杨水祥：心力衰竭与心肌能量代谢

摘要：心肌能量代谢障碍是心力衰竭发生发展的病理生理原因之一。急性缺血缺氧使能量代谢发生改变，但起关键作用的是心脏能量代谢重构。本文将综述这方面的进展。
关键词：心力衰竭：心肌能量代谢

引言：心脏是特殊的Ⅰ型横纹肌组织，它的能量供应主要由有氧代谢供应。正常人体在静息状态下，心脏可以利用冠脉循环中60-65%的O2，氧利用率约是每克心肌4.5μmol/min，运动时可达3-4倍。生理情况下，心肌对O2最大摄取率明显高于其它器官。左心室承受的压力、容量负荷远高于右心室，因而是消耗氧的主要部位。尽管心脏由多种不同的细胞所组成，但心肌细胞约占75%。心肌细胞拥有发达的肌原纤维及有氧代谢系统，可以使心脏在体内进行有节律的收缩，保证血液从心室中射出。
    尽管肌原纤维占据了细胞内大部分的空间，但线粒体仍占有30%左右的区域。在心脏中，细胞器可将ADP与无机磷酸盐重新转化为ATP供能。ATP是一种能量转换分子，其与能量物质代谢及对外作功（主要是肌原纤维的收缩，离子转运，生物合成等）相耦联。线粒体具有内外两层膜，内膜向基质折叠形成线粒体嵴。线粒体内部相对独立的环境对ATP的产生具有重要意义。
    心脏中所含的ATP仅能维持少量的收缩活动，含有的内源性物质（葡萄糖、甘油三酯等）也不足以支持心脏完成所有功能。为保证能量物质氧化，产生足够的ATP及完成心肌收缩，高度完善的冠脉循环系统需不断地运送O2、能量物质，并带走代谢产物及CO2。如同体内其它组织一样，心脏中也含有磷酸肌酸（PCr），其可以在ATP利用急剧增高时暂时充当ATP缓冲物质。PCr将磷酸根转移给ADP生成ATP，此过程由肌酸激酶催化。反应平衡式为：PCr + ADP + H+ ⇄肌酸 + ATP（1）
    即使如此，PCr的浓度也仅为ATP的两倍左右，肌酸激酶的活性受到ATP浓度的抑制。
    正常心脏的能量代谢 
    心肌收缩的能量供应
    心脏在代谢调控范围内可以利用多种能量物质。人体心脏内氧化反应的底物主要是脂质（长链脂肪酸LCFAs，如：软脂酸盐、甘油三酯、酮体等等）及糖类物质（葡萄糖、乳酸、丙酮酸）。心脏也可氧化氨基酸，但所占比例较小。目前已知，人体心脏70%的能量供应来源于脂质衍生物，这主要是指脂质吸收后代谢比较活跃的阶段。
    葡萄糖代谢
    葡萄糖代谢的初级阶段在细胞质中完成。葡萄糖由两种载体介导通过细胞膜，分别是1、4型葡萄糖转运体（GLUT1、GLUT4）。经由GLUT1转运的葡萄糖是细胞内的基本组成成分，而GLUT4介导的是诱导吸收的葡萄糖。胰岛素可使胞内GLUT4向膜上聚集进而增加葡萄糖的吸收。胞内的葡萄糖主要为收缩提供能量，此外，在胞内聚集储存成为碳水化合物、糖原。正常情况下，心脏储存糖原的能力有限，其分解可能不具备定量研究的意义。在某些病理情况下（如心肌梗塞时，外源性能量及氧气供给中断），糖原可暂时性提供能量。
葡萄糖经糖酵解途径分解生成丙酮酸，每分子葡萄糖氧化释放的能量可重新生成两分子ATP。底物水平磷酸化发生在磷酸甘油酸激酶及丙酮酸激酶步骤。同时，两分子的电子受体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）被还原为NADH。糖酵解在缺氧条件下，但经此途径产生的ATP与葡萄糖完全氧化所产生的量相比是微不足道的。心脏一般处于有氧环境中，丙酮酸转运至线粒体内，糖酵解途径所产生的电子（如：NADH）进入“穿梭”机制（苹果酸/天冬氨酸穿梭）重新产生胞质NAD+。
    心脏可以利用循环中其他组织无氧代谢产生的乳酸。首先，乳酸经胞浆中的乳酸脱氢酶氧化成丙酮酸（如：2）
