王雪綺 陸矯

(南京體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)健康學(xué)院 江蘇南京 210014)

現(xiàn)如今全民運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)健身的理念深入人心，隨之而來的是高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)引發(fā)運(yùn)動(dòng)性心肌損傷概率的逐步升高，運(yùn)動(dòng)性心肌損傷已成為心臟損傷中的常見類型之一。高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或力竭運(yùn)動(dòng)會(huì)造成心肌的能量代謝障礙、缺血缺氧反應(yīng)和機(jī)體的神經(jīng)內(nèi)分泌改變等，長此以往，引起心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)及其功能發(fā)生代償性變化，而心肌能量代謝作為支撐細(xì)胞功能正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在，一直是體育科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。大量研究表明，心肌線粒體作為心肌細(xì)胞中的重要細(xì)胞器，有通過氧化磷酸化產(chǎn)能并且調(diào)控心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度等作用。在力竭運(yùn)動(dòng)中，心肌線粒體內(nèi)的蛋白表達(dá)量和蛋白通道的開放程度都因能量代謝因子表達(dá)的變化而發(fā)生變化，對(duì)心肌細(xì)胞的能量代謝產(chǎn)生一系列的影響。線粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整性對(duì)于力竭運(yùn)動(dòng)時(shí)心肌的能量代謝有著重要影響。該文旨在探討哪些物質(zhì)對(duì)心肌線粒體能量代謝具有重要的調(diào)控作用，是否能通過這些物質(zhì)起到保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)和功能，預(yù)防運(yùn)動(dòng)所致的心肌細(xì)胞能量代謝障礙的作用，為預(yù)防心肌線粒體損傷提供思路。

1 線粒體與心臟能量代謝的關(guān)系

心臟是一個(gè)高耗能的器官，它需要通過能量代謝將儲(chǔ)存在脂肪酸或葡萄糖中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以提供足夠的能量來滿足自身正常的泵血功能。心肌細(xì)胞的能量主要來源于線粒體，豐富的線粒體是心肌維持正常舒張和收縮功能的基礎(chǔ)。線粒體是生物體能量代謝的重要場(chǎng)所，其中線粒體內(nèi)膜內(nèi)陷成嵴，增加膜面積以承載多種能量代謝物質(zhì)，它是生物氧化產(chǎn)生ATP的重要結(jié)構(gòu)[1]。能量底物（葡萄糖等）經(jīng)糖酵解過程后生成丙酮酸，丙酮酸進(jìn)入線粒體轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A，通過三羧酸循環(huán)氧化分解產(chǎn)生少量的ATP，在乙酰輔酶A進(jìn)入氧化磷酸化過程中，線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)的中的H+利用電子經(jīng)線粒體呼吸鏈釋放出的能量，通過復(fù)合體的質(zhì)子泵功能轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)膜外側(cè)，由于內(nèi)外膜具有質(zhì)子濃度差異，所以形成了電化學(xué)梯度，而質(zhì)子的電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，使質(zhì)子H+回流到線粒體內(nèi)膜基質(zhì)中，回流過程驅(qū)動(dòng)二磷酸腺苷（ADP）結(jié)合磷酸（Pi）生成ATP[2]。ATP從線粒體向心肌纖維肌絲轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存，為心臟的搏動(dòng)提供能量供應(yīng)。線粒體對(duì)心肌能量代謝具有重要的作用，由于氧化磷酸化需要在完整和封閉的線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行，因此只有線粒體結(jié)構(gòu)完整、功能正常，才能保證對(duì)心肌細(xì)胞的能量供應(yīng)。運(yùn)動(dòng)過程中，隨著心臟泵血功能的提升，心肌收縮速度和力量增加，耗能急劇升高，此時(shí)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定是維持心肌收縮能力的重要保證。然而機(jī)體在進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或力竭運(yùn)動(dòng)時(shí)，大鼠心肌線粒體內(nèi)的ATP合成能力明顯降低[3]，心肌在面臨有限的血氧供給和高能耗的狀態(tài)下，往往處于相對(duì)缺血缺氧的狀態(tài)，線粒體通透轉(zhuǎn)換孔的開放，解偶聯(lián)蛋白表達(dá)的升高、鈣離子超載等是誘發(fā)線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)改變和功能障礙的重要因素。

