2　If通道

近年来，If通道的发现与深入研究是基础心脏电生理领域最瞩目的进展，这项发现以1999年If通道的亚单位HCN通道的发现为标志。随后十几年，在该学术领域发生了颠覆性进展。

一、心脏电活动起源的经典认识

有关心脏电活动起源的几个经典概念十分重要。

1.心脏的自律性组织

心脏组织可分成有自律性和无自律性两种。具有自律性的心脏组织细胞是在一次单向动作电位结束进入静息膜电位后，其不会停留在复极后的静息膜电位水平，而是在舒张期4相发生缓慢的自动化除极，使静息膜电位的水平逐步升高并最终达到除极的阈电位时，将引起一次新的0相除极（图1-2-1），该现象又称4位相舒张期自动化除极。

2.自律性高低的差别大

心脏的自律性组织能自动产生有节律的心电活动。而心脏的特殊传导系统：窦房结、结间束、房室结、希氏束、浦肯野纤维等不同部位的组织细胞都有自律性，而窦房结之外的其他心肌组织的单次自律性电活动将表现为心电图的各种早搏。而不同部位组织的自律性高低差别很大，其中以窦房结的自律性最高，称为心脏的一级起搏点，房室结及浦肯野纤维等其他组织的自律性次之，称为心脏的二级及三级起搏点，属于异位起搏节律点（图1-2-2）。

3.决定自律性高低的三大因素

从心脏电生理的基本概念出发，有三大因素决定着心肌细胞自律性的高低：①最大的舒张期电位，最大舒张期电位的负值愈大，自律性越低，图1-2-2中浦肯野纤维细胞的自律性远远低于窦房结细胞。②自动化除极的速率：其又称斜率，是指最大舒张期电位到达除极阈电位的时间，斜率越低自律性也低。图1-2-3标有A、B、C的三条线代表三种不同的斜率，与中间的实线（B线）相比，A、C两条虚线的斜率后者大，前者小；斜率越小，自律性越低。③引起再次除极的阈电位：阈电位的负值越大自律性越高（图1-2-3）。

二、If通道的结构

对心脏自律性组织，如窦房结细胞的4相自动化除极现象的认识已有多年，但因受到技术限制，一直未真正揭开起搏的离子通道及起搏电流的真面目，使舒张期4相自动化除极的本质与机制一直不完全清楚。直至1998—1999年才逐渐发现并证实心肌细胞膜存在起搏的If通道。If通道的认识与发现，得益于神经系统神经元的研究。因神经细胞具有更频繁的自发性电活动，而这种电活动与窦房结细胞的电活动又十分相像。1999年，在神经细胞发现了CNG通道后，又在神经细胞和心肌细胞先后发现了超极化激活的阳离子通道（hyperpolarization-activated cation channel，HAC）或称超极化激活的环核苷酸门控阳离子通道（hyperpolarizationactivated cyclic-nucleotide-gated cation channel，HCN）家族。这是最终组成窦房结细胞If通道的亚单位。

If通道与心肌细胞膜上其他离子通道（Na+、K+、Ca2+、Cl-）全然不同，其允许通过的离子并非选择性，而且是在非生理性的超极化状态下被充分激活，故命名时被称为有趣（funny）电流（current）或称有趣通道（funny channel），简称If通道。

1.HCN

If通道为四聚体组成的孔道（图1-2-4），每个聚体即为一个HCN，是组成If通道的亚单位。

截至目前，已发现4种类型的HCN，分别称为HCN1、HCN2、HCN3和HCN4，其中HCN1、HCN2和HCN4在心脏表达丰富，原位杂交的分析表明，HCN在窦房结部位的表达依次为HCN4、HCN2、HCN1。在4个α亚单位（HCN）构成If通道时，亚单位可以是同类HCN，称为同源四聚体，也可以是不同类型的HCN，称为异源四聚体（图1-2-4）。

人体心脏的If通道由HCN2和HCN4两种HCN组成，属于异源四聚体，因此任何一类HCN的特性都不能完全反映出If通道与If电流的特点，而HCN2和HCN4表达的离子流十分相似，两者分别形成If电流的快成分和慢成分。