乳酸 + NAD+ ⇄ 丙酮酸 + NADH + H+ （2)
    丙酮酸、NADH生成后继续进行代谢循环。在无氧或缺氧环境下，有氧代谢降低，乳酸脱氢酶反应逆向进行，乳酸、NAD+产生增多。
    线粒体丙酮酸代谢
    在线粒体内，丙酮酸经丙酮酸脱氢酶多聚酶复合体（PDH-MEC）氧化产生乙酰CoA及CO2，NAD+还原为NADH。该步骤在生理条件下是不可逆的，因而是重要的调节点。肝、肾可通过糖异生途径利用丙酮酸、乳酸重新合成葡萄糖。PDH-MEC的活性受到精确的调控，其活性与动物体营养状态密切相关。在空腹状态下，PDH-MEC活性下降使组织可以保存外源性葡萄糖，这主要是由于机体对脂类能量物质的依赖性增加所引起，进食则可发生逆转。所谓的葡萄糖-脂肪酸循环【1】（Randle 循环）是指空腹时葡萄糖利用减少，而脂类能量物质的利用增加。
    乙酰CoA通过与草酰乙酸结合生成柠檬酸及CoA进入三羧酸循环（TCA）。通过脱羧、脱氢反应，两分子的碳单位生成CO2，电子还原O2生成H2O。在TCA循环的中间步骤主要由NAD+接受电子，这些电子传递体将电子传给O2生成ATP。 CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是乙酰CoA。乙酰CoA提供的C原子在TCA循环第一步反应之后即成为草酰乙酸的骨架原子，经过多步反应后成为CO2。TCA循环的中间产物通常可以在其它生物合成反应中得以利用，所以，这些C原子得以保留。
    脂类能量物质的代谢
    甘油三酯、LCFAs、酮体均可为心脏提供能量。在血浆中，LCFAs主要以非共价键形式与白蛋白结合，或与甘油三酯共价结合以载脂蛋白的形式存在。酮体是LCFAs在肝脏氧化分解的中间代谢物，正常情况下，血浆中的浓度很低。与LCFAs相比，酮体是一种具有较高溶解性、易扩散、利用率高且没有毒性的能量物质，饥饿、运动后浓度升高。运动后酮症是由于血浆中过多的LCFA用于供能不断产生酮体所致。在病理情况下（如：未控制的糖尿病），血浆中酮体远高于饥饿时的浓度，主要是血浆LCFA极度升高所致。
    如同葡萄糖一样，与白蛋白结合的LCFAs通过载体途径（跨膜的CD36蛋白与质膜LCFA结合蛋白协同）进入心肌细胞， LCFAs在胞内的扩散由胞浆LCFA结合蛋白协助进行。人体内存在其它转运途径，如：直接通过质膜进行扩散及通过其它LCFA转运蛋白等等，但这些意义不大。甘油三酯由毛细血管壁上的脂蛋白脂肪酶水解形成LCFAs和甘油，前者进入细胞内，后者则是糖异生反应的底物。
    LCFAs、酮体只能进行有氧代谢且只在线粒体中进行。LCFAs在胞浆中以硫酯键与CoA共价结合，然后穿过线粒体膜进入内部，这主要由位于线粒体内外膜的肉碱脂酰基转移酶Ⅰ／Ⅱ系统完成。线粒体外膜的转移酶是LCFA代谢的限速酶。一旦长链脂酰CoA进入线粒体基质，2个碳原子的乙酰CoA不断从长链脂酰CoA脱下，形成少两个C原子的脂酰CoA，这一系列反应就是脂酸的β-氧化。酮体是乙酰乙酰基CoA，生成乙酰CoA的步骤略有不同。β-氧化、酮体代谢产生的乙酰CoA直接进入三羧酸循环氧化供能。绝大多数的LCFAs是偶碳脂酸，其产物通常进入三羧酸循环，LCFAs并不直接转化为葡萄糖。
    氧化磷酸化作用
