近年来，有关心力衰竭的病理生理研究非常活跃，并由此加深了人们对心力衰竭发病机制的认识。本章试图从不同侧面介绍心力衰竭状态下一些病理生理的变化，以及发生变化的机制和它们对心脏活动尤其是对心脏功能的影响，为临床上更好理解心力衰竭的本质，提高心力衰竭的诊断与防治水平作一理论铺垫。
（第一节）心力衰竭时心肌能量代谢异常
一、正常心肌能量代谢
心肌的能量代谢（energymetabolism）是心脏活动的物质基础，两者好像是一个硬币的两面，密不可分。心肌能量代谢和其他脏器的代谢既有共同处，又有不同点：心脏是个高功能、高耗能、高耗氧的器官。人心脏24小时可产生、消耗35kg的ATP，较心脏重量高100倍，因而耗氧量也多；心脏重量仅占人体重的0.5％，但其耗氧量却占耗氧总量的10％；在正常情况下心肌的能量代谢主要是有氧氧化，故心肌的线粒体不但数量多（人心肌线粒体占心肌总体积的30％以上），且线粒体嵴膜也远较其他器官丰富；心肌能量代谢率（turnover），即对ATP的分解和再合成的速率是能量代谢状态的决定因素，而不是心肌ATP的含量（水平）。心肌每天产生ATP的量较其含量高1000倍。
（一）心肌能量代谢底物
心脏是个“杂食”器官。葡萄糖、乳酸、脂肪酸、酮体以及氨基酸都可以作为能量代谢的底物。但利用各种底物的比例决定于血浆和组织中底物的浓度、饮食成分、心脏工作状态以及激素分泌等因素。
一般情况下，心肌对葡萄糖的利用率比较恒定（约占底物的16％～31％，乳酸约为10％），而对脂肪酸和酮体的利用率变动较大（前者约为25％～63％，后者约为5％～61％）；当饥饿或糖尿病时，主要利用脂肪酸，但当食糖过多或胰岛素分泌增多时，则以葡萄糖为主；当运动血中乳酸增高时，乳酸则成为主要的利用底物。
（第二节）心力衰竭时心肌细胞离子转运障碍
心力衰竭是多种原因引起的一种临床综合征。其病理生理特点是心输出量相对或绝对不足，不能满足机体代谢的需要并伴有一系列神经体液的激活，它可直接或间接地引起心肌细胞内离子代谢运转异常，后者又可导致心力衰竭。心肌离子代谢机制比较复杂，牵涉的离子种类也较多，且多种离子之间无论在心肌代谢或对心脏功能的影响上，彼此都有直接或间接的联系，本节仅就与心力衰竭发生有关的离子代谢分述如下。
一、心力衰竭时的钙代谢运转障碍
钙是心肌兴奋-收缩耦联的关键因子，还参与能量代谢和蛋白质更新。因而心肌细胞内Ca2+含量变化将导致心肌收缩及舒张功能障碍，影响能量的生成、转运及利用，迄今有关心力衰竭时患者心肌细胞内Ca2+代谢变化的研究较少，本文从下列方面作简要阐述。
（一）钙离子对心脏的作用
１.钙离子对心肌兴奋-收缩耦联的影响心肌细胞膜兴奋去极使细胞膜具有电压依赖性、受体依赖性及第二信使介导的Ca2+通道开放，Ca2+从细胞外流入细胞内。另一方面，细胞兴奋沿T管传至细胞深部终池处，诱发肌浆网（SR）释放Ca2+。从细胞外流入的Ca2+触发SR疏放大量的Ca2+，使胞浆中Ca2+水平在短时间内由10－７mol/L上升到10－５mol/L。由于浆胞Ca2+水平升高，Ca2+与肌钙蛋白结合，解除了原肌球蛋白对肌动蛋白与肌球蛋白横桥结合的抑制作用，肌动蛋白与肌球蛋白产生启动收缩过程。Ca2+还与肌球蛋白头部的ATP酶结合，从而激活该酶水解ATP，为肌丝滑行提供能量。升高的胞浆内Ca2+及ATP水解后生成的ADP和无机磷激活SR钙泵，将Ca2+迅速摄入SR内，与收缩蛋白结合的Ca2+也解离出来，结果胞浆中的Ca2+水平下降，原肌球蛋白重新掩盖肌动蛋白与肌球蛋白横桥的结合点，心肌产生松弛。