2.跨膜螺旋

与Kv通道相似，组成If通道的每个α亚单位（HCN）都由6个跨膜螺旋（S1～S6片段）组成（图1-2-5）。在跨膜螺旋的片段中，S5与S6的连接区有一部分在细胞膜外，而另外一部分在细胞膜内，该结构称为P环（P-loop），P环围在孔道里，对不同的离子有不同的敏感性。P环还有大多数K+选择性通道所特有的GYG标志序列（图1-2-5）。

3.电压感受器

If通道有电压门控特性，其电压感受器位于跨膜螺旋的S4片段，该部位带有较多的正电荷。超极化激活时，电压的变化就作用在该部位（图1-2-5）。

4.化学门控（cAMP激活）

跨膜螺旋S6片段的C端有If通道与环核苷酸的结合区（cyclic uncleotide-binding domain，CNBD），能与cAMP的门控结构相结合，进而控制经If通道的电流，起到If通道的化学门控作用。

了解If通道的结构对深入认识其功能十分重要。

三、If通道的特性

与其他离子通道相比，If通道有着多种特征。

1.超极化激活

If通道的另一名称就是超极化激活的阳离子通道。顾名思义，If通道可在超极化的非生理条件下被激活。

正常心肌细胞的极化状态为-90mV，窦房结细胞的极化电位为-65mV，而If通道的电压激活范围为-45～-100mV（图1-2-6）。测试时，维持电位为-35mV，然后以10mV递增，最终递增的超极化电压可到-120mV，结果表明，随着超极化电压值的增大，If电流的幅度也增大，在-100mV时，被激活的If电流最强。

2.非单一的内向阳离子流

If通道的测试证实其反转电位为-20mV，说明其不是单个离子流介导的。实际，If电流由多个阳离子流组成（阴离子不能通过If通道），对Na+和K+的混合通透是If通道的特点，即生理条件下，If电流由Na+和K+介导。这使If电流的大小与心肌细胞外的Na+浓度有关，存在Na+的依赖性，因此If通道激活时形成一个以Na+构成的净内向电流。此外，其对细胞外的K+浓度也十分敏感，当心肌细胞外K+浓度降到正常水平以下（2～4mmol/L）时，If电流的强度将显著降低，恢复细胞外K+浓度后，If电流的幅度可立即恢复。因此If电流也有K+依赖性。

除此之外，细胞内的Ca2+也能影响If电流，细胞内Ca2+浓度的增加可使If电流的幅度增大。细胞外的Cl-浓度对If电流也有明显影响。

3.电导小

If单通道的电导很小，其幅度<10fA（1fA=10-3PA），这给相关研究带来很大困难。在电位-60mV时If电流几乎无法记录。

4.输入阻抗高

If通道的输入阻抗大约为109Ω，根据欧姆定律，很小的离子流及变化就能引起膜电压的很大变化。试验表明，窦房结细胞的If通道处于4相时，其膜电位以0.02～0.1V/s的速度使舒张期膜电位逐渐发生自动化除极，最终引起一次新的0相除极。

5.双重门控激活

研究表明，If通道的开放由电压和化学两种门控进行激活（图1-2-7）。

换言之，If通道的激活开放与其他通道一样，有着跨膜电压的门控机制，在超极化-100mV时，If通道被激活的最彻底，并使If电流最强。除此之外，If通道还受化学门控，即受心肌细胞内的环核苷酸的门控而被激活。If通道两种门控机制将在下文详细介绍。

四、If通道的双重门控激活

If通道受电压与化学的双种门控，这又称双重激活现象。通过对If通道双重门控的深入理解，有望对人体窦性心律的调控有更深一步地认识，也将对自主神经对窦性心律及各种心律失常的影响产生更深层次的认识。自主神经对心律的调控是细胞水平、分子水平的直接作用，进而对心动周期有着逐跳调节。

1.电压门控（超极化激活）

对If通道的最初研究，用双电压钳制在窦房结多细胞小标本上进行的，随着单个窦房结细胞的成功分离，If通道的研究则在单个细胞上进行，而且两者研究结果没有差异（图1-2-8）。

