Chaptor 4 Blood Circulation

Circulatory system or Cardiovascular system

The Heart 4 chambers ( or compartments ) 2 upper chambers : Left Atrium Right Atrium 2 lower chambers : Left Ventricle 　　 　 Right Ventricle

二尖瓣 三尖瓣 心肌

How does this system work? pulmonary artery pulmonary vein lungs head & arms aorta main vein Right Left liver digestive system kidneys legs Circulatory System

Heart Facts Hold out your hand and make a fist. If you're a kid, your heart is about the same size as your fist, and if you're an adult, it's about the same size as two fists. Your heart beats about 100,000 times in one day and about 35 million times in a year. During an average lifetime, the human heart will beat more than 2.5 billion times. Give a tennis ball a good, hard squeeze. You're using about the same amount of force your heart uses to pump blood out to the body. Even at rest, the muscles of the heart work hard--twice as hard as the leg muscles of a person sprinting.

4.1 Pumping Function of Heart (heart as pump) 4.1.1 心脏泵血的过程和机制 4.1.1.1 Cardiac Cycle 　　心动周期:心脏一次收缩和舒张，构成一个机械活动周期，称为心动周期。 　　正常成年人心率平均每分钟75次，每个心动周期持续0.8s。

一个心动周期中: 1）两心房首先收缩(0.1s)，继而舒张(0.7s) 2）心房收缩后心室收缩(0.3s)，随后进入舒张期(0.5s)

包括等容收缩期、快速射血期和减慢射血期。 4.1.1.2 心脏泵血过程 1．心室收缩期 包括等容收缩期、快速射血期和减慢射血期。 (1)等容收缩期(period of isovolumic contraction)： 其特点是室内压大幅度升高，且升高速率很快。这一时相持续 0.03s左右。 　产生第一心音。

（2）快速射血期(period of rapid ejection)： 特点：时间占射血相1/3左右，射血量占总射血量的2/3左右。持续0 （2）快速射血期(period of rapid ejection)： 特点：时间占射血相1/3左右，射血量占总射血量的2/3左右。持续0.11s左右。由于大量血液进入主动脉，主动脉压相应增高。 （3）减慢射血期(period of slow ejection)： 特点：时间占射血相2/3左右，约0.16s。心室内压和主动脉压都相应由峰值逐步下降。

2．心室舒张期 (l)等容舒张期(period of isovolumic relaxation)： 特点：心室内压急剧下降。房室瓣和动脉瓣均关闭，持续时间约 0.03s—0.06s。 产生第二心音。

(2) 快速充盈期(period of rapid filling)：占舒张期的前1/3，占总充盈量的2/3， (3)减慢充盈期(period of reduced filling)：约 0.22s，占总充盈量的1/3。此后，进入下一个心动周期。 心房开始收缩并向心室射血，心室充盈又快速增加。亦有人将这一时期称为心室的主动快速充盈相(占时0.1s)。

注意:一个心动周期中，右心室内压变化的幅度(射血时达3. 2kPa或24mmHg)比左心室(射血时达17 注意:一个心动周期中，右心室内压变化的幅度(射血时达3.2kPa或24mmHg)比左心室(射血时达17.3kPa或130 mmHg ) 要小得多。

4.1.1.3　心动周期中心房内压力的变化

4.1.1.4　心音的产生 心肌收缩、瓣膜启闭、血液流速改变形成的涡流和血液撞击心室壁及大动脉壁引起的振动，可通过周围组织传递到胸壁，用听诊器便可在胸部某些部位听到，这就是心音（heart sound) 第一心音：标志心室收缩开始 第二心音：标志心室舒张开始 第三心音：心室壁和瓣膜振动产生 第四心音：心房音（atrial sound） 临床：心音听诊

4.1.2　心脏泵血功能的评定 4.1.2.1 心脏的输出量 每搏输出量(stroke volume)和射血分数(ejection fraction) 一次心跳一侧心室射出的血液量，称每搏输出量，简称搏出量

射血分数 (Ejection Fraction) 舒张未期容积end-diastolic volume与收缩末期容积end-systolic volume之差，即为博出量。搏出量占心室舒张末期容积的百分比，称为射血分数。健康成年人搏出量较大时，射血分数为55％一60％。 在评定心泵血功能时，射血分数较单纯用博出量可靠。

每分输出量(minute volume)和心指数(cardiac index)： 　　每分钟射出的血液量，称每分输出量，简称心输出量cardiac output，等于心率与博出量的乘积。左右两心室的输出量基本相等。 健康成年男性静息状态下：心输出量约为：75×70ml=5L/min,剧烈运动时可高达25—35L／min，麻醉情况下则可降低到2.5l／min。

