心脏生理学基础

第四节　心脏生理学基础

心脏是一个主要由心肌纤维组成的空腔器官，其每个腔的入口或出口处具有瓣膜结构，它是人体血液循环的动力装置。心脏在每个心动周期中射血一次，收缩期将血液射入动脉，舒张期将静脉血抽吸、充盈心脏。心脏的机械工作性质类似水泵，故将心脏视为具有泵血功能的肌性器官。心脏通过其自动节律性舒缩活动，使心瓣膜产生相应的开启和关闭，推动血液沿单一方向进行循环流动。

一、心肌收缩与舒张特性

（一）心肌收缩特性

心肌收缩性（cardiac contractility）是指不依赖心脏负荷的、心肌本身产生的收缩性能，是指心肌收缩蛋白等成分本身所处的功能状态。心肌收缩性是与收缩蛋白的生化反应和能量释放速度密切相关的一种内在性质，它反映了心肌纤维缩短的程度或产生张力的大小，且以心肌纤维缩短的速度或张力发展的速度为测量指标。心肌收缩性又称为心肌变力状态（inotropic state），它与前、后负荷无关。

心肌的收缩物质是组成粗、细肌丝的心肌蛋白。粗肌丝的主要成分是肌球蛋白（myosin），其分子质量约500ku，全长150nm（1500Å）。一端为杆状的尾部，另一端为粗大的头部（S1），两者之间是能弯曲的颈部（S2）。头部又分成两片，是ATP酶的活动中心，它在肌动蛋白和肌球蛋白之间的搭桥和粗细肌丝之间的滑行中起着重要作用。细肌丝的主要成分是肌动蛋白（actin），分子质量47ku，分子呈球状，串联而成双链螺旋状的细肌丝纤维。在双链间的沟槽内，杆状的原肌球蛋白（tropomyosin）和肌动蛋白卷曲在一起，每距40nm（400Å）处还有一个肌钙蛋白（troponin）分子。原肌球蛋白和肌钙蛋白是调节蛋白，本身不起收缩作用，但能调节肌动蛋白与肌球蛋白的联结，而使心肌纤维发生收缩和舒张。肌钙蛋白（cardiac troponin，cTn）是由三种不同基因的亚基组成，包括了肌钙蛋白T（cTnT）、肌钙蛋白I（cTn I）和肌钙蛋白C（TnC），在心肌兴奋收缩偶联中起重要作用。

心肌收缩性受到心肌Ca²⁺代谢转运、心脏能量代谢、胞外基质中的基质金属蛋白酶的影响，Ca²⁺有助于调节活化横桥数和肌球蛋白的ATP酶活性；粗肌丝上的横桥，只有与细肌丝的肌纤蛋白结合形成横桥联接并活化，才能导致肌丝滑行并产生收缩力。凡能增加胞质Ca²⁺浓度、肌钙蛋白Ca²⁺亲和力的因素，均可增加活化横桥的比例，导致收缩能力的增强。若Ca²⁺代谢转运障碍、能量代谢障碍、基质金属蛋白酶增加均易促使心力衰竭发生。

临床使用的左心室泵血功能的指标（如心排血量等）均受前后负荷的影响，不能直接反映心肌的收缩性。生理学测试离体心肌的长度张力曲线，或根据在体心肌的心室压力容积曲线的移位可以了解心肌收缩性。可靠的心肌生理学指标有离体心肌的张力变化速率（Dt/dt）和心肌长度变化速率（Dl/dt）；对心导管测得的在体心脏等容室内压变化速率（dp/dt）、心室容积变化速率（dv/dt）等，不过须通过心导管测量。目前可以利用连续波多普勒测量二尖瓣反流速度曲线加速段最大上升速率，无创伤性地测得的dp/dt与心导管测量的左心室压力最大上升速率相关性较好。

（二）心肌舒张特性

左心室舒张功能包括了心室的主动松弛和舒张充盈。舒张功能受损时心肌细胞内钙转运异常导致胞质舒张期钙浓度的增加，钙离子平衡异常导致舒张期Ca²⁺超载降低了主动松弛，使心室僵硬度增高。心肌细胞的骨架蛋白如微管、中间肌丝、微肌丝等的异常改变是影响舒张功能的重要因素，舒张功能异常时，同型肌联蛋白（titin）亚型（N₂B）显性表达明显增加；超声可以测及左心室舒张功能异常原因之一就是心肌黏弹性的改变，心肌细胞内的肌联蛋白、微管和胞外胶原纤维均会影响心肌黏弹性。胞外基质（胶原纤维、基底膜蛋白、蛋白多糖等）的增多也可使心肌黏弹性降低。心肌的松弛（舒缓、弛缓）是一个耗能的过程，心肌松弛时，Ca²⁺被摄入肌质网、ATP和受体蛋白被磷酸化，当心肌出现缺血缺氧、能量代谢障碍使心肌松弛过程发生障碍。另外，肾素血管紧张素系统，交感神经系统等神经体液因子也与心肌舒张功能改变。心内膜下间质纤维化、内膜下心肌缺血而心外膜下间质、心肌正常，则可能是左心室舒张性心力衰竭患者保持正常射血分数的物质基础。斑点成像等新技术有利于检测分层心肌的应变与应变率，检出心内膜下心肌的收缩功能异常。间质纤维化导致心肌纵向的、径向的应变能力降低，心脏收缩功能减退。此外，心脏的前负荷、后负荷及心包、心房等因素也可能限制或减少心室的充盈，引起舒张期末左心室内压升高。

二、心搏出量与心排血量

每搏量、心排血量、射血分数等均属评估心脏泵血功能的指标：

每搏量（SV）（单位：ml）=舒张期末容积（EDV）-收缩期末容积（ESV）

射血分数（EF）（单位：%）=每搏量（SV）/左心室舒张期末容积（EDV）×100%

心排血量（CO）（单位：L/min）=每搏量（SV）×心率

每搏量为左心室每一次心搏射出的血液量，心排血量为左心室每分钟排出的血液总量，正常为3.4～5.5L/min。心排血量是搏出量与心率的乘积，心率增快，心排血量增加，但这有一定的限度。心排血量与机体的代谢水平相适应，并随性别、年龄和各种生理情况不同而有差异。射血分数为每搏量与左心室舒张期末容积的比值，是目前心血管临床常用的左心室功能观察指标之一。多数文献与专业书认为，左心室整体收缩功能异常时，射血分数<50%。左心室泵血是由左心室前负荷、后负荷、心肌收缩力及心率共同作用下所产生的，故左心室的整体收缩功能参数反映其左心室的心泵功能状态。

三、心脏瓣膜的作用

人类的心脏有四组瓣膜，为薄而坚韧的片状组织结构，它们分别是两组半月瓣（主动脉瓣、肺动脉瓣）、两组房室瓣（二尖瓣、三尖瓣）。瓣膜起着单向阀门的作用，使心脏的血流只能向一个方向流动，还具有防止血液倒流的作用。瓣膜随着心脏节律性的收缩与舒张活动，进行开放和关闭，达到前向泵血的功能。

（陈　明　郑东燕）