不同种类的通道依据被激活的性质，可分成：①背景电流通道：其开放与关闭自发进行，任何电位时都开放；②电压门控通道：由变化的电位控制其开放与关闭，一定的电位使其激活或失活（离子门控）；③神经递质门控通道：由神经递质或称配体激活的通道；④G蛋白门控通道，引起G蛋白活化的因素使其启动，再经一系列生化变化激活的通道（图1-2-9）。

If通道首先是电压门控通道，If通道周围细胞膜电位在-45～-100mV时都能开放，而且超极化的电位加大时If通道的开放越彻底，相应的If电流强度也越高。正如上文所述，If通道的跨膜螺旋S4是电压敏感器所在部位，其氨基酸排列中每3个残基中的第一个带有正电荷，其他两个为疏水性残基，细胞膜电位的变化能引起电位敏感器带有阳离子的残基活动，进而导致If通道的开放并产生电压依赖性的阳离子流。If通道开放时，将有较多的Na+内流和少量的K+外流共同组成If电流，进而启动自律性心肌细胞的4相缓慢的自动化除极（图1-2-10）。

2.化学门控

化学门控即为神经递质的门控，If通道除电压门控外，还具有化学门控的特征，因此，If通道又是神经递质（cAMP）门控的通道。

自主神经对心率的调控作用早已被熟知，其中交感神经是心脏的加速神经，兴奋时心率增快，运动时交感神经的兴奋则能引起窦房结的变时性升高，即随着运动人体代谢率的增高反射性使窦性心率增快，满足机体对代谢率增高的需求，而迷走神经相反，是心脏的减速神经。但在上述认识中，一直认为自主神经对窦率的调控是宏观的，是对整个窦房结或心脏的调节作用，属于窦房结之外的调节机制。因此，评价窦房结自律性功能时，常用一定剂量的β受体阻滞剂和阿托品完全阻断交感和迷走神经后，再观察窦房结细胞本身的固有心率的高低。

但实际上，对窦房结细胞的If通道调节是电压与神经递质的双重门控。换言之，自主神经通过递质对If通道的调节是细胞水平的，是分子水平或称离子通道水平的，而且对起搏电流的高低有着直接调控作用，也就是说其对舒张期4相自动化除极的斜率有着直接作用。因此，自主神经对窦律的每个RR间期都有逐跳的调节作用（图1-2-10、图1-2-11）。

从上面两图可清楚看到，自主神经对If通道有着分子水平的直接调节。当交感神经兴奋时，其递质去甲肾上腺素（儿茶酚胺）的分泌增加，进而与窦房结细胞膜上的β受体结合数量增高，又经过与G蛋白的耦联作用进一步介导激活α和βy受体，进而作用在腺苷酸环化酶，使三磷酸腺苷（ATP）转化为cAMP增多。结果，增多的cAMP与跨膜螺旋片段S6的C末端的cAMP结合点结合，从而作用在HCN并增加激活后的If电流，提高了窦性心率。这种窦性心率的增加是激活动力学的增加和沿电流的电压轴转移的阳离子增多引起。

相反，当心脏迷走神经兴奋时，分泌的介质乙酰胆碱增多，其与心肌细胞膜上的M2毒蕈碱受体结合，也通过与G蛋白的耦联和介导减少了cAMP水平，使cAMP与S6片段的C末端结合减少，进而使If电流减弱起到窦律负性频率的作用。同时，高浓度的乙酰胆碱增加和激活了对其同样敏感的K+外流，使复极化过程加速，抑制了4相自动化除极过程，使窦率减慢（图1-2-10、图1-2-11）。

交感与迷走神经对窦性心率的明显调节作用还能从图1-2-12看出。

图1-2-12显示，小剂量（0.1mmol/L）的异丙肾上腺素和小剂量的乙酰胆碱（0.03mmol/L）都能明显影响窦房结细胞连续两次动作电位之间的间期，即异丙肾上腺素（Iso）可使下次新的0相除极比对照组提前发生，使窦性激动的间期缩短，使If通道的激活曲线右移，加速了If通道的激活与窦性心律。而乙酰胆碱（Ach）的作用恰好相反，用药后使下次新的0相除极推后，使If通道的激活曲线左移（图1-2-12C）。图1-2-12还显示，两者均影响了舒张期4相自动化除极的速率，但并不改变动作电位的形状，说明其仅改变了舒张期自动化除极通道的离子流，对其他离子流影响甚小。