心指数(Cardiac index)： 以单位体表面积(m2)计算的心输出量，称为心指数；中等身材的成年人体表面积约为1. 6一1 心指数(Cardiac index)： 以单位体表面积(m2)计算的心输出量，称为心指数；中等身材的成年人体表面积约为1.6一1.7m2，安静和空腹情况下心指数约为3.0一3.5L／min﹒m2。安静和空腹情况的心指数，称之为静息心指数，是分析比较不同个体心功能时常用的评定指标。

Heart Rate can be determined using a Stethoscope [‘steθə,skəʊp ]

4.1.2.2　心脏作功量 (Cardiac Work) 　　每搏功(Stroke work) ：心室一次收缩所作的功。可以用搏出的血液所增加的动能和压强能来表示。 心脏射出的血液所具有的动能在整个搏功中所占比例很小，可以略而不计。搏出血液的压强能可用平均动脉压表示。 平均动脉压＝舒张压十(收缩压一舒张压)×1/3。 　　计算左室搏功的简式如下： 　　博功(J)＝搏出量(L)×血液比重×(MAP-平均左房压mmHg)×13.6×9.807 ×(1/l000) 　　博功乘以心率即为每分功。

心肌的耗氧量与心肌的作功量相平行，心肌收缩释放的能量主要用于维持血压。作为评定心泵血功能的指标,心脏作功量要比单纯的心输出量更为全面。

4.1.3 影响心输出量的因素 心输出量取决于心率和搏出量，凡能影响心率和搏出量的因素均可影响心输出量。 4.1.3.1 前负荷 　　心输出量取决于心率和搏出量，凡能影响心率和搏出量的因素均可影响心输出量。 4.1.3.1 前负荷 preload End-diastolic pressure End-diastolic volume

_________

在心肌，充盈压12-15mmHg(16-20cmH2O)是人体心室最适前负荷，心室功能曲线大致可分三段 ① 在最适左室充盈压前，搏功随充盈压增加而增加。 ② 前负荷在上限范围内变动时对泵血功能的影响不大。 ③ 正常心室充盈压即使超过2.7kPa(27cmH2O),搏功不变或仅轻度减少。

在搏出量的这种调节机制中，引起调节的因素是心肌细胞本身初长度的改变，其效应是心肌细胞收缩强度的改变，因此将这种形式的调节称为异长(自身）调节(Heterometric autoregulation) 通常情况下，左室充盈压约为0.7-0.8kPa (5-6mmHg)，表明心室具有较大程度的初长度贮备，异长调节机制使泵血功能增强的允许范围是很宽的

Cardiac muscle skeletal muscle

在体情况下的异长自身调节： 心室舒张时间延长(如心率下降）、静脉回流速度↑ →静脉回心血量↑ →心室舒张末期容积↑ →心肌初长度↑ →心肌收缩强度↑ → 心搏出量↑ 异长自身调节的生理意义 ①维持搏出量与回心血量之间的平衡 ②对搏出量进行精细调节

异长调节也称为 Starling机制，心室功能曲线也可称为 Starling曲线。Starling机制的主要作用是对搏出量进行精细调节。而对于持续的、剧烈的循环功能变化，主要靠心肌收缩能力的变化来调节，这时异长调节机制的作用不大。

4.1.3.2 后负荷对心输出出量的影响 Effect of after-load on cardiac output 　　对心室而言，动脉压起着后负荷的作用 ① 在心率、心肌初长度和收缩能力不变的情况下： 动脉压↑→等容收缩相室内压峰值↑→等容收缩相延长，射血相缩短，射血速度减慢→搏出量↓。 ② 继发影响（A）后负荷↑→搏出量↓→心室射血末期剩余血量↑→心室舒张末期容积↑→心肌初长度↑→异长自身调节→搏出量↑（恢复）。 长期高血压可导致心肌肥厚以至心衰

临床：长时间的后负荷增加，导致心肌肥厚

4.1.3.3 心肌收缩能力改变对搏出量的调节 心肌收缩能力(myocardial contractility) 4.1.3.3　心肌收缩能力改变对搏出量的调节 心肌收缩能力(myocardial contractility) 指心肌不依赖于负荷而改变其力学活动(包括收缩活动的强度和速度)的一种内在特性，又称为心肌变力状态(inotropic state)。心脏泵血功能的这种调节是通过收缩能力这个与初长度无关的、心肌内在功能变数的改变而实现的，被称等长调节（homometric regulation)。 以上因素引起心肌收缩和心脏泵血功能改变的原因不是心肌初长度的变化，而是通过改变contractility 。

