力竭運動對心肌線粒體結構與功能影響的研究進展

王雪綺 陸矯

(南京體育學院運動健康學院 江蘇南京 210014)

現(xiàn)如今全民運動不斷發(fā)展，運動健身的理念深入人心，隨之而來的是高強度運動引發(fā)運動性心肌損傷概率的逐步升高，運動性心肌損傷已成為心臟損傷中的常見類型之一。高強度運動或力竭運動會造成心肌的能量代謝障礙、缺血缺氧反應和機體的神經(jīng)內(nèi)分泌改變等，長此以往，引起心肌細胞結構形態(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胞功能正常運行的關鍵所在，一直是體育科學領域關注的焦點。大量研究表明，心肌線粒體作為心肌細胞中的重要細胞器，有通過氧化磷酸化產(chǎn)能并且調控心肌細胞內(nèi)Ca2+濃度等作用。在力竭運動中，心肌線粒體內(nèi)的蛋白表達量和蛋白通道的開放程度都因能量代謝因子表達的變化而發(fā)生變化，對心肌細胞的能量代謝產(chǎn)生一系列的影響。線粒體結構和功能的完整性對于力竭運動時心肌的能量代謝有著重要影響。該文旨在探討哪些物質對心肌線粒體能量代謝具有重要的調控作用，是否能通過這些物質起到保護線粒體結構和功能，預防運動所致的心肌細胞能量代謝障礙的作用，為預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系

心臟是一個高耗能的器官，它需要通過能量代謝將儲存在脂肪酸或葡萄糖中的化學能轉化為機械能，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。線粒體是生物體能量代謝的重要場所，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，它是生物氧化產(chǎn)生ATP的重要結構[1]。能量底物（葡萄糖等）經(jīng)糖酵解過程后生成丙酮酸，丙酮酸進入線粒體轉化成乙酰輔酶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進入氧化磷酸化過程中，線粒體內(nèi)膜基質側的中的H+利用電子經(jīng)線粒體呼吸鏈釋放出的能量，通過復合體的質子泵功能轉移至線粒體內(nèi)膜外側，由于內(nèi)外膜具有質子濃度差異，所以形成了電化學梯度，而質子的電化學梯度轉變?yōu)橘|子驅動力，使質子H+回流到線粒體內(nèi)膜基質中，回流過程驅動二磷酸腺苷（ADP）結合磷酸（Pi）生成ATP[2]。ATP從線粒體向心肌纖維肌絲轉運、儲存，為心臟的搏動提供能量供應。線粒體對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)膜上進行，因此只有線粒體結構完整、功能正常，才能保證對心肌細胞的能量供應。運動過程中，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，此時線粒體結構和功能的穩(wěn)定是維持心肌收縮能力的重要保證。然而機體在進行高強度運動或力竭運動時，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，往往處于相對缺血缺氧的狀態(tài)，線粒體通透轉換孔的開放，解偶聯(lián)蛋白表達的升高、鈣離子超載等是誘發(fā)線粒體形態(tài)結構改變和功能障礙的重要因素。

2 力竭運動致心肌線粒體結構改變

大量研究指出，進行力竭運動會導致亞細胞結構發(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，引起線粒體微觀結構改變和氧化磷酸化、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)生可能與過度運動情況下心肌缺血缺氧，心肌細胞肌漿網(wǎng)和細胞膜上的鈣泵因獲得的能量不足而導致的心肌細胞鈣超載有關。常蕓等[6]研究發(fā)現(xiàn)，力竭運動后小鼠的線粒體結構變化表現(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，個別呈現(xiàn)空泡化等。宋丹云等[7]對大鼠進行超負荷訓練后，用形態(tài)計量學方法對心肌細胞線粒體超細微結構進行研究，觀察到運動后大鼠心肌細胞線粒體的形態(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，因此當內(nèi)膜上的嵴發(fā)生斷裂后，線粒體進行氧化磷酸化的能力減弱，ATP的產(chǎn)量下降，引發(fā)細胞內(nèi)能量代謝異常，心肌收縮力降低，最終導致心肌缺氧，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 力竭運動對線粒體功能的影響

