線粒體功能損傷對心肌細胞的影響

周逸然 趙鵬軍

心肌損傷是心血管疾病常見的病理過程，線粒體作為心肌細胞中的重要細胞器，除提供能量外，也參與其能量轉(zhuǎn)換、細胞分化、細胞凋亡、免疫反應(yīng)、生物合成、離子活動平衡等生理活動。當線粒體功能損傷時，心肌的能量供給和多種細胞活動出現(xiàn)障礙，功能受到很大影響。

1 線粒體的結(jié)構(gòu)、功能和能量代謝

1.1 線粒體結(jié)構(gòu)和功能

線粒體是半自主性雙膜細胞器，受核DNA 和線粒體DNA（mtDNA）的影響。人類細胞中，mtDNA 位于線粒體基質(zhì)中，包含H 鏈和L 鏈，編碼線粒體能量代謝中的關(guān)鍵蛋白。線粒體主要通過氧化磷酸化過程產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP），為組織細胞提供能量。

1.2 心肌細胞中正常線粒體能量代謝

心臟是高能量需求器官，其重量僅為全身的0.5%，但消耗的ATP 占機體總ATP 消耗量的8%[1]，其中大量ATP 用于維持心肌細胞的收縮、舒張功能。為了提供足夠的ATP，心肌細胞中線粒體體積達到細胞體積的1/3[2]。心肌細胞中線粒體分為2組：纖維間線粒體和肌下線粒體。2 者結(jié)構(gòu)和生化差異明顯，肌下線粒體多為板狀嵴，而纖維間線粒體多為管狀嵴，纖維間線粒體氧化磷酸化速度快，許多酶活性也較高。2 者可以相互轉(zhuǎn)換[3]，適應(yīng)機體不同生理狀態(tài)。在胚胎發(fā)育階段，心肌細胞主要依賴葡萄糖的代謝產(chǎn)生ATP；出生后，心肌細胞中能量代謝逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾舅釣橹鱗4]。心臟病理情況下，心肌中線粒體代謝改變，而線粒體功能損傷也影響心肌的正常生理活動，兩者互相影響。

2 線粒體功能損傷對心肌細胞的影響

2.1 氧化應(yīng)激

活性氧（ROS）是氧化磷酸化過程中的副產(chǎn)物，主要在線粒體內(nèi)產(chǎn)生，受細胞抗氧化防御系統(tǒng)的控制。生理情況下，細胞ROS 含量維持在一定范圍內(nèi)，ROS 的穩(wěn)定有利于維持機體能量代謝的平衡[5]。適量的ROS 參與免疫防御、刺激細胞增殖和信號轉(zhuǎn)導。在機體內(nèi)環(huán)境異?；蚨喾N病理條件的影響下，線粒體功能障礙以及組織抗氧化防御系統(tǒng)失調(diào)[6]，ROS 產(chǎn)生增加，超過機體的調(diào)節(jié)能力，導致ROS 累積[7]，反而促進ROS 生成[8]，形成惡性循環(huán)，對正常生理活動產(chǎn)生負面影響。

過量的ROS 會對蛋白質(zhì)和脂質(zhì)代謝產(chǎn)生不利影響，誘發(fā)細胞能量代謝障礙，導致細胞死亡[9]。ROS 可以直接損傷mtDNA，由于缺乏組蛋白的保護，mtDNA 損傷后容易造成體細胞突變，影響相應(yīng)細胞的呼吸運動。微小RNA 被過度氧化后，會影響細胞基因表達，可能與心肌肥大的病理相關(guān)[10]。ROS 還會影響心肌中線粒體離子通道功能，改變心肌細胞能量供應(yīng)和動作電位[11]。

2.2 線粒體動力學失衡

線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能隨不同細胞和組織的能量需求和代謝水平而變化[12]。線粒體主要通過裂變和聚變的動態(tài)過程調(diào)控線粒體的數(shù)量、形態(tài)，進而調(diào)節(jié)線粒體的發(fā)生、分布、功能和自噬[12-13]。線粒體的裂變和聚變可以改變線粒體數(shù)量和形態(tài)，兩者相互協(xié)作調(diào)控線粒體結(jié)構(gòu)、功能和分布，控制線粒體的自噬降解，維持mtDNA 的穩(wěn)定，促進線粒體之間的信號交流[14]。線粒體的裂變主要受動力相關(guān)蛋白1 的調(diào)節(jié)；而聚變時，線粒體融合蛋白（Mfn）1、Mfn2、視神經(jīng)萎縮蛋白1 發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用[14]。線粒體動力學平衡對維持機體的正常生理活動有積極意義。動物實驗中，線粒體動力相關(guān)蛋白缺失的小鼠多患有嚴重的心臟病，甚至出現(xiàn)胚胎時期的死亡[15]。

線粒體動力學失衡影響線粒體的正常結(jié)構(gòu)、功能和分布，導致線粒體的能量代謝和生理活動異常，組織活動隨之受到影響。線粒體動力學失衡與癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)異常、心功能障礙、血管炎等疾病相關(guān)[16-17]。線粒體動力學異常還會影響心肌細胞的發(fā)育和分化，機制可能為異常的線粒體融合，影響鈣調(diào)磷酸酶和Notch1 信號轉(zhuǎn)導，抑制中胚層細胞分化為心肌細胞，阻礙胎兒心臟發(fā)育[18]。與成人不同，新生兒心肌細胞的線粒體主要散布在細胞質(zhì)中，線粒體動力學程度較高，因此，線粒體動力學異常對小兒心肌細胞的影響更大[19]。

2.3 線粒體自噬失調(diào)