还应说明，对上述受试标本给予蛋白激酶A（PKA）灌注时，不增强If电流，而给予cAMP灌流时可使If电流明显增大，这说明cAMP对If通道的作用不通过碱性磷酸化的过程，而是直接作用在If通道。

从图1-2-10能够看出，cAMP对If通道、ICa-L及IK通道都有作用，但作用方式有一定的不同，对If通道的作用是直接的，对其他阳离子通道的作用是间接的，是通过碱性磷酸化过程间接作用（图1-2-13），这也是If通道与其他阳离子通道不同的地方。

If通道的双重门控特征有着重要的生理学和临床意义。

五、窦房结的自律性机制

窦房结持续、规律而有节律地发放电激动的机制一直备受关注，又因研究结果的不尽相同而存在着争议。

对窦房结的基础研究一直以家兔心脏的窦房结为对象，这与家兔的窦房结容易分离而便于研究有关。

对窦房结的自律性机制已有一致的认识，即窦房结细胞的自律性电活动有多个离子通道的参加，是多种离子流参与的结果。目前认为，参与窦房结细胞每次除极动作电位的离子流包括If、ICa-T、ICa-L、IK电流及钠钙交换电流（NCX）等（图1-2-14）。但众多离子流中，经过If通道的If电流最重要，故称其为“起搏电流”。

从图1-2-15可清楚看出，窦房结细胞动作电位的复极初期，IK通道被激活，K+的快速外流形成动作电位的3相。随后，IK通道发生时间依赖性失活，引起K+外流进行性衰减。随后形成舒张期的最大电位而进入舒张期4相。此后的4相舒张期自动化除极过程又分成前后两期。

窦房结细胞舒张期4相的自动化除极存在早期与晚期先后两个过程后，最终达到除极阈电位而产生了一次新的窦性激动。

1.自动化除极的前期

窦房结细胞的4相自动化除极的速率快，使其自律性高，其自动化除极的过程从If电流开始。If通道在前一心动周期的动作电位复极3相降到-60mV时则被激活开放，一直到超极化达-100mV时得到最充分激活，If电流的激活缓慢，并随时间的延长而增大，这一特征称为时间依赖性。因此，If电流受跨膜电位的加大和时间的推移而增加，具有电压依赖性和时间依赖性。单通道的If电流弱，电流幅度<100fA，电导也很微弱，仅约1pS。

If通道具有混合的对Na+和K+的通透性，If电流中主要是持续性Na+内流，其与心肌细胞的快Na+通道不同，其对Na+/K+的相对通透比（PNa/PK）为0.2～0.4。If电流使4相跨膜电位逐渐升高，升高速度为0.02～0.1V/S，当升高到-50mV时将激活ICa-T通道开放，使4相自动化除极进入后期（图1-2-15、图1-2-16）。

2.4相自动化除极的后期

4相自动化除极的后期约在4相自动化除极的后1/3处开始，该期的主要离子流为ICa-T，这是If电流使跨膜电压升到-50mV时激活ICa-T通道的结果，使一定数量的Ca2+内流。

应当说明，心肌细胞膜上的钙通道分成L型和T型两种。

T型钙通道（tiny and transient）与L型钙通道有着的生物物理学特征不同，其激活开放的电压更低（约-50mV），电导更低，失活更快，失活后恢复的慢。T型钙通道在心脏的分布比L型更局限，在窦房结、房室结、心房和浦肯野氏纤维中的密度：窦房结>浦肯野纤维>心房，成人心室肌细胞没有该通道。由于T型钙通道开放时间短，失活快，故又被称为短暂型Ca2+通道，且失活方式与L型钙通道也不同。

ICa-T通道的开放可使较多的Ca2+内流，使窦房结细胞的跨膜电位进一步升高，并触发肌质网大量释放Ca2+而形成钙火花（钙瞬变），并刺激Na+/Ca2+交换（NCX），该过程中内流的Na+也使4相电位升高，最终达到ICa-L通道激活开放的跨膜电压，即达到除极的阈电位时，一次新的窦性激动则产生了。