2 力竭運(yùn)動(dòng)致心肌線粒體結(jié)構(gòu)改變

大量研究指出，進(jìn)行力竭運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抑制有氧氧化，減少ATP生成，降低心肌收縮力，破壞線粒體膜完整性，引起線粒體微觀結(jié)構(gòu)改變和氧化磷酸化、鈣超載等功能異常。楊潔等[4]研究發(fā)現(xiàn)，力竭小鼠心肌細(xì)胞線粒體的形態(tài)改變有部分線粒體的嵴出現(xiàn)斷裂，甚至出現(xiàn)溶解的情況[5]，另有一部分線粒體形成了致密顆粒，這種致密顆粒的產(chǎn)生可能與過度運(yùn)動(dòng)情況下心肌缺血缺氧，心肌細(xì)胞肌漿網(wǎng)和細(xì)胞膜上的鈣泵因獲得的能量不足而導(dǎo)致的心肌細(xì)胞鈣超載有關(guān)。常蕓等[6]研究發(fā)現(xiàn)，力竭運(yùn)動(dòng)后小鼠的線粒體結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)為腫脹并伴隨著嵴的瓦解，線粒體體積增大，線粒體膜之間的間隙變窄，個(gè)別呈現(xiàn)空泡化等。宋丹云等[7]對(duì)大鼠進(jìn)行超負(fù)荷訓(xùn)練后，用形態(tài)計(jì)量學(xué)方法對(duì)心肌細(xì)胞線粒體超細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，觀察到運(yùn)動(dòng)后大鼠心肌細(xì)胞線粒體的形態(tài)各異，但大部分都明顯腫脹，其嵴出現(xiàn)模糊，局部或全部斷裂等現(xiàn)象。由于氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜，因此當(dāng)內(nèi)膜上的嵴發(fā)生斷裂后，線粒體進(jìn)行氧化磷酸化的能力減弱，ATP的產(chǎn)量下降，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)能量代謝異常，心肌收縮力降低，最終導(dǎo)致心肌缺氧，造成缺氧和能量代謝之間的惡性循環(huán)，加劇心肌損傷的發(fā)生[8]。