線粒體自噬是重要的線粒體質(zhì)量控制機制，可消除受損的線粒體，去除組織細胞發(fā)育過程中需清除的線粒體，維持機體線粒體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)。人體中線粒體自噬主要由PTEN 誘導的蛋白激酶1（PINK1）和E3 泛素蛋白連接酶Parkin 調(diào)控，且與線粒體動力學息息相關(guān)，主要通過PINK1-Mfn2-Parkin 信號通路介導[20]。線粒體自噬的過度激活導致線粒體數(shù)量減少，無法為心肌細胞的收縮、舒張?zhí)峁┳銐虻哪芰?。心肌細胞中線粒體自噬不足，導致功能失調(diào)的線粒體累積，線粒體數(shù)量相對增多，ROS 生成過量，促凋亡因子的釋放增加[21]，而從自噬中逃逸的mtDNA可通過Toll 樣受體9（TLR9）信號通路，促進心肌細胞炎癥反應(yīng)[22]，影響心肌細胞的正常功能。

圍產(chǎn)期心肌細胞線粒體成熟，由胚胎時期以葡萄糖代謝為主，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾舅岽x為主，線粒體自噬在此過程發(fā)揮重要作用，介導發(fā)育中的心肌線粒體重構(gòu)，若相關(guān)蛋白異?；蛉狈Γ瑢嶒瀯游镄难芗膊〉陌l(fā)病傾向增加[22]。某些心肌病變和心力衰竭心肌細胞中發(fā)現(xiàn)的代謝重編程[4]，提示線粒體結(jié)構(gòu)和分布的改變，可能與線粒體動力學和自噬相關(guān)。推測某些遺傳性心肌病的心肌細胞中線粒體的結(jié)構(gòu)、分布、代謝和相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白的含量的改變，也許可以作為檢測心肌病的指標。

2.4 線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔異常

線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（mPTP）是線粒體的通道蛋白。正常生理條件下，線粒體膜有屏障作用，控制信號分子、酶類及離子的通過，維持正常線粒體功能。當線粒體氧化應(yīng)激和細胞鈣超載時，mPTP 打開，導致線粒體通透性改變，允許相對分子質(zhì)量＜1 500 的溶質(zhì)自由穿過線粒體內(nèi)膜，導致電子傳遞鏈解耦，ATP 合成受阻；有些線粒體腫脹甚至破裂，細胞色素C、半胱天冬酶激活蛋白、細胞凋亡誘導因子和mtDNA[23-24]被釋放到細胞質(zhì)中，誘導心肌細胞的凋亡、自噬和自身免疫性反應(yīng)[25-26]。胚胎發(fā)育過程中，mPTP 由早期非病理性開放轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉，線粒體結(jié)構(gòu)和功能成熟，促進心肌細胞的分化和發(fā)育[27]。發(fā)育過程中mPTP 關(guān)閉異常會導致某些心肌病的發(fā)生，隨著mPTP 分子結(jié)構(gòu)和功能研究的深入，未來mPTP 也許可以作為某些先天性心肌病的診療靶點。利用mPTP 開放促進細胞凋亡的作用，將來也可應(yīng)用于某些腫瘤的治療中，靶向促進腫瘤細胞的凋亡。

2.5 線粒體金屬離子通道異常

在線粒體雙層膜上，有多種通道和轉(zhuǎn)運體用于運輸不同的金屬離子，維持線粒體和細胞質(zhì)中的離子穩(wěn)態(tài)，保證線粒體和細胞的正常結(jié)構(gòu)和功能，如K+、Na+、Ca2+離子通道等。這些金屬離子在各個生命活動中發(fā)揮重要作用，包括調(diào)控酶活性、ATP 生成、線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)、信號轉(zhuǎn)導、細胞代謝、細胞結(jié)構(gòu)和功能、細胞增殖和凋亡等[28]。這些離子通道異常會影響心肌細胞膜的生物電活動，以及線粒體生理活動，加速細胞凋亡，影響心肌功能。

目前對于Ca2+的研究更加深入，線粒體中Ca2+的轉(zhuǎn)運由多種離子蛋白通道介導，易受其他離子的影響。當內(nèi)環(huán)境改變或線粒體Ca2+相關(guān)離子通道異常時，會導致鈣超載。鈣超載會對心肌細胞產(chǎn)生影響，促使ROS 產(chǎn)生增加，誘導mPTP 開放，并損傷心肌細胞信號轉(zhuǎn)導，增加心肌病的發(fā)生[7,29]。線粒體和心肌細胞中Zn2+、Fe2+/Fe3+、Mn2+、Al3+，Cu2+，Sn2+，Ni2+，Ba2+和其他金屬離子的穩(wěn)態(tài)同樣發(fā)揮重要作用，但其結(jié)構(gòu)、分布和具體功能仍需進一步研究。當某種金屬離子或金屬離子通道異常時，會影響其他金屬離子或金屬離子通道的正常功能，當離子濃度改變超過細胞組織調(diào)節(jié)水平時，線粒體與細胞質(zhì)的離子濃度差發(fā)生改變，線粒體和細胞功能受損，影響組織和器官的活動，導致人體內(nèi)環(huán)境的異常。

3 小結(jié)

線粒體的功能損傷影響心肌細胞的正常功能，線粒體的功能改變是心血管疾病患者的致病因素[30]。但線粒體涉及的機制復雜，各種損傷機制之間相互聯(lián)系、相互影響；線粒體功能損傷對全身組織和器官均有影響，會間接影響心肌的生理活動；線粒體在胎兒和幼兒生長發(fā)育過程中特異性變化的相關(guān)研究相對較少。線粒體功能的具體分子機制和影響因素還需進一步研究。