王雪绮 陆矫

(南京体育学院运动健康学院 江苏南京 210014)

现如今全民运动不断发展，运动健身的理念深入人心，随之而来的是高强度运动引发运动性心肌损伤概率的逐步升高，运动性心肌损伤已成为心脏损伤中的常见类型之一。高强度运动或力竭运动会造成心肌的能量代谢障碍、缺血缺氧反应和机体的神经内分泌改变等，长此以往，引起心肌细胞结构形态及其功能发生代偿性变化，而心肌能量代谢作为支撑细胞功能正常运行的关键所在，一直是体育科学领域关注的焦点。大量研究表明，心肌线粒体作为心肌细胞中的重要细胞器，有通过氧化磷酸化产能并且调控心肌细胞内Ca2+浓度等作用。在力竭运动中，心肌线粒体内的蛋白表达量和蛋白通道的开放程度都因能量代谢因子表达的变化而发生变化，对心肌细胞的能量代谢产生一系列的影响。线粒体结构和功能的完整性对于力竭运动时心肌的能量代谢有着重要影响。该文旨在探讨哪些物质对心肌线粒体能量代谢具有重要的调控作用，是否能通过这些物质起到保护线粒体结构和功能，预防运动所致的心肌细胞能量代谢障碍的作用，为预防心肌线粒体损伤提供思路。

1 线粒体与心脏能量代谢的关系

心脏是一个高耗能的器官，它需要通过能量代谢将储存在脂肪酸或葡萄糖中的化学能转化为机械能，以提供足够的能量来满足自身正常的泵血功能。心肌细胞的能量主要来源于线粒体，丰富的线粒体是心肌维持正常舒张和收缩功能的基础。线粒体是生物体能量代谢的重要场所，其中线粒体内膜内陷成嵴，增加膜面积以承载多种能量代谢物质，它是生物氧化产生ATP的重要结构[1]。能量底物（葡萄糖等）经糖酵解过程后生成丙酮酸，丙酮酸进入线粒体转化成乙酰辅酶A，通过三羧酸循环氧化分解产生少量的ATP，在乙酰辅酶A进入氧化磷酸化过程中，线粒体内膜基质侧的中的H+利用电子经线粒体呼吸链释放出的能量，通过复合体的质子泵功能转移至线粒体内膜外侧，由于内外膜具有质子浓度差异，所以形成了电化学梯度，而质子的电化学梯度转变为质子驱动力，使质子H+回流到线粒体内膜基质中，回流过程驱动二磷酸腺苷（ADP）结合磷酸（Pi）生成ATP[2]。ATP从线粒体向心肌纤维肌丝转运、储存，为心脏的搏动提供能量供应。线粒体对心肌能量代谢具有重要的作用，由于氧化磷酸化需要在完整和封闭的线粒体内膜上进行，因此只有线粒体结构完整、功能正常，才能保证对心肌细胞的能量供应。运动过程中，随着心脏泵血功能的提升，心肌收缩速度和力量增加，耗能急剧升高，此时线粒体结构和功能的稳定是维持心肌收缩能力的重要保证。然而机体在进行高强度运动或力竭运动时，大鼠心肌线粒体内的ATP合成能力明显降低[3]，心肌在面临有限的血氧供给和高能耗的状态下，往往处于相对缺血缺氧的状态，线粒体通透转换孔的开放，解偶联蛋白表达的升高、钙离子超载等是诱发线粒体形态结构改变和功能障碍的重要因素。

2 力竭运动致心肌线粒体结构改变

大量研究指出，进行力竭运动会导致亚细胞结构发生变化，抑制有氧氧化，减少ATP生成，降低心肌收缩力，破坏线粒体膜完整性，引起线粒体微观结构改变和氧化磷酸化、钙超载等功能异常。杨洁等[4]研究发现，力竭小鼠心肌细胞线粒体的形态改变有部分线粒体的嵴出现断裂，甚至出现溶解的情况[5]，另有一部分线粒体形成了致密颗粒，这种致密颗粒的产生可能与过度运动情况下心肌缺血缺氧，心肌细胞肌浆网和细胞膜上的钙泵因获得的能量不足而导致的心肌细胞钙超载有关。常芸等[6]研究发现，力竭运动后小鼠的线粒体结构变化表现为肿胀并伴随着嵴的瓦解，线粒体体积增大，线粒体膜之间的间隙变窄，个别呈现空泡化等。宋丹云等[7]对大鼠进行超负荷训练后，用形态计量学方法对心肌细胞线粒体超细微结构进行研究，观察到运动后大鼠心肌细胞线粒体的形态各异，但大部分都明显肿胀，其嵴出现模糊，局部或全部断裂等现象。由于氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜，因此当内膜上的嵴发生断裂后，线粒体进行氧化磷酸化的能力减弱，ATP的产量下降，引发细胞内能量代谢异常，心肌收缩力降低，最终导致心肌缺氧，造成缺氧和能量代谢之间的恶性循环，加剧心肌损伤的发生[8]。