3 力竭運(yùn)動(dòng)對(duì)線粒體功能的影響

3.1 MPTP開放的影響

線粒體滲透性轉(zhuǎn)換通道（MPTP）是具有非選擇性和高導(dǎo)電性的通道，它橫跨過線粒體的內(nèi)外膜，具有調(diào)控物質(zhì)進(jìn)出、控制線粒體內(nèi)外膜離子平衡、調(diào)控細(xì)胞凋亡、壞死等功能[9]。正常生理情況下，線粒體轉(zhuǎn)換孔MPTP是呈現(xiàn)間斷性開放的并且具有可逆性，可限制性地允許一些分子量≤1500的物質(zhì)通過，對(duì)維持線粒體穩(wěn)定，膜電位處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)具有非常重要的作用。在細(xì)胞受到損傷應(yīng)激或受體介導(dǎo)的信號(hào)刺激情況下，MPTP處在高水平持續(xù)開放狀態(tài)，大量物質(zhì)非選擇性地通過，線粒體膜電位梯度消失，呼吸鏈電子傳遞發(fā)生障礙，引起氧化磷酸化去偶聯(lián)連，使ATP合成障礙，同時(shí)還將產(chǎn)生大量ROS；另外，大量物質(zhì)的進(jìn)入導(dǎo)致線粒體膜內(nèi)外滲透壓發(fā)生改變，引起線粒體水腫或破裂，當(dāng)線粒體結(jié)構(gòu)遭到破壞不再完整時(shí)，線粒體膜間隙中的大量促凋亡物質(zhì)，如細(xì)胞色素C、核酸內(nèi)切酶G等凋亡因子將被釋放入胞質(zhì)中，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，心肌缺血再灌注誘導(dǎo)的細(xì)胞鈣超載、氧化應(yīng)激、磷酸鹽濃度增高，都將致使心肌MPTP持續(xù)開放，引起線粒體結(jié)構(gòu)及功能的障礙，甚至細(xì)胞凋亡；而抗氧化劑的使用和抑制鈣超載則能減少M(fèi)PTP的開放，改善心肌能量代謝障礙的情況，誘導(dǎo)心肌保護(hù)作用。此外，研究顯示，力竭運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致MPTP的開放，在進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或力竭運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體內(nèi)的自由基生成增多，大量的自由基和力竭運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的機(jī)械摩擦刺激等多方面因素會(huì)誘導(dǎo)線粒體MPTP的永久性開放，導(dǎo)致線粒體ATP合成障礙，大量的開放也將導(dǎo)致氧化磷酸化去偶聯(lián)的產(chǎn)生，并在解偶聯(lián)蛋白的介導(dǎo)下導(dǎo)致ATP產(chǎn)量的減少[10]。不僅如此，力竭運(yùn)動(dòng)過程中，MPTP的大量開放也將會(huì)導(dǎo)致鈣超載現(xiàn)象的發(fā)生和加重，造成線粒體的損傷，Ca2+流出線粒體釋放入心肌細(xì)胞，引起心肌細(xì)胞鈣超載，破壞細(xì)胞的Ca2+平衡[11]。而在力竭運(yùn)動(dòng)中，MPTP大量的開放時(shí)也將造成線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)與內(nèi)膜外側(cè)電子梯度差消失，H+無法順電化學(xué)梯度回流，驅(qū)動(dòng)ATP的產(chǎn)生。不過，現(xiàn)有的研究表明，力竭運(yùn)動(dòng)所致MPTP開放不會(huì)引起細(xì)胞色素C泄露誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡的發(fā)生。

3.2 解偶聯(lián)蛋白上調(diào)的作用

解偶聯(lián)蛋白2（UCP2）是線粒體內(nèi)膜上的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)體，其生理功能主要為氧化還原調(diào)節(jié)，減少氧自由基生成及參與脂質(zhì)、脂肪酸代謝、三羧酸循環(huán)代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)運(yùn)輸?shù)淖饔肹12]。正常情況下，線粒體內(nèi)膜外側(cè)H+能順電化學(xué)梯度回流入線粒體基質(zhì)，驅(qū)動(dòng)ADP與Pi結(jié)合產(chǎn)生ATP；另外，H+還可以在UCP2的介導(dǎo)下不通過ATP合成酶直接經(jīng)跨膜擴(kuò)散進(jìn)入線粒體基質(zhì)，引起氧化磷酸化偶聯(lián)進(jìn)行H+的轉(zhuǎn)運(yùn)，這樣的轉(zhuǎn)運(yùn)形式被稱為“質(zhì)子漏”，在此過程中不產(chǎn)生ATP，能量以熱能的形式散發(fā)[13]。在心衰大鼠的模型中發(fā)現(xiàn)，UCP2的上調(diào)引起心肌能量代謝障礙，是誘發(fā)或加重心衰的重要原因，而用培哚普利抑制UCP2的表達(dá)，能通過改善心肌能量代謝，緩解心衰的惡化，可引起心肌代謝功能障礙。在運(yùn)動(dòng)中，李曉燕等[14]等人發(fā)現(xiàn)，力竭運(yùn)動(dòng)將會(huì)引起心肌UCP2表達(dá)的上調(diào)，表明在H+無法順電化學(xué)梯度回流的情況下，H+經(jīng)過UCP2介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)顯著增加，使得大量的能量通過熱能的形式散發(fā)而不產(chǎn)生ATP，致使線粒體ATP產(chǎn)量下降，使心肌無論是收縮還是舒張都處于消耗能量的狀態(tài)，心肌細(xì)胞能量不足，造成能量代謝障礙產(chǎn)生細(xì)胞損傷，促進(jìn)凋亡因子釋放，影響心臟功能的正常發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致心肌細(xì)胞的凋亡[15,16]，還可能引起酸中毒，造成心力衰竭[17]。