影响心肌收缩能力的主要因素： ① 活化横桥数； ② 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分子结合形成横桥联接并活化，才能导致肌丝滑行并产生力。活化横桥数与最大横桥数的比例，取决于兴奋后胞浆Ca2+浓度的升高程度和肌钙蛋白对Ca2+的亲和力大小

交感神经兴奋（儿茶酚胺）导致心肌 等长收缩：最大张力和张力上升速率↑ 等张收缩：收缩幅度↑，缩短速度↑ 完整心室：搏出量和搏功↑，心脏泵血功能↑ 而副交感神经兴奋（ACh）作用相反。

_________

当人体处于兴奋状态，以及准备“格斗或逃跑”的时候，交感神经系统受到刺激。在心脏，肾上腺髓质激素肾上腺素(epinephrine [‘epi,nefrin] ，E)或交感神经递质去甲肾上腺素(norepinephrine [,nɔrepi’nefrin] ，NE)水平的增加会激活心肌细胞上的肾上腺素受体，激活腺苷酸环化酶，增加cAMP，促进心肌细胞中多种蛋白的cAMP依赖的磷酸化。

L型电压门控的Ca2+通道(与触发器 Ca2+的内流有关)和称为受磷蛋白的 与 SERCA相关联的蛋白都通过cAMP依赖性蛋白激酶得到磷酸化。 SERCA, or sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase, is a calcium ATPase-type P-ATPase. SERCA是心肌肌浆网Ca2+-ATP酶

这些磷酸化的综合效果是增加了SR中Ca2+的总量。特别是，肌膜 Ca2+通道的磷酸化会导致更多的触发器Ca2+进入细胞，而受磷蛋白的磷酸化则会提高SERCA的活动性，使得 Ca2+通过3Na+-Ca2+逆向转运体和肌膜Ca2+泵被排出之前，SR能积聚更多的Ca2+。 这些过程的综合效果是， SR能在下一次动作电位到来的时候，将更多的Ca2+释放到胞质内，促进更大程度的肌动蛋白一肌球蛋白相互作用，并产生更大的收缩力。 由交感刺激诱导的 SERCA活动性的增加也会由于SR对Ca2+的快速重积聚而导致短暂的收缩。这会使心脏收缩频率提高。交感刺激的另一个结果是其直接作用在起搏细胞上而导致心率增加

4.1.3.4 心率对心输出量的影响 Effect of heart rate on cardiac output 心输出量＝搏出量×心率 心率轻度加快时，心输出量增加 心率过快时(>170-180次/min),心输出量降低 心率过慢时(<40次/min),心输出量降低 体温和心率：升高1℃，心率增加12-18次/分

4.1.4 心泵功能的贮备 Reserve of cardiac pump function 心脏每分钟能射出的最大血量,称最大输出量。健康人约为静息时的5-6倍 心输出量随机体代谢而增加的能力, 称泵功能贮备,或心力贮备。 心率贮备:2倍 搏出量贮备： 收缩期贮备：约55-60ml； 舒张期贮备：约15ml。

正常成人在安静状态下的平均心率约为70次/min，而儿童的心率明显增加。睡眠时，心率每分钟减少10～20次。运动或情绪兴奋时，心率可完全超过100次/min。各种心力衰竭和发热患者表现出很高的心率。受到良好训练的运动员在安静状态下的心率往往很慢，约45次/min。

4.2 Bioelectrical activity and Physiological Properties of heart 心房肌细胞 心室肌细胞 浦肯野细胞 窦房结细胞 Working cell Autorhythmic cell Fast response Slow response 根据组织学特点、电生理特性及功能上的区别 根据动作电位去极相的快慢

心脏的特殊传导系统组成和分布 Atrium 心房 Ventricle 心室 窦房结:P细胞及过渡细胞 房室结:房结区,结区,结希区 房室束 左束支 右束支 心脏的特殊传导系统组成和分布

4.2.1 Myocardium(心肌） membrane potential and its mechanism 4.2.1.1 工作细胞的跨膜电位和形成机制 静息电位（Resting Potential,RP）：约-80 ~ -90mV 形成机制与骨骼肌细胞相似 Ik1通道