3 力竭运动对线粒体功能的影响

3.1 MPTP开放的影响

线粒体渗透性转换通道（MPTP）是具有非选择性和高导电性的通道，它横跨过线粒体的内外膜，具有调控物质进出、控制线粒体内外膜离子平衡、调控细胞凋亡、坏死等功能[9]。正常生理情况下，线粒体转换孔MPTP是呈现间断性开放的并且具有可逆性，可限制性地允许一些分子量≤1500的物质通过，对维持线粒体稳定，膜电位处于动态平衡状态具有非常重要的作用。在细胞受到损伤应激或受体介导的信号刺激情况下，MPTP处在高水平持续开放状态，大量物质非选择性地通过，线粒体膜电位梯度消失，呼吸链电子传递发生障碍，引起氧化磷酸化去偶联连，使ATP合成障碍，同时还将产生大量ROS；另外，大量物质的进入导致线粒体膜内外渗透压发生改变，引起线粒体水肿或破裂，当线粒体结构遭到破坏不再完整时，线粒体膜间隙中的大量促凋亡物质，如细胞色素C、核酸内切酶G等凋亡因子将被释放入胞质中，诱导细胞凋亡发生。研究发现，心肌缺血再灌注诱导的细胞钙超载、氧化应激、磷酸盐浓度增高，都将致使心肌MPTP持续开放，引起线粒体结构及功能的障碍，甚至细胞凋亡；而抗氧化剂的使用和抑制钙超载则能减少MPTP的开放，改善心肌能量代谢障碍的情况，诱导心肌保护作用。此外，研究显示，力竭运动将导致MPTP的开放，在进行高强度运动或力竭运动时，机体内的自由基生成增多，大量的自由基和力竭运动中产生的机械摩擦刺激等多方面因素会诱导线粒体MPTP的永久性开放，导致线粒体ATP合成障碍，大量的开放也将导致氧化磷酸化去偶联的产生，并在解偶联蛋白的介导下导致ATP产量的减少[10]。不仅如此，力竭运动过程中，MPTP的大量开放也将会导致钙超载现象的发生和加重，造成线粒体的损伤，Ca2+流出线粒体释放入心肌细胞，引起心肌细胞钙超载，破坏细胞的Ca2+平衡[11]。而在力竭运动中，MPTP大量的开放时也将造成线粒体内膜基质侧与内膜外侧电子梯度差消失，H+无法顺电化学梯度回流，驱动ATP的产生。不过，现有的研究表明，力竭运动所致MPTP开放不会引起细胞色素C泄露诱导的心肌细胞凋亡的发生。

3.2 解偶联蛋白上调的作用

解偶联蛋白2（UCP2）是线粒体内膜上的质子转运体，其生理功能主要为氧化还原调节，减少氧自由基生成及参与脂质、脂肪酸代谢、三羧酸循环代谢产物调节运输的作用[12]。正常情况下，线粒体内膜外侧H+能顺电化学梯度回流入线粒体基质，驱动ADP与Pi结合产生ATP；另外，H+还可以在UCP2的介导下不通过ATP合成酶直接经跨膜扩散进入线粒体基质，引起氧化磷酸化偶联进行H+的转运，这样的转运形式被称为“质子漏”，在此过程中不产生ATP，能量以热能的形式散发[13]。在心衰大鼠的模型中发现，UCP2的上调引起心肌能量代谢障碍，是诱发或加重心衰的重要原因，而用培哚普利抑制UCP2的表达，能通过改善心肌能量代谢，缓解心衰的恶化，可引起心肌代谢功能障碍。在运动中，李晓燕等[14]等人发现，力竭运动将会引起心肌UCP2表达的上调，表明在H+无法顺电化学梯度回流的情况下，H+经过UCP2介导的转运显著增加，使得大量的能量通过热能的形式散发而不产生ATP，致使线粒体ATP产量下降，使心肌无论是收缩还是舒张都处于消耗能量的状态，心肌细胞能量不足，造成能量代谢障碍产生细胞损伤，促进凋亡因子释放，影响心脏功能的正常发挥，严重的甚至会导致心肌细胞的凋亡[15,16]，还可能引起酸中毒，造成心力衰竭[17]。

事实上，在线粒体因质子电化学梯度过高引起电子发生泄漏，诱导超氧阴离子表达升高的情况下，UCP2能通过降低质子电化学梯度，调控反应活性氧（ROS）的生成。Teshima等[18]报道培养大鼠心肌细胞后，通过腺病毒传染表达UCP2后能够显著降低线粒体钙超载和ROS的生成。急性力竭运动会可诱导心肌发生缺血缺氧改变，引起细胞内ROS堆积，造成生物膜的脂质过氧化损伤，但力竭运动中UCP2表达的上升是否对ROS有抑制作用还有待进一步研究。因此，在力竭运动过程中，UCP2表达升高很可能是一把双刃剑，在引起心肌代谢障碍的同时，又通过对ROS的调控对心肌起到保护作用。