事實(shí)上，在線粒體因質(zhì)子電化學(xué)梯度過高引起電子發(fā)生泄漏，誘導(dǎo)超氧陰離子表達(dá)升高的情況下，UCP2能通過降低質(zhì)子電化學(xué)梯度，調(diào)控反應(yīng)活性氧（ROS）的生成。Teshima等[18]報(bào)道培養(yǎng)大鼠心肌細(xì)胞后，通過腺病毒傳染表達(dá)UCP2后能夠顯著降低線粒體鈣超載和ROS的生成。急性力竭運(yùn)動(dòng)會(huì)可誘導(dǎo)心肌發(fā)生缺血缺氧改變，引起細(xì)胞內(nèi)ROS堆積，造成生物膜的脂質(zhì)過氧化損傷，但力竭運(yùn)動(dòng)中UCP2表達(dá)的上升是否對(duì)ROS有抑制作用還有待進(jìn)一步研究。因此，在力竭運(yùn)動(dòng)過程中，UCP2表達(dá)升高很可能是一把雙刃劍，在引起心肌代謝障礙的同時(shí)，又通過對(duì)ROS的調(diào)控對(duì)心肌起到保護(hù)作用。

3.3 鈣超載的影響機(jī)制

心肌細(xì)胞中適量的Ca2+對(duì)維持心肌細(xì)胞正常功能有著重要的作用，在正常情況下，Ca2+起到影響線粒體內(nèi)外鈣濃度差和調(diào)控心肌細(xì)胞中鈣濃度的作用。它在心肌細(xì)胞胞漿內(nèi)充當(dāng)?shù)诙攀?，促進(jìn)ATP的生成[19]。蔣磊、周振茂[20]等人發(fā)現(xiàn)，鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)是線粒體損傷的重要原因之一，而力竭運(yùn)動(dòng)使心心肌細(xì)胞內(nèi)自由基和活性氧大量產(chǎn)生，并將從3個(gè)途徑引起Ca2+在線粒體和胞內(nèi)的分布異常，誘導(dǎo)線粒體的損傷。途徑一是干擾心肌細(xì)胞的肌漿網(wǎng)及細(xì)胞膜上的鈣通道，引起細(xì)胞鈣超載的發(fā)生而高濃度細(xì)胞Ca2+會(huì)增加磷脂酶A2的活性，其活性增強(qiáng)能夠?qū)е滦募〖?xì)胞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的降解[21]，同時(shí)其他Ca2+依賴性降解酶被激活，將對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生損害[22]。同時(shí)心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體將通過大量攝取Ca2+的方式緩解細(xì)胞內(nèi)鈣超載情況，引起線粒體鈣超載造成其損傷。途徑二是通過作用與線粒體氧化磷酸化過程，引起氧化磷酸化去偶聯(lián)，使H+通過UCP2的介導(dǎo)作用回流入線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)，減少了ATP的產(chǎn)生，由于心肌細(xì)胞能量不足膜及肌漿網(wǎng)不能將過多的Ca2+泵出細(xì)胞外或泵入肌漿網(wǎng)中，使得細(xì)胞鈣超載更加嚴(yán)重[23]。途徑三是通過誘導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)換孔MPTP通道的開放加重鈣超載現(xiàn)象。季永、喻田[24]等人的研究表明，線粒體的鈣超載會(huì)加強(qiáng)MPTP的開放，甚至導(dǎo)致其永久性開放，造成線粒體跨膜電位改變，線粒體內(nèi)容物喪失，水分子大量進(jìn)入線粒體引起線粒體腫脹、崩裂。另外，線粒體膜電位的改變將導(dǎo)致線粒體Ca2+大量釋放入心肌細(xì)胞，進(jìn)一步加重心肌細(xì)胞的鈣超載。3種途徑的共同作用使心肌細(xì)胞和線粒體內(nèi)鈣流通發(fā)生惡性循，誘導(dǎo)心肌組織各細(xì)胞的凋亡，而細(xì)胞大面積的凋亡使心臟收縮、舒張及泵血功能異常、惡性心律失常、心肌梗死，甚至猝死[25]。因此，Ca2+循環(huán)的變化可以作為心肌線粒體受損的敏感指標(biāo)，但在力竭運(yùn)動(dòng)中是否能通過調(diào)控Ca2+的流通來保護(hù)心肌線粒體還有待進(jìn)一步探討。