3.1 MPTP開放的影響

線粒體滲透性轉換通道（MPTP）是具有非選擇性和高導電性的通道，它橫跨過線粒體的內(nèi)外膜，具有調控物質進出、控制線粒體內(nèi)外膜離子平衡、調控細胞凋亡、壞死等功能[9]。正常生理情況下，線粒體轉換孔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的物質通過，對維持線粒體穩(wěn)定，膜電位處于動態(tài)平衡狀態(tài)具有非常重要的作用。在細胞受到損傷應激或受體介導的信號刺激情況下，MPTP處在高水平持續(xù)開放狀態(tài)，大量物質非選擇性地通過，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，同時還將產(chǎn)生大量ROS；另外，大量物質的進入導致線粒體膜內(nèi)外滲透壓發(fā)生改變，引起線粒體水腫或破裂，當線粒體結構遭到破壞不再完整時，線粒體膜間隙中的大量促凋亡物質，如細胞色素C、核酸內(nèi)切酶G等凋亡因子將被釋放入胞質中，誘導細胞凋亡發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，心肌缺血再灌注誘導的細胞鈣超載、氧化應激、磷酸鹽濃度增高，都將致使心肌MPTP持續(xù)開放，引起線粒體結構及功能的障礙，甚至細胞凋亡；而抗氧化劑的使用和抑制鈣超載則能減少MPTP的開放，改善心肌能量代謝障礙的情況，誘導心肌保護作用。此外，研究顯示，力竭運動將導致MPTP的開放，在進行高強度運動或力竭運動時，機體內(nèi)的自由基生成增多，大量的自由基和力竭運動中產(chǎn)生的機械摩擦刺激等多方面因素會誘導線粒體MPTP的永久性開放，導致線粒體ATP合成障礙，大量的開放也將導致氧化磷酸化去偶聯(lián)的產(chǎn)生，并在解偶聯(lián)蛋白的介導下導致ATP產(chǎn)量的減少[10]。不僅如此，力竭運動過程中，MPTP的大量開放也將會導致鈣超載現(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胞，引起心肌細胞鈣超載，破壞細胞的Ca2+平衡[11]。而在力竭運動中，MPTP大量的開放時也將造成線粒體內(nèi)膜基質側與內(nèi)膜外側電子梯度差消失，H+無法順電化學梯度回流，驅動ATP的產(chǎn)生。不過，現(xiàn)有的研究表明，力竭運動所致MPTP開放不會引起細胞色素C泄露誘導的心肌細胞凋亡的發(fā)生。

3.2 解偶聯(lián)蛋白上調的作用

解偶聯(lián)蛋白2（UCP2）是線粒體內(nèi)膜上的質子轉運體，其生理功能主要為氧化還原調節(jié)，減少氧自由基生成及參與脂質、脂肪酸代謝、三羧酸循環(huán)代謝產(chǎn)物調節(jié)運輸?shù)淖饔肹12]。正常情況下，線粒體內(nèi)膜外側H+能順電化學梯度回流入線粒體基質，驅動ADP與Pi結合產(chǎn)生ATP；另外，H+還可以在UCP2的介導下不通過ATP合成酶直接經(jīng)跨膜擴散進入線粒體基質，引起氧化磷酸化偶聯(lián)進行H+的轉運，這樣的轉運形式被稱為“質子漏”，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，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。在運動中，李曉燕等[14]等人發(fā)現(xiàn)，力竭運動將會引起心肌UCP2表達的上調，表明在H+無法順電化學梯度回流的情況下，H+經(jīng)過UCP2介導的轉運顯著增加，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)，心肌細胞能量不足，造成能量代謝障礙產(chǎn)生細胞損傷，促進凋亡因子釋放，影響心臟功能的正常發(fā)揮，嚴重的甚至會導致心肌細胞的凋亡[15,16]，還可能引起酸中毒，造成心力衰竭[17]。