    NADH将O2还原成为H2O重新生成ATP（电子转移和氧化磷酸化），其机制尚未完全阐明。目前多数人支持“化学渗透学说”，这是Peter Mitchell最先提出的。该学说认为，电子经呼吸链传递时，在线粒体内膜基质侧形成电化学势能，驱动质子泵入线粒体内膜外侧（膜间腔），从而在线粒体内膜形成跨膜PH梯度和跨膜电位差。O2分子是最终的电子受体，被还原成H2O。质子移动所建立的跨膜势能驱动了ADP、Pi在ATP合酶的作用下合成ATP。化学渗透学说认为，O2的消耗量与ATP合成量之间未必存在精确的比例关系（P/O比值：每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的量）。过去认为，P/O比值的理想配比是3，目前发现在自由能充足，反应有效进行的条件下，P/O比值才可维持于3。线粒体产生大量ATP，然后产生与胞浆中ADP的交换，为肌原纤维收缩及其它生物学活动提供能量。已有证据显示，PCr、肌酸激酶参与高能磷酸键在线粒体及胞浆之间的转移，但这一过程是由IMM上的腺嘌呤核苷酸转位酶所介导的。
    能量产额及耗氧量
    葡萄糖无氧酵解与TCA循环相结合后所释放的能量远高于单纯进行无氧酵解。每摩尔葡萄糖代谢成乳酸，可产生2molATP;1mol丙酮酸完全氧化成CO2和水产生18molATP。1分子葡萄糖完全氧化产生38分子ATP，这需要良好的血运以提供O2和葡萄糖。每摩尔长链软脂酸需2molATP将其活化成为软脂酰CoA，进行7次β-氧化，大约产生35molATP及8mol乙酰CoA，经过8次TCA循环氧化产生96molATP。因此，一分子软脂酸可净产生129分子ATP。
    LCFAs、葡萄糖与O2还原成H2O所产生ATP量不同。1mol葡萄糖完全氧化需要6mol的O2，即每消耗1molO2生成6.33mol的ATP；每mol软脂酸氧化需23molO2，相当于1molO2的消耗可产生5.61molATP。换句话说，葡萄糖更具备氧利用优势(O2 advantage)，其意义在心脏氧供受损时才能表现出来。对动物模型猪进行研究发现心肌细胞中葡萄糖代谢的氧耗量比LCFAs代谢高出50%。由内源性解偶联剂（LCFAs、LCFA-CoA、 LCFA-肉碱等）介导的氧化磷酸化脱偶联（氧耗量不变，质子驱动力降低）可降低P/O比值。
    缺血、缺氧条件下心肌能量代谢的急性改变
    虽然缺血、缺氧这两个词经常互换使用，但它们并非同义词。缺氧时不一定有缺血，但缺血一定伴随着缺氧。体外试验证实缺氧条件下，葡萄糖灌注的心脏仍可存活一定时间，在体内可能也是如此。但心脏在完全无氧的环境中难以存活，此时无氧糖类代谢必须提高20倍以满足心肌能量代谢的需求，糖酵解途径很难发挥如此大的作用。当氧供下降时，葡萄糖摄取及糖酵解途径流量增强，无氧代谢增强。乳酸脱氢酶催化丙酮酸还原成乳酸，所需H+由NADH+H+提供，重新生成NAD+（反应式2的逆向反应，增加丙酮酸、NADH、H+的浓度可促进乳酸的生成）。增多的乳酸如果能被冠脉循环血及时带走，并不会产生严重后果。机体可通过两种机制短时维持ATP浓度：ATP可由肌酸激酶反应进行补充（反应式1），胞内乳酸含量增加，酸度提高可促进反应向右进行，有利于重新生成ATP，这一步骤仅能暂时维持ATP浓度；其次是糖酵解途径流量增加，此时腺苷酸激酶反应发挥重要作用：
ATP + AMP ⇄ 2ADP（3）
    大量核磁共振研究证实肌细胞胞浆内ATP的浓度约为8-10mM，ADP的浓度约为其十分之一（大多数ADP在肌细胞内以蛋白结合形式存在）。ATP比例轻度下降，游离ADP比例增加，则大幅提高AMP浓度比例。AMP的浓度可以受到pH、PCr、游离Mg2+、Pi的影响。AMP是6-磷酸果糖激酶-1变构激活剂，该酶是糖酵解途径重要的调节点，可以明显提高糖酵解速率。