研究表明Ca2+是心肌收缩力产生的必要条件，细胞兴奋时从细胞外流入细胞内的Ca2+是触发心肌收缩反应的必要因素。Gwathmey（1987）等研究也证实衰竭心肌受刺激时流入细胞内Ca的速度变慢，动作电位时相延长，心肌兴奋-收缩耦联异常。
2.钙离子对能量代谢的影响能量生成：Ca2+激活糖原磷酸化酶，加速糖原分解产生能量。Ca2+是线粒体氧化磷酸化作用的耦联剂，但胞浆中过多的Ca2+将抑制线粒体的呼吸功能，从而妨碍糖类、脂类及蛋白质的代谢，影响能量生成。能量利用：心肌线粒体产生的能量主要用于心肌收缩与舒张，离子转运及蛋白质代谢。胞浆内Ca2+与肌钙蛋白C结合后激活肌球蛋白ATP酶，使ATP水解增加，胞浆内Ca2+增多，同时还激活质膜、SR及线粒体钙泵，增加ATP水解，提供能量利用。
3.对心肌舒张功能的影响从心肌的收缩与舒张功能来看，心肌舒张的产生在很大程度上与心肌细胞复极时细胞内Ca2+水平有关。SR是调节胞浆内Ca2+水平的主要因素，它摄取与贮存Ca2+离子的能力强大。因而一定程度的胞浆内Ca2+增多时心肌收缩力增强，但此时并不出现舒张功能障碍。若胞浆中Ca2+水平异常升高或SR的结构与功能受损将延缓或妨碍Ca2+复位，此时Ca2+不能被SR及时和有效地摄取或Ca2+从破损的SR内漏入胞浆中，则降低舒张功能。此外，肌膜钙泵活性下降，肌钙蛋白复合体与Ca2+亲和力的变化，也能在一定程度上影响心肌舒张性能减退。以上因素单独或联合作用使心肌舒张功能减退。
（二）心力衰竭时心肌细胞内Ca代谢异常及其变化机制
心力衰竭时心肌细胞内Ca2+代谢变化的确切机制至今尚未完全明了，可能发生于三个不同的部位上：即肌膜；SR和线粒体；Ca2+与钙调素之间的三方面作用障碍。不论发生哪一部位的结构与功能障碍都将导致心肌细胞内Ca2+代谢异常。
1.心肌细胞内Ca2+水平升高心力衰竭时心肌细胞内Ca2+超负荷的确切机制尚不清楚，可能与以下途径有关：流入细胞内Ca2+增多及外流受阻。心力衰竭时心肌细胞内ATP不足，依赖ATP的膜钙泵转运Ca2+的功能减退。依赖ATP的细胞膜Na+-K+ATP酶活性受抑制，使细胞内Na+排出受阻，使细胞内Na+聚积，细胞内Na+增多，使Na+-Ca2+交换增强，Na+排除细胞而Ca2+则交换进入细胞内。SR和线粒体结构与功能异常。动物及临床研究均显示心力衰竭时心肌SR结合、摄取与释放Ca2+的功能均明显减退。近来研究表明，SR功能的下降是导致心力衰竭患者心肌细胞内Ca2+代谢异常的主要原因。我们在电镜下也观察到心力衰竭患者心肌SR增生伴扩张，提示SR结构与功能的受损是细胞内Ca2+超负荷的重要原因。Sulake和Dhalla（1971）证实心力衰竭动物早期心肌线粒体结合及摄取Ca2+的速度和量明显下降。我们研究发现心力衰竭患者心肌线粒体高度肿胀，外膜和嵴破坏，Ca2+沉积物增多，提示心力衰竭时心肌细胞内线粒体结构与功能受损加重，细胞内Ca2+超负荷，后者又加速心肌线粒体结构与功能的损伤。心力衰竭时心肌肥大，心肌细胞体积的增加大于其面积的增加，结果心肌细胞膜面积相对不足，单位细胞容积所含的离子通道及钙泵数量减少，故细胞膜外转运的Ca2+减少。