3.4 基因轉(zhuǎn)錄復(fù)制的調(diào)控作用

線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mtTFA）屬于HMG家族成員，它在線粒體呼吸鏈編碼基因的轉(zhuǎn)錄復(fù)制過程起到重要調(diào)控作用[26]。大量研究表明，mtTFA之所以能對(duì)線粒體DNA復(fù)制和mtTFA編碼基因轉(zhuǎn)錄起到促進(jìn)作用，是由于它能識(shí)別并結(jié)合線粒體DNA上的特定序列，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸鏈上蛋白質(zhì)亞基表達(dá)與mtTFA的調(diào)控有著密切的關(guān)系，影響著線粒體能量代謝功能的正常進(jìn)行，mtTFA的正常表達(dá)保證了線粒體的數(shù)量與完整性。秦國華等[27]人通過構(gòu)建核呼吸因子1（NRF1）來調(diào)節(jié)mtTFA的表達(dá)，進(jìn)而增加細(xì)胞內(nèi)ATP的產(chǎn)生，證實(shí)了mtTFA的表達(dá)能直接影響ATP的產(chǎn)生。同樣，Yeh Jeng、Shun Yeh等[28]人也發(fā)現(xiàn)，mtTFA敲除后的老鼠表現(xiàn)為mtDNA缺失和氧化磷酸化不足。而在力竭運(yùn)動(dòng)模型中，王瑩、常蕓等[29]人發(fā)現(xiàn)，mtTFA表達(dá)呈現(xiàn)出明顯的降低，心肌纖維線粒體的氧化能力受到直接影響，線粒體產(chǎn)能也隨之降低。同時(shí)力竭運(yùn)動(dòng)帶來的缺氧環(huán)境也將導(dǎo)致mtTFA表達(dá)的降低[30]，從而在基因的調(diào)控方面將直接影響心肌線粒體的氧化能力及ATP的產(chǎn)生。

因此，力竭運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致mtTFA表達(dá)的下調(diào)，從基因調(diào)控方面影響線粒體能量的合成?，F(xiàn)有研究表明，可通過苦碟子上調(diào)mtTFA的表達(dá)來減輕力竭運(yùn)動(dòng)或高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的大鼠心肌損傷的現(xiàn)象[31]，達(dá)到從線粒體方向保護(hù)心肌能量代謝的功效。

4 結(jié)語

健康運(yùn)動(dòng)、科學(xué)運(yùn)動(dòng)是當(dāng)今時(shí)代對(duì)運(yùn)動(dòng)的更高要求，知曉運(yùn)動(dòng)時(shí)能量代謝的關(guān)鍵點(diǎn)能有效預(yù)防高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)心肌能量不足所帶來的心肌損傷。多種心肌線粒體能量代謝中的物質(zhì)及蛋白通路將成為預(yù)防心肌運(yùn)動(dòng)損傷的重要切入點(diǎn)。深入研究線粒體在急性運(yùn)動(dòng)中對(duì)能量代謝的調(diào)控機(jī)制，對(duì)于保護(hù)與調(diào)控心臟功能，防止心肌能量代謝障礙的發(fā)生具有不可或缺的推動(dòng)作用。