动作电位（Action Potential,AP）： 与骨骼肌细胞明显不同 主要分为5个时相：

心肌工作细胞动作电位的5个时相 时期 别 称 膜电位（mV） 时程（ms） 除极化期 –90→+30 1-2 1 快速复极初期 +30→0 别 称 膜电位（mV） 时程（ms） 除极化期 –90→+30 1-2 1 快速复极初期 +30→0 10 2 平台期 停滞在0 100-150 3 快速复极末期 0→–90 4 静息期 停滞在–90

动作电位的形成机制： 细胞膜两側的电化学驱动力，细胞膜相应离子通道开放为前提，进行跨膜转运。 外向电流(outward current) 内向电流(inward current)

0期：快Na+通道激活，并出现再生性 Na+ 内 快，幅度大，这类细胞称为快反应细胞 fast response cell)，其动作电位称为快 反应电位(fast response potential)。

快Na+通道的特点 ① 电压依从性，阈电位–70mV ② 激活快、失活也快。 ③ 可被TTX 或细胞膜的持续低极化状态阻断。

1期： Na+通道失活，Na+内流终止，出现一过性外向离子 流（Ito）也称瞬时外向电流(transient outward current) K+是Ito 电流的主要成分。 1期K+通道的激活造成k+短暂外流有两种原因：细胞内呈正电性；胞内[K+]大大超过胞外[K+]。带正电的离子瞬时外流导致细胞短暂而部分复极化(1期)。

2期：Ca2+内向电流和K+外向电流综合的结果 早期；外向电流=内向电流，膜电位0mV左右 晚期：外向电流＞内向电流，膜电位趋向降低 慢Ca2+ （L—型钙通道）通道的特点： ①电压依从性，阈电位–40mV。 ②激活慢、失活也慢。 ③可被异搏定、Mn2+阻断。

Ca2+在动作电位平台期通过Ca2+通道进入心肌细胞。Ca2+的激活和失活所需的时间都比快Na+通道长很多。 2期的平坦部分处， Ca2+的内流和K+的外流相平衡。K+外流主要通过介导ito、iK和iK1电流的通道。如先前所说， ito电流作用于1期，但直到2期结束时ito电流仍没有完全失活。

？ 用电压钳记录心肌细胞，得到负荷iK1的通道的电流-电压关系 当这个分离细胞的膜电位被钳制到负于-80 mV水平时，静电力大于化学力，产生内向K+电流。如果膜电位比-80 mV负得更多，包括EK这一点在内的K+电流曲线变得陡峭。因此，当膜电位等于或负于EK时，膜电位的微小改变可引起K+电流的很大变化，即gK很大。 ？ 当膜的钳制电位正于－80 mV时，化学力大于静电力。K+的净流是外向的，且此时的曲线相对平坦。当膜电位正于－30 mV，K+电流几乎为零。因此，处于动作电位平台期的膜电位时，K+通过iK1通道的外流微乎其微。相反，处于4期膜电位时，有明显的内向K+电流。因此，这种iK1电流是内向整流(inwardly rectified)的。

3期： K+外向电流。 Ca2+ 通道失活，Ca2+ 内流停止，同时细胞膜对K+通透性增加。在-60mv时Ik1激活，K+外流，复极加快。 4期：Na+–K+泵(3Na+交换2K+) Na+-Ca2+交换(3Na+交换1Ca2+)

1）内向电流逐渐增强； 2）外向电流逐渐减弱； 3）二者兼有 4.2.1.2自律细胞的跨膜电位及形成机制 自律细胞的特点：4期自动缓慢除极 由进行性净内向电流引起，产生原因包括： 1）内向电流逐渐增强； 2）外向电流逐渐减弱； 3）二者兼有

窦房结P细胞 窦房结细胞跨膜电位的特点： ①最大复极电位Maximum diastolic potential (-70mv)和阈电位(-40mv)较高。 ②除极结束时,不出现明显的极化倒转(0mV左右) ③ 0期除极幅度和速度小。 ④ 没有明显的复极1期和平台期。 ⑤ 4期自动除极速度快（为正常起搏点）。

窦房结细胞跨膜电位形成机制 0期：Ca2+内流； 3期：Ca2+内流减少、K+外流增加。 4期：自动除极 4期自动除极的机制：三种电流 ① Ik电流（ K+外流）:进行性衰减，最重要。 ② If电流: 在窦房结细胞可能作用不大，在浦肯野细胞中作用大 ③ T型钙通道的激活和钙内流(非特异性的缓慢内向电流)。

钙通道的种类： L型：Ica-L(long lasting)为0期和平台期的慢通道，阈电位-30~ -40mV，儿茶酚胺可影响。 T型：Ica-T(transient) 的阈电位-50~ -60mV，被镍阻断，不受一般的钙通道阻断剂和儿茶酚胺的影响。