2.心肌细胞内Ca2+减少Ca2+内流减少。心力衰竭时心肌细胞内cAMP含量减少，而cAMP可增加Ca2+的内流和增加SR的摄取和释放Ca2+的功能，如若细胞内cAMP不足可使心肌细胞兴奋时流入细胞内的Ca2+量减少。酸中毒可影响膜电位，抑制电压依从性通道开放，使Ca2+内流减少或降低心肌细胞膜β-受体对去钾肾上腺素的敏感性，阻止Ca2+经受体依赖性通道进入细胞内。心力衰竭时交感神经系统兴奋，血浆中去甲肾上腺素增加，心肌细胞膜β-受体下调，心肌细胞膜腺苷酸环化酶活性下降，使细胞膜特殊蛋白磷酸化作用减弱及cAMP介导的第二信使通道的Ca2+内流减少。血钠升高时，因为钠离子与Ca2+竞争细胞膜上的同一载体，故血钠浓度升高时，Ca2+内流减少。SR、线粒体释放Ca2+减少。Schwartz等指出心力衰竭的各个阶段均存在SR释放Ca2+障碍，结果心肌细胞兴奋时胞浆内Ca2+水平能迅速上升。
（三）心肌细胞内Ca2+代谢异常对心功能的影响
1.心肌细胞内Ca2+超负荷可产生如下效应细胞膜的变化，包括膜形状改变，细胞膜出现小泡和膜钙泵被激活；代谢变化：蛋白酶、核酸酶、磷脂酶和转氨酶活性增高及腺苷酸环化酶活性下降；细胞器破坏，线粒体超负荷损伤与染色质崩解。钙泵的激活和线粒体破坏不但使ATP产生减少，而且使ATP消耗增加，加重心肌细胞缺能状态。细胞内ATP明显减少使心松弛能力减弱，心肌形成强直性收缩带，进一步消耗ATP。心肌细胞内Ca2+超负荷可诱发振荡后电位的生成而与心律失常发生有关。
从上述可知，虽然引起胞质中Ca2+增多的机制不同，但一旦出现Ca2+的增多都可通过以上各个环节影响心肌的舒缩功能乃至引起心力衰竭，这类心力衰竭的特点是心肌舒张功能不全。常用药物为钙拮抗剂、血管紧张素转换酶抑制剂和β受体阻滞剂，均能减少Ca2+内流，有助于减轻心肌细胞内Ca2+超负荷，从而减少氧及能量消耗，保护残存的心肌细胞。
2.心肌细胞内Ca2+不足所造成的影响当心肌细胞内Ca2+浓度不足时，心肌兴奋与肌钙蛋白结合的Ca2+不足，启动的收缩单位减少，结果心肌收缩乏力，速度-张力下降及最大张力不足，兴奋收缩-耦联过程异常，使收缩功能下降。临床上表现为心脏收缩无力，收缩幅度变小，等容收缩期延长，射血时间延长及收缩期末心室容积增大，即射血分数和每博指数减少而心室舒张功能正常。此时应用能增加细胞内Ca2+的药物，如洋地黄、磷酸二酯酶抑制剂和β-受体激动剂可增加心肌收缩力，改善心脏泵血功能。
二、心力衰竭时钾、钠代谢运转障碍
心肌的正常功能有赖于细胞内外电解质成分保持一定程度的平衡，如若这一平衡失调，不仅可引起心律失常，而且可直接影响心肌的收缩功能。Na+、K+在心肌细胞内外的正常代谢运转是形成膜电位的离子基础，同时也是维持Ca2+正常运转的必要因素。心力衰竭导致电解质紊乱极为常见，而电解质紊乱又参与心力衰竭的发生与发展，简要分述如下。
（一）钾、钠代谢运转障碍原因
关于心力衰竭的早期K+、Na+代谢运转是否有变化？文献报告结论不一，但在心力衰竭晚期多伴有K+、Na+代谢运转障碍，其主要原因如下。
