正常的心脏冲动起自窦房结，顺序经过心房、房室结、房室束及浦肯野纤维，最后到达心室肌，引起心脏的节律性收缩。心脏活动依赖于心肌正常电活动，而心肌细胞动作电位（action potential，AP）的整体协调平衡是心脏电活动正常的基础。不同部位的心肌细胞其动作电位不完全一样。

心肌细胞按动作电位特征可分为两大类：快反应细胞和慢反应细胞。参与两类细胞动作电位的跨膜电流不同，导致其动作电位特征亦不同。

快反应细胞包括心房肌细胞、心室肌细胞和希-浦细胞，其动作电位0相去极化由钠离子内流介导，去极速度快、振幅大。快反应细胞的动作电位时程（action potential duration，APD）中有多种内向电流和外向电流参与，改变任何一种电流都会影响细胞的动作电位。快反应细胞以浦肯野细胞为代表，其动作电位时程中参与的电流和相关编码基因见图5-1。

主要发生在0期。在适宜刺激作用下，心肌发生兴奋，膜内电位由原来的-90mV上升到﹢30mV左右，形成动作电位的上升支。其产生机制：刺激使膜去极化达到阈电位（-70mV），大量Na ^﹢通道开放，Na ^﹢快速内流，使膜内电位急剧上升，达到Na ^﹢的电-化学平衡电位。0期历时1～2ms，参与此期的电流主要为I _Na。

包括1期、2期、3期、4期。

膜内电位由原来的﹢30mV迅速下降到0mV左右，历时10ms，此期形成的主要原因是K ^﹢外流，参与1期的电流主要为I _to1，2。

1期结束后，膜内电位为0mV左右，膜电位基本停滞在此水平约100～150ms，记录的动作电位曲线呈平台状，故此期称为平台期。2期的形成主要是因为Ca ^2﹢内流与K ^﹢外流同时存在，二者对膜电位的影响相互抵消。参与2期的电流主要为I _Ca、I _kr、I _ks。

膜内电位由0mV左右下降到-90mV，3期的形成是Ca ^2﹢内流停止，K ^﹢外流逐渐增强所致，参与3期的电流主要为I _kr、I _ks、I _K1。

此期膜电位稳定于静息电位，所以也称静息期。4期跨膜离子流较活跃，主要通过离子泵活动恢复兴奋前细胞内外离子分布状态，保证心肌细胞的兴奋性。I _K1参与维持心肌细胞的静息电位。

慢反应细胞的动作电位是内向电流和外向电流相互消长的结果，静息膜电位不稳定、容易产生去极化，因此自律性高。

Ca ^2﹢通道开放后，Ca ^2﹢内流增加，导致膜内电位上升，参与的电流主要为I _Ca。

K ^﹢外流增加，导致膜内电位下降，并达到最大复极电位，参与的电流主要为I _k。

舒张期自动去极化，K ^﹢通道关闭，K ^﹢外流逐渐减弱，同时Na ^﹢内流逐渐增多，膜内电位升高，参与的电流主要为I _Na-Ca、I _f、I _k。

无论是快反应细胞还是慢反应细胞，其动作电位时程中均有多种内向电流和外向电流参与，这些电流的变化都会引起细胞动作电位特征的改变，进而影响与心律失常发生密切相关的心脏电生理特性——自律性、传导性和兴奋性。心肌细胞膜上存在Na ^﹢、K ^﹢、Ca ^2﹢等离子通道，这些离子通道顺序开放并保持动态平衡是心脏电信号传导的基础。正常情况下，这些离子通道保持动态平衡，维持心肌细胞正常自律性、传导性、兴奋性及有效不应期。若这些离子通道蛋白结构或表达异常时，平衡失调，将产生心律失常。

心肌细胞中与AP形成相关的钠离子通道（sodium channels）为电压门控Na ^﹢通道，介导Na ^﹢内流，引起心肌细胞膜去极化，维持细胞膜的兴奋性和传导性。从结构上看，I _Na为α亚基和其他亚基组成的蛋白复合体。α亚基主要是 SCN5A基因编码的Nav1.5。I _Na通道蛋白的表达变化显著影响I _Na的结构和功能，进而影响心肌细胞膜AP以及心律失常的发生和发展。

心肌细胞中参与电信号转导的钙离子通道（calcium channels）主要为L型（I _Ca-L）和T型（I _Ca-T）Ca ^2﹢电流。从功能上看，I _Ca-L介导的Ca ^2﹢内流是心肌细胞AP平台期的基础，并介导慢反应细胞AP的0期去极化，而I _Ca-T对动作电位影响不明显。细胞膜I _Ca-L激活后，少量Ca ^2﹢进入细胞质并激活肌浆网上的雷诺定受体2（ryanodine receptor 2，RyR ₂）通道，诱导肌浆网释放大量Ca ^2﹢，触发兴奋-收缩耦联而引起细胞收缩。从结构上看，Ca ^2﹢通道蛋白复合体结构中的α1亚基为主要功能单位，参与该亚基表达的基因均可显著影响通道的结构和功能。其中由 CACNA1基因编码的I _Ca-LCav1.2亚基， CACNA1G和 CACNA1H基因编码的I _Ca-TCav3.1亚基、Cav3.2亚基以及 RyR ₂基因编码的RyR ₂通道均与心律失常的发生密切相关。