插入图4-11，P92

浦肯野细胞 浦肯野细胞跨膜电位和心肌工作细胞的0、1、2、3期的形状、幅度及形成机制类似，但存在4期自动除极。 （3期复极末膜电位的最大值称最大复极电位）

浦肯野细胞自动除极的形成机制： 1.主要为If (funny)内向电流，特点 ①随时间推移而逐渐增强。 ②复极电位达-55mV左右开始被激活 -100mV左右充分激活。(见图) ③主要由Na+内流所产生(非选择性正离子通道)。 ④ 可被铯（Cs）所阻断。 2.逐渐衰减的外向K+电流（次要）。

4.2.2 physiological Properties of myocardium 心肌的四种生理特性： 兴奋性(excitability) 自律性(autorhythmicity) 传导性(conductivity) 收缩性(contractivity)

4.2.2.1 excitability 兴奋性的周期性变化 ⑴ 有效不应期：（Effective refractory period ERP）：0期开始复极-60mV， 包括绝对不应期，局部反应期 ⑵ 相对不应期（Relative refractory period RRP）：–60mV  -80mV ⑶ 超常期（Supra normal period，SNP）：-80mV  -90mV

有效不应期： (effective refractory period)：除极0mV复极-60mV。 绝对不应期(absolute refractory period，ARP) : 0期开始复极-55mV，兴奋性为零。 局部反应期：复极-55mV复极-60mV,可发生局部兴奋，无AP

相对不应期（relative refractory period） 兴奋性低于正常，Na+通道处于复活状态，但并未完全复活，高于阈值的强刺激可诱导期前兴奋 期前兴奋的特征： 一种可转播的AP，但比正常的AP小 0期速度慢、幅度小 传导性低 AP持续时间短

插入图34-9，P1140

超常期(supranormal period)： 兴奋性比正常高，膜电位绝对值比RMP低 离阈电位水平近，产生的AP比正常小 其去极化的速度和幅度由RMP决定 Na+通道的复活由膜电位所决定

影响兴奋性的因素 1. 静息电位水平 2. 阈电位水平 3. Na+通道的性状： 激活( activated) 失活(inactivated) 备用(resting)

兴奋性周期性变化与心肌收缩活动的关系 ⑴ 不发生强直收缩 ⑵ 期前收缩与代偿间歇(compensatory pause)

4.2.2.2 autorythmicity 心脏的起搏点 窦房结：约90-100次/分 房室结：约40-60次/分 浦肯野纤维：约15-40次/分 正常起搏点(pacemaker)和窦性心律sinus rhythm 潜在起搏点、异位起搏点 窦性心率

窦房结对潜在起搏点的控制机制 ①抢先占领(capture) ②超速驱动压抑(overdrive suppression) 其程度决定于： 二者间自动兴奋的频率差别： 频率差大，则压抑效应强。 B. 超速驱动的时间： 时间长，则压抑效应强

影响自律性的因素: (1) 最大复极电位水平与阈电位之间的差距 (2) 4期自动除极的速度

4.2.2.3 Conductivity 心脏内兴奋传搏的途径和特点 Gap junction preferential pathway 衡量传导性的指标：动作电位沿细胞膜传播的速度 心脏内兴奋传搏的途径和特点 Gap junction preferential pathway

房室延搁(0.1s) 及其意义

影响传导性的因素 ⑴ 结构因素：心肌细胞的直径 缝隙连接数量 ⑵ 生理因素：心肌细胞电生理特性是决定和影响传导性的主要因素

0期除极化速度 ↑ → 局部电流产生的速率↑→ 除极化达到阈电位的时间 ↓ → 传导性↑ ① AP 0期除极的速度和幅度： 0期除极化速度 ↑ → 局部电流产生的速率↑→ 除极化达到阈电位的时间 ↓ → 传导性↑ 0期除极化幅度↑ → 局部电流强度↑ → 传播距离↑ → 传导性↑

② 邻近未兴奋膜的兴奋性 1）静息电位和阈电位的差距 2）邻近未兴奋膜决定0期除极的离子通道状态　 不应期是导致兴奋传导障碍的重要原因

4.2.2.4 Contractility

心肌收缩的特点 (1) 同步收缩 　相邻的心肌细胞是由闰盘连接，整个心室(或整个心房)可以看成是一个功能上互相联系的合胞体。 (2) 不发生强直收缩 (3) 对细胞外Ca2+的依赖性

4.2.3 体表心电图 心电图(electrocardiogram, ECG):反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。

17.4 心电图是重要的临床工具