在所有哺乳动物的心脏细胞中都有L型钙通道，其具有多种生理功能，临床中应用的Ca2+拮抗剂（Ⅳ类抗心律失常药物）降低窦性心率的机制就是阻断了L型钙通道的结果。

还要指出，在上述4相自动化除极过程中，还有其他的离子流参与，包括NCX和钠钙泵等。NCX也能提高舒张期4相跨膜电位，但这些机制在该自动化除极过程中的作用很小。

六、If通道的阻滞剂

Cs+（铯）是最早发现并最具特异性的If通道阻滞剂，2mmol/L的CS+就能阻滞If通道，使窦性心率下降30%。而伊伐布雷定是第一个用到临床的If通道阻滞剂。

伊伐布雷定与开放状态的If通道有亲和性，其从细胞内侧进入If通道的核心（其作用的结合点），阻滞相关离子流的跨膜运动，减缓窦房结细胞的舒张期自动化除极斜率，延长窦房结细胞两次动作电位的间期，降低窦房结细胞的自律性（图1-2-17）。

从更严格的概念而言，β受体阻滞剂也应视为If通道阻滞剂，只是β受体阻滞剂作用在If通道的化学门控机制，减慢窦性心率。

七、If通道复合体

在近年来If通道的研究中，发现其复合体对If通道及α亚单位HCN有明显影响。

1.KCNE

2004年首次报告KCNE2是HCN2的辅助亚单位，两者同时表达时可使HCN2电流的振幅升高，KCNE增加KCN2和KCN4电流的作用最明显，两者分别增加22%和16.5%，其对HCN1无影响（图1-2-18）。

2.小窝蛋白3（CAV3）

心肌细胞膜是脂质双分子层构成的半渗透屏障，近年发现，细胞膜上存在着穴样内陷，这种在细胞膜上呈烧瓶样内陷的结构又称小窝。根据发现与确认时间的先后有三种小窝蛋白（CAV1、CAV2和CAV3）。

近年发现，当HCN4和CAV3共同表达形成复合体时，可使HCN4的电流幅度增大（图1-2-19）。

八、If通道与临床

1.If通道与心律失常

生理条件下，心脏有功能的If通道的表达主要在窦房结、房室结和心脏特殊传导组织。所在的部位越高、通道开放的阈电位就越高，窦房结细胞If通道开放的阈电位最高为-45mV，而-100mV时If通道激活最充分。

心室肌细胞的If通道除数量较少外，其需超极化电位到-120mV才能被激活开放。因此，在正常生理情况下不能发挥起搏作用，当心肌细胞出现损伤，跨膜电位出现了超极化时也能被激活开放，引发室早。

2.If通道与自主神经

过去已认识到自主神经在窦性心率、各种心律失常、心脏性猝死等情况时的重要作用，但对自主神经的这种调节作用认为是器官水平，是对心脏某部位的调控作用。因此，才会推出测试自主神经对窦房结调节作用的检测技术：窦房结固有心率的测定。测试中应用药物单阻滞或双阻滞心脏的自主神经，观察窦房结的“固有心率”，实际这一检测技术的基本理念是错的。

对窦房结细胞If通道的激活机制本身就有双重性、电压门控和化学门控，说明自主神经对窦性心率、各种心律失常、心脏性猝死的作用属于细胞水平和分子水平，并且对窦性心律的逐跳就有这种调控作用。因此，对If通道的全面深入理解将能提高和加深对心率变异性检查原理的深刻理解。

3.If通道的离子疾病

现已明确If通道是独立存在的非特异性阳离子通道，其结构复杂、功能多种。因此，当If通道及HCN出现编码基因突变时，将能影响If通道的功能，将能引起遗传性或家族性病窦综合征、窦缓等缓慢性心律失常（图1-2-20）。

4.心血管病的If通道重构

现已发现，很多心血管病的患者存在If通道的重构。例如伴随心肌肥厚，心室的If电流可增大5倍，同时伴有HCN4表达的上调。而高血压、心衰患者也存在If电流增强的现象。而临床应用血管紧张素Ⅱ等降压或其他心血管活性药物时，可降低已增大的If电流。此外，伴有房颤、室颤的患者也存在HCN的基因突变。这些资料能够解释各种心血管病患者心律失常发生率增加的现象。

（郭继鸿）

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