动作电位各时相之间离子流重新平衡的重要执行者。这是一个读 Ch6 时不会注意到但读 Ch7 时回头看才发现的概念。

通道类型三分法（电压门控/配体门控/机械敏感）以及"按门控分 + 按离子分"的双重分类方式，对读后续章节（Ch8 GPCR、Ch9 RTK、Ch12 E-C 耦联）都有帮助。Ch7 中的 HCN 通道、I_KATP、I_KACh 等"非主流通道"在 Ch8–Ch9 的受体调控语境下会再次出现；Ca²⁺ 通道的 β 亚基和 PKA 磷酸化在 Ch11 Ca²⁺ 平衡与 Ch12 E-C 耦联中将进一步展开。LTCC 的"电压依赖性激活 + Ca²⁺ 依赖性失活"双重门控机制是 Ch12 钙致钙释放（CICR）概念的前置知识。

作者引述了不少遗传学发现（SCN5A → Brugada；KCNQ1/KCNE1 → LQT1/LQT5；HERG → LQT2；HCN4 → 病态窦房结综合征）——这些把"分子通道缺陷"与"临床心律失常"直接联系起来的论述是 Ch7 之后到 Ch40–Ch42 各种心律失常机制章节的桥梁。

与上下章的衔接（一段话）

Ch6 介绍了心脏作为泵的解剖、生理与心输出量调节机制，但其对电生理的讨论止于"心肌同步收缩对产生腔内压力至关重要"。Ch7 接下来系统回答"心脏电信号是怎么产生、怎么传播的"，把"电"的物理化学基础（膜电位、平衡电位、Nernst 方程）、分子装置（各种离子通道及其基因）、以及细胞层面的电生理（动作电位的五个相位、自律性、绝对/相对不应期）、组织层面的传播（SAN → 心房 → AVN → 希-浦 → 心室肌、间隙连接、源-汇匹配、跨壁梯度）一层层讲清楚。承接 Ch6 关于"心脏如何同步收缩"的悬念，Ch7 提供了分子层面的解释；同时，Ch7 末尾"成纤维细胞-肌细胞耦联致心律失常"与 Ch29 心脏纤维化、Ch40 心律失常结构基础直接呼应。Ch7 之后的 Ch8（GPCR）和 Ch9（RTK）将进一步讨论心脏受体信号如何调节这些离子通道与电生理事件，将本章奠定的分子电生理推向"信号调控下的电生理"。