3.3 钙超载的影响机制

心肌细胞中适量的Ca2+对维持心肌细胞正常功能有着重要的作用，在正常情况下，Ca2+起到影响线粒体内外钙浓度差和调控心肌细胞中钙浓度的作用。它在心肌细胞胞浆内充当第二信使，促进ATP的生成[19]。蒋磊、周振茂[20]等人发现，钙稳态失调是线粒体损伤的重要原因之一，而力竭运动使心心肌细胞内自由基和活性氧大量产生，并将从3个途径引起Ca2+在线粒体和胞内的分布异常，诱导线粒体的损伤。途径一是干扰心肌细胞的肌浆网及细胞膜上的钙通道，引起细胞钙超载的发生而高浓度细胞Ca2+会增加磷脂酶A2的活性，其活性增强能够导致心肌细胞细胞膜结构的降解[21]，同时其他Ca2+依赖性降解酶被激活，将对细胞膜产生损害[22]。同时心肌细胞内线粒体将通过大量摄取Ca2+的方式缓解细胞内钙超载情况，引起线粒体钙超载造成其损伤。途径二是通过作用与线粒体氧化磷酸化过程，引起氧化磷酸化去偶联，使H+通过UCP2的介导作用回流入线粒体内膜基质侧，减少了ATP的产生，由于心肌细胞能量不足膜及肌浆网不能将过多的Ca2+泵出细胞外或泵入肌浆网中，使得细胞钙超载更加严重[23]。途径三是通过诱导线粒体转换孔MPTP通道的开放加重钙超载现象。季永、喻田[24]等人的研究表明，线粒体的钙超载会加强MPTP的开放，甚至导致其永久性开放，造成线粒体跨膜电位改变，线粒体内容物丧失，水分子大量进入线粒体引起线粒体肿胀、崩裂。另外，线粒体膜电位的改变将导致线粒体Ca2+大量释放入心肌细胞，进一步加重心肌细胞的钙超载。3种途径的共同作用使心肌细胞和线粒体内钙流通发生恶性循，诱导心肌组织各细胞的凋亡，而细胞大面积的凋亡使心脏收缩、舒张及泵血功能异常、恶性心律失常、心肌梗死，甚至猝死[25]。因此，Ca2+循环的变化可以作为心肌线粒体受损的敏感指标，但在力竭运动中是否能通过调控Ca2+的流通来保护心肌线粒体还有待进一步探讨。

3.4 基因转录复制的调控作用

线粒体转录因子A（mtTFA）属于HMG家族成员，它在线粒体呼吸链编码基因的转录复制过程起到重要调控作用[26]。大量研究表明，mtTFA之所以能对线粒体DNA复制和mtTFA编码基因转录起到促进作用，是由于它能识别并结合线粒体DNA上的特定序列，同时研究发现线粒体呼吸链上蛋白质亚基表达与mtTFA的调控有着密切的关系，影响着线粒体能量代谢功能的正常进行，mtTFA的正常表达保证了线粒体的数量与完整性。秦国华等[27]人通过构建核呼吸因子1（NRF1）来调节mtTFA的表达，进而增加细胞内ATP的产生，证实了mtTFA的表达能直接影响ATP的产生。同样，Yeh Jeng、Shun Yeh等[28]人也发现，mtTFA敲除后的老鼠表现为mtDNA缺失和氧化磷酸化不足。而在力竭运动模型中，王莹、常芸等[29]人发现，mtTFA表达呈现出明显的降低，心肌纤维线粒体的氧化能力受到直接影响，线粒体产能也随之降低。同时力竭运动带来的缺氧环境也将导致mtTFA表达的降低[30]，从而在基因的调控方面将直接影响心肌线粒体的氧化能力及ATP的产生。

因此，力竭运动会导致mtTFA表达的下调，从基因调控方面影响线粒体能量的合成。现有研究表明，可通过苦碟子上调mtTFA的表达来减轻力竭运动或高强度运动所导致的大鼠心肌损伤的现象[31]，达到从线粒体方向保护心肌能量代谢的功效。

4 结语

健康运动、科学运动是当今时代对运动的更高要求，知晓运动时能量代谢的关键点能有效预防高强度运动心肌能量不足所带来的心肌损伤。多种心肌线粒体能量代谢中的物质及蛋白通路将成为预防心肌运动损伤的重要切入点。深入研究线粒体在急性运动中对能量代谢的调控机制，对于保护与调控心脏功能，防止心肌能量代谢障碍的发生具有不可或缺的推动作用。