AMP、儿茶酚胺激活糖原磷酸化酶，阻碍糖原的合成。糖原的分解产物磷酸单糖亚基转变为6-磷酸葡萄糖后进入糖酵解途径（1）。每个糖原性葡萄糖分子可产生3个ATP，但糖原合成时消耗一个ATP，净生成两个ATP。
    缺血
    冠状动脉疾病及心肌缺血造成的缺氧可造成严重的病理改变。在侧支循环形成之前，心肌梗塞可完全中断心脏血供。血流供应完全中断时，细胞内仅有少量的游离葡萄糖发生代谢反应，这种葡萄糖主要以糖原的形式储存。缺血、缺氧条件下，启动大致相同的机制以维持ATP浓度。
    如果乳酸不能及时清除，胞内pH下降，NADH聚集，低pH、NADH均可抑制3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性，阻碍糖酵解途径的进行。此外，调节肌原纤维收缩的Ca2+结合蛋白对pH较敏感，低pH可抑制其功能。维持心肌的收缩力需要较高的Ca2+浓度。ATP依赖性Ca2+泵的活性直接与收缩有关，因而增加ATP供应是十分必要的。ATP合成受阻，其浓度下降，收缩性消失。
    线粒体产生ROS
    氧化磷酸化过程中，O2得到4个电子还原成H2O。即使在有氧条件下，仍有少量O2得到单个电子产生超氧阴离子（O2•—），O2•—、活性氧类（ROS)可以对机体产生细胞毒性作用。我们很难预测体内O2还原成O2•—的比例，在体外试验中，线粒体内高达1-2%【2】，该数字通过控制实验条件得到的，实际体内产生的O2•—可能要少。心肌细胞含有大量的线粒体，不断地进行呼吸作用，不可避免地产生O2•—。缺血发生时即可以产生ROS，在随后出现再灌注过程中生成大量ROS。O2•—可以迅速与NO反应生成高活性的过氧亚硝基阴离子（ONOO—），进一步损伤生物大分子。O2•—也可在超氧物歧化酶（SOD）催化下生成H2O2和O2（4中第一步反应）。体内S有两种SOD异构体：线粒体中Mn-SOD（SOD2）和胞质中的Cu2+/Zn2+-SOD(SOD1)，它们可以减少过氧亚硝酸盐的产生。SOD2的重要性最早是通过研究SOD2基因敲除的小鼠模型得到的，这种小鼠在出生后死亡，并出现心内膜纤维化的病理表现。H2O2的活性不及O2•—，在酶的催化下迅速分解为H2O和O2（11.4中第二步反应）：
2O2•— + 2H+  O2 + H2O2  1/2O2 + H2O (4)
（step1） （step2）
     H2O2很快分解，但仍对细胞具有毒性作用，在过渡金属离子（如：胞内二价铁离子）存在条件下转变为高反应活性的羟自由基。它们损伤大分子物质，破坏细胞的正常结构和功能。
    心衰的能量代谢
    心力衰竭是在多种致病因素的作用下形成的，其中就包括心脏能量代谢障碍。急性缺血缺氧使能量代谢发生改变，但起关键作用的是心脏能量代谢重构（metabolic remodeling）。根据耗氧量与ATP的关系，衰竭心脏优先利用葡萄糖，其机制涉及基因表达的改变。
    氧化代谢的慢性改变
    基因表达水平与β-氧化、线粒体脂肪酸跨膜转运、TCA循环、线粒体解偶联蛋白2下降有关，这些改变主要反映在蛋白水平上，预示衰竭心脏难以进行氧化代谢。PDH激酶（抑制PDH-MEC的调节酶）及GLUTs转录下降，如果蛋白水平发生改变，后者可阻碍糖代谢，前者则发挥促进作用。单纯根据转录产物分析生化过程的改变是比较困难的。心脏氧化代谢调节机制已经十分清晰，在这个过程中过氧化物酶体增值物激活受体（PPARs）及其辅助激活剂（PGCs）发挥重要作用。
    PPARs和PGCs