钾离子通道（potassium channels）是目前发现的作用相对复杂、亚型最多的一类离子通道，对维持心脏电稳定有重要意义，主要包括：

I _to是心肌细胞动作电位复极早期的主要电流，决定动作电位复极1期的幅度和形态，并影响其他离子通道的激活和失活过程，直接决定心电图中T波的形成。心房肌细胞中I _to通道蛋白的表达明显高于心室肌细胞，因此I _to通道主要参与房颤和房扑等室上性心律失常的发生。 KCND3基因编码的Kv4.3亚基和 KCNA4基因编码的Kv1.4亚基是I _to通道蛋白复合体的关键亚基。此外，K ^﹢通道结合蛋白2（potassium channel interacting protein 2，KChIP2）等结合蛋白也参与了I _to通道功能的调控。

I _K1是心肌细胞主要的背景外向电流。因该通道与K ^﹢的通透性和细胞的兴奋性有关，所以参与心肌细胞静息电位的维持和动作电位平台期的形成，阻碍细胞去极化时K ^﹢的外流。I _K1通道在心室肌细胞分布较多。从结构上看， KCNJ2基因编码的Kir2.1亚基是I _K1通道的主要功能单位。

I _Kr是心肌细胞主要的复极电流，决定复极2期的平台期并介导复极3期，是构成并影响APD的重要电流。I _Kr与心律失常的发生密切相关，是目前常用的Ⅲ类抗心律失常药物的作用靶点。从结构上看，I _Kr通道蛋白的α-亚基和β-亚基分别由人类ether-a-go-go相关基因（ hERG）和多态性Mink相关肽1（ MiRP1）基因编码。I _Kr/hERG通道功能异常可引起尖端扭转型室速，最终可导致心源性猝死。

I _Ks是参与心肌复极化的外向电流之一，其激活和失活均较慢，在心肌动作电位复极2期中具有关键作用。其表达与心律失常的发生和发展密切相关，可诱发长QT间期综合征（long QT syndrome，LQTs）和尖端扭转型室速，后者可转变为室颤并诱发心源性猝死。从结构上看，I _Ks的α-亚基和β-亚基分别由 KvLQT1和 Mink基因编码。

在人心房肌细胞中存在一种超快速延迟整流钾电流，激活时间仅50ms，其成分为外向钾电流。该电流在调控心房复极中起重要作用，与房性心律失常的发生密切相关。

I _f是非特异性阳离子电流，即由一种以上单价阳离子，如K ^﹢和Na ^﹢共同携带的离子电流。I _f为超极化激活的时间依赖性内向整流电流，是窦房结、房室结和希浦系统的电流之一。

I _KAch具有内向整流特性，主要存在于窦房结、房室结和心房肌细胞。激活后可以使心肌APD缩短，收缩力减弱。

NCX广泛分布于细胞膜上的一种膜转运蛋白。NCX通过对胞膜内Na ^﹢和Ca ^2﹢的双向转运，介导Na ^﹢内流、Ca ^2﹢外排的前向模式（forward mode）和作用相反的反向模式（reverse mode）。NCX的亚型中，NCX1在心肌中表达水平高，在心肌细胞静息时，NCX1以前向模式外排Ca ^2﹢，这是心肌细胞上主要的Ca ^2﹢外流系统，它与肌浆网钙泵和肌膜钙泵共同负责心肌舒张期Ca ^2﹢的清除，使心肌舒张。在心肌细胞去极化末期与复极化早期，NCX1呈反向模式，由NCX1和L型Ca ^2﹢通道转运入细胞的Ca ^2﹢共同触发肌浆网释放Ca ^2﹢。在心肌细胞复极化后期，NCX1又恢复为前向模式，降低细胞质内Ca ^2﹢浓度，促使细胞舒张。

肾上腺素能受体属于G蛋白偶联受体，可分为α和β两个亚型，其中β受体与心律失常密切相关。β受体激动时可活化腺苷酸环化酶（AC），使细胞内第二信使cAMP含量增加，进而激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）并使I _Ca磷酸化，增加心肌细胞膜上有效钙通道数量及Ca ^2﹢内流，使细胞自律性升高。

胆碱能受体分为毒蕈碱型受体（M受体）和烟碱型受体（N受体），其中与心律失常密切相关的为M受体。M受体属于G蛋白偶联受体，激活后能活化磷脂酶C（phospholipase C，PLC），促进三磷酸肌醇（inositol 1，4，5-triphosphate，IP3）和二酰甘油（diacylglycerol，DAG）形成，进而产生一系列生物学效应。同时，也可通过抑制AC的激活，促进K ^﹢外流，减少Ca ^2﹢内流。目前，M受体已被克隆出五个亚型，分别为M ₁、M ₂、M ₃、M ₄和M ₅，但各受体亚型分布、效应及分子机制各不相同。其中心脏M ₃受体的发现及其功能研究是近年来心血管药理学研究的一大进展，M ₃受体存在于鼠类心脏起搏点和动作心肌中，介导负性胆碱能作用，减慢窦性节律，缩短APD。

血管紧张素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）可以调节心脏收缩性、节律、代谢和结构。血管紧张素Ⅱ1型受体（AT ₁受体）为AngⅡ受体的一个亚型，主要分布于血管平滑肌、心肌等部位，介导AngⅡ的大部分作用。AT ₁受体激活时，对心房和心室产生正性肌力作用并促进儿茶酚胺等物质的释放。

目前发现三种雷诺定受体亚型，其中RyR ₂亚型在心脏表达较为丰富，对心脏节律的调节非常重要。

缝隙连接蛋白（connexin，Cx）是构成心肌细胞间缝隙连接通道的基本蛋白质，其家族成员Cx43对维持心脏功能发挥重要作用。同时，Cx43与M ₃受体在结构和功能上的耦联参与调节细胞间信号转导。