综述线粒体与心肌细胞能量代谢相关性的研究进展
摘要：
心脏具有代谢活跃，能量需求高，线粒体含量丰富等特点，临床上一系列心脏疾病的发生发展均与线粒体代谢功能异常息息相关[1]。因此研究线粒体、心脏发育及能量代谢间的关系，对疾病治疗具有重要的指导意义。近年有不少学者在此方面进行了深入的研究，本文对这些研究的结果做以总结，分别从心肌细胞分化与能量代谢、心肌线粒体与能量代谢、线粒体与心肌细胞功能状态、线粒体动力学与心肌能量代谢等方面进行综述。
关键词：能量代谢；线粒体；心肌细胞；线粒体动力学
一、心肌细胞分化与能量代谢
心肌细胞的分化与成熟经历了从最初的胚胎干细胞到多功能干细胞，再到心肌祖细胞，通过一步步增殖和分化，最终发育成熟并组建成功能完整的心脏。心脏是胚胎发育过程中形成的第一个功能性器官系统，每天心脏三磷酸腺苷（ATP）的转化量是其体质量的15 ~ 20倍。各种营养物质经摄入后被运输至全身细胞，成为心肌细胞的选择性底物，在心肌细胞线粒体中进行的底物反应是能量的来源。心肌能量消耗与心脏发育状态及所处环境密切相关，在生理情况下，心肌能量消耗大部分依赖于氧化脂肪酸，葡萄糖及乳酸、酮体、氨基酸和丙酮酸，其中脂肪酸及葡萄糖代谢最为活跃，最终95%都通过氧化磷酸化生成ATP[2]。在心衰终末期，脂肪酸氧化明显减少，葡萄糖氧化增加[3]，心肌组织中游离脂肪酸的堆积可抑制糖酵解，使心肌能量代谢进一步恶化，从而加重心肌重构，加剧心功能恶化。此外糖酵解/糖氧化比例的失调可进一步造成代谢产物堆积，加剧心肌细胞的受损程度，游离脂肪酸作为能量来源不如葡萄糖有效，产生等量的ATP需要多消耗10%的氧。有研究显示，在糖尿病患者中，心脏脂肪酸氧化增加致使心肌耗氧量增加，但心肌收缩水平没有同等增高[4]。
胚胎早期心肌细胞依赖无氧糖酵解的方式获取能量，此阶段主要由葡萄糖氧化代谢供能。胚胎发育晚期及胎儿期的心肌细胞线粒体氧化能力持续性增加，此阶段能量来源主要是乳酸，但葡萄糖代谢有所降低，脂肪酸代谢开始增加。在出生后一周内，新生儿时期的心肌细胞依旧极少依赖于脂肪酸代谢，而在一周之后，转变开始发生，葡萄糖及乳酸代谢水平均降低，脂肪酸代谢增加到成人水平。成人心肌细胞90%的能量来源于脂肪酸氧化和线粒体氧化磷酸化。以上心肌细胞的分化过程，体现了其能量利用从无氧糖酵解到有氧氧化的代谢转变，且此过程伴随了线粒体电子传递链酶活性的增加。
二、线粒体与能量代谢
ATP，ROS和Ca2 信号整合在心肌线粒体中的概念现已得到公认[5]。在成熟的心肌细胞中，每次钙离子瞬时电流的形成，都得益于肌浆网上释放钙离子区域毗邻的线粒体的作用。这种线粒体促使的钙离子瞬时电流激活了柠檬酸循环和电子传递链，进而引起ATP产量增加，同时引起心肌细胞收缩，即兴奋-代谢耦联现象。因为线粒体可以通过吸收和释放钙离子的方式来调控胞浆内钙离子的水平，所以任何具有钙离子依赖性的生理活动都会受到线粒体的调控。而且，线粒体通过为钙离子转运蛋白提供ATP来控制钙离子的转运和胞浆代谢水平。另外，线粒体也是细胞内氧化还原的主要调控者，包括氧化和抗氧化作用。氧化作用产生活性氧簇，活性氧簇能够氧化别的分子，而抗氧化作用能够转变活性氧簇为低活性氧簇。总体来说，过高的氧化压力( 氧化剂/抗氧化剂比值高)与细胞凋亡密切相关。