    过氧化体增殖剂激活的受体（PPARs)如PPARα，PPARβ/δ,PPARγ的选择性剪切片段（PPARγ1、PPARγ2、PPARγ3）以及PGCs（PGC-1α、PGC-1β、PERC）在能量代谢的长期调节中具有重要意义。PPARs是核受体家族成员，同时也是转录因子。PPARs具有“亲脂性”，长链脂肪酸及其衍生物是其配体。PPARγ是抗糖尿病药噻唑烷二酮的受体。PGC-1α通过辅助激活PPARs发挥调节转录的作用，在转录水平可诱导其表达，转录后修饰或脱离抑制物可受到激活，继而促进能量代谢的转变。
    能量物质利用的治疗性调节
    大多数观点认为能量代谢重构是有利的，但其利害关系仍具有争议。使用药物提高心衰早期对糖代谢的依赖程度是否有益，以及这是否完全改变了正常状态下优先利用脂类物质的代谢机制，依旧是许多研究的焦点问题，不能太早下定论。抑制LCFAs代谢常用的方法是通过抑制肉碱-脂酰肉碱转位酶减少LCFA进入线粒体，或者直接阻断β-氧化。针对相关药物的小规模临床试验结果已经表现出应用前景，但LCFA代谢的减弱与患者获益之间的关系尚不明确，还需进一步研究。目前已经证实，β受体阻滞剂-卡维地洛可使心衰患者获益，它可以抑制LCFA代谢，这可能是它优于其它β受体阻滞剂的原因。对于心衰患者来说，除了药物治疗，提高心脏的氧化代谢以及加强运动锻炼均是有利的【3】。 
    脂毒性假说
    在缺血间歇期，LCFA-CoA、LCFA-肉碱聚集，它们是强效的去垢剂，可以损伤细胞膜，破坏膜完整性。LCFA-CoA的聚集可再次酯化3-磷酸甘油（来源于糖酵解中间产物3-磷酸甘油醛）甘油三酯合成增加：3-磷酸甘油 + 3LCFA-CoA  甘油三酯 + Pi + 3CoA （5)
在心肌病理改变中，其基因状况主要受到脂类氧化、甘油三酯集聚的影响。再者，在心衰早期阶段，氧化脂类的能力下降可能造成“脂毒性”，主要是由于脂类氧化中间产物及甘油三酯聚集造成的，对细胞具有毒性作用。
    腺苷酸及肌酸池
    总腺嘌呤核苷酸（TAN，ATP+ADP+AMP）及肌酸池（磷酸肌酸、肌酸）在心衰过程中逐渐丢失，同时氧化应激不断增高【4】。研究压力超负荷导致的犬心衰模型发现，在最初的代偿期向失代偿转变的过程中，TAN减少了近30%【5】。这一过程受到总磷酸池（TEP，2ATP+ADP+Pi+PCr+线粒体基质GTP）及肌酸池（磷酸肌酸+肌酸）的影响。总肌酸池发生变化以获取更多的自由能，其增多或减少都可以影响心脏功能。
    AMP活化的蛋白激酶（AMPK）的作用
    ATP浓度的减少可以通过AMP成比例的增加得以补充，主要在腺苷酸激酶催化完成（反应式3）。AMPK感知AMP浓度的变化，充当“细胞能量调节器（cellular fuel gauge）”，它可能是心血管疾病治疗新的靶点。AMPK的活化使机体由合成状态进入分解状态，前者主要指蛋白、糖原、脂肪酸合成旺盛，而后者则是葡萄糖吸收、糖酵解、脂肪酸氧化、线粒体生物合成增强。AMPK介导靶蛋白磷酸化以调节其生物学活性，完成上述功能。例如，AMPK磷酸化6-磷酸果糖激酶-2/2，6-二磷酸果糖激酶双功能调节酶以激活6-磷酸果糖激酶-2。2，6-二磷酸果糖浓度增加可激活6-磷酸果糖激酶-1，促进糖酵解。
    AMPK的结构及活性的调节
    AMPK是一个异源三聚体，由α、β、γ3个亚单位组成，每个亚单位都存在2-3基因编码的异构体（α1、α2，β1、β2，γ1、γ2、γ3）。α亚单位起催化作用（心脏中主要是α2），β亚单位好似一个支架，起连接作用及可以定量感知糖原，γ亚单位可以调节腺嘌呤核苷酸的结合。AMPK有两种活化途径。γ亚单位含有