事實上，在線粒體因質子電化學梯度過高引起電子發(fā)生泄漏，誘導超氧陰離子表達升高的情況下，UCP2能通過降低質子電化學梯度，調控反應活性氧（ROS）的生成。Teshima等[18]報道培養(yǎng)大鼠心肌細胞后，通過腺病毒傳染表達UCP2后能夠顯著降低線粒體鈣超載和ROS的生成。急性力竭運動會可誘導心肌發(fā)生缺血缺氧改變，引起細胞內(nèi)ROS堆積，造成生物膜的脂質過氧化損傷，但力竭運動中UCP2表達的上升是否對ROS有抑制作用還有待進一步研究。因此，在力竭運動過程中，UCP2表達升高很可能是一把雙刃劍，在引起心肌代謝障礙的同時，又通過對ROS的調控對心肌起到保護作用。

3.3 鈣超載的影響機制

心肌細胞中適量的Ca2+對維持心肌細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)外鈣濃度差和調控心肌細胞中鈣濃度的作用。它在心肌細胞胞漿內(nèi)充當?shù)诙攀?，促進ATP的生成[19]。蔣磊、周振茂[20]等人發(fā)現(xiàn)，鈣穩(wěn)態(tài)失調是線粒體損傷的重要原因之一，而力竭運動使心心肌細胞內(nèi)自由基和活性氧大量產(chǎn)生，并將從3個途徑引起Ca2+在線粒體和胞內(nèi)的分布異常，誘導線粒體的損傷。途徑一是干擾心肌細胞的肌漿網(wǎng)及細胞膜上的鈣通道，引起細胞鈣超載的發(fā)生而高濃度細胞Ca2+會增加磷脂酶A2的活性，其活性增強能夠導致心肌細胞細胞膜結構的降解[21]，同時其他Ca2+依賴性降解酶被激活，將對細胞膜產(chǎn)生損害[22]。同時心肌細胞內(nèi)線粒體將通過大量攝取Ca2+的方式緩解細胞內(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的介導作用回流入線粒體內(nèi)膜基質側，減少了ATP的產(chǎn)生，由于心肌細胞能量不足膜及肌漿網(wǎng)不能將過多的Ca2+泵出細胞外或泵入肌漿網(wǎng)中，使得細胞鈣超載更加嚴重[23]。途徑三是通過誘導線粒體轉換孔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，線粒體的鈣超載會加強MPTP的開放，甚至導致其永久性開放，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致線粒體Ca2+大量釋放入心肌細胞，進一步加重心肌細胞的鈣超載。3種途徑的共同作用使心肌細胞和線粒體內(nèi)鈣流通發(fā)生惡性循，誘導心肌組織各細胞的凋亡，而細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，但在力竭運動中是否能通過調控Ca2+的流通來保護心肌線粒體還有待進一步探討。

3.4 基因轉錄復制的調控作用

線粒體轉錄因子A（mtTFA）屬于HMG家族成員，它在線粒體呼吸鏈編碼基因的轉錄復制過程起到重要調控作用[26]。大量研究表明，mtTFA之所以能對線粒體DNA復制和mtTFA編碼基因轉錄起到促進作用，是由于它能識別并結合線粒體DNA上的特定序列，同時研究發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸鏈上蛋白質亞基表達與mtTFA的調控有著密切的關系，影響著線粒體能量代謝功能的正常進行，mtTFA的正常表達保證了線粒體的數(shù)量與完整性。秦國華等[27]人通過構建核呼吸因子1（NRF1）來調節(jié)mtTFA的表達，進而增加細胞內(nèi)ATP的產(chǎn)生，證實了mtTFA的表達能直接影響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。而在力竭運動模型中，王瑩、常蕓等[29]人發(fā)現(xiàn)，mtTFA表達呈現(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。同時力竭運動帶來的缺氧環(huán)境也將導致mtTFA表達的降低[30]，從而在基因的調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，力竭運動會導致mtTFA表達的下調，從基因調控方面影響線粒體能量的合成。現(xiàn)有研究表明，可通過苦碟子上調mtTFA的表達來減輕力竭運動或高強度運動所導致的大鼠心肌損傷的現(xiàn)象[31]，達到從線粒體方向保護心肌能量代謝的功效。

4 結語

健康運動、科學運動是當今時代對運動的更高要求，知曉運動時能量代謝的關鍵點能有效預防高強度運動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及蛋白通路將成為預防心肌運動損傷的重要切入點。深入研究線粒體在急性運動中對能量代謝的調控機制，對于保護與調控心臟功能，防止心肌能量代謝障礙的發(fā)生具有不可或缺的推動作用。