1.Na+-K+-ATP酶活性改变动物和临床研究表明，随着心力衰竭程度的加重，心肌细胞膜钠泵活性和细胞内K+浓度下降，而心肌细胞内Na+、Ca2+浓度升高；血清内源性洋地黄类物质（EDLS）升高。关于N泵活性下降的机制，可能与血清EDLS的含量升高有关，因EDLS具有强大的抑制N泵活性作用。其次，心力衰竭时组织缺血缺氧致能量不足也使钠泵活性下降。另外，与缺镁有关，M是钠泵的激活剂，其含量下降必然会影响N泵活性。
2.心肌能量代谢障碍心力衰竭患者，其病因不论是由于血流动力学负荷过度，功能性心肌丧失或瓣膜异常所致，均使心脏负荷持续增加，心肌能量消耗增多，使肥大衰竭心脏的心肌细胞处于一种能量饥饿状态（energy-starvedstate）。心肌ATP不仅是推动心肌收缩的动力，也是维持钠泵活性所必需，心力衰竭时ATP不足使Na+-K+泵活性降低，而后者又可影响ATP的分解，使能量供应进一步减少，心脏做功障碍，加重心力衰竭的程度。
（二）钾、钠代谢运转障碍对心功能的影响
无论什么原因引起的Na+、K+代谢障碍，最终都会导致细胞内K+丢失Na+增加，而细胞外Na+减少，K+增多，这种离子分布异常必然影响心肌的舒张功能和心律。
1.心脏功能失调Na+分布异常对心肌舒张功能的影响，主要通过Ca2+变化而产生。由于Na+和Ca2+竞争膜上的载体，故当细胞外Na+浓度降低时，不但可促使Ca2+的内流，同时因Na+-Ca2+交换减弱，Ca2的外运减少，从而使细胞内Ca2浓度升高，严重时导致心肌舒张功能不全。
2.诱发洋地黄中毒已知低钾可诱发洋地黄中毒，而洋地黄中毒所致心律失常亦可用钾来治疗。由于洋地黄有抑制细胞膜上Na+-K+-ATP酶的作用，抑制钠钾交换使细胞内失钾更多，缺钾导致心肌应激性增高，使心肌细胞复极不均匀，不同步，发生异常传导，折返激动，从而导致心律失常。
三、心力衰竭时的镁代谢运转障碍
镁为细胞内主要阳离子之一，其重要性略次于钾离子。镁在心力衰竭时的改变以及与心力衰竭发生的关系，近年来日益受到重视。
（一）镁与心脏功能的关系
镁（Mg2+）能激活体内许多酶系统，如氧化磷酸化酶系统，亮氨酸酶、氨肽酶等，特别是与三磷酸腺苷代谢有关的酶。心脏是体内代谢最旺盛，耗能最多的器官，Mg2+在心脏的含量又较为丰富，因此，Mg2+对于心脏的作用尤为重要。
1.镁参与心肌的收缩与舒张活动心肌的收缩需要线粒体内氧化磷酸化供应能量。在氧化磷酸化酶的作用下完成，而转换磷酸化酶正是由镁离子激活的。如Mg2+缺乏，则线粒体能量生成不足，因而影响心脏舒缩功能。
2.心肌细胞膜的静息膜电位是由细胞内外钠、钾浓度差所产生的这种浓度差由钠泵来维持，钠泵在钠、钾交换的过程中，一方面需消耗能量ATP，另一方面需依赖Na+-K+-ATP酶来完成，因此酶也需要Mg2+激活才能发挥作用
3.镁是细胞线粒体的重要组成部分参与正常的线粒体功能，心肌缺镁时可使线粒体肿胀以至破裂，导致心肌能量代谢障碍。
4.cAMP是在腺苷酸环化酶的催化下由ATP形成的，这一过程需要Mg2+的参与cAMP可促使Ca2+内流增强而加强心肌收缩力，并能促使肌浆的钙泵主动转运钙至细胞外，以使心肌舒张，如若Mg2+缺乏，心肌细胞内Ca2+超负荷，导致心肌舒张功能不全。
5.心肌蛋白质需要不断代谢更新在蛋白质合成中，各种特异的氨基酸活化酶需Mg2+激活才能发挥作用，蛋白质合成的各步骤也需要镁，故对维持心肌正常结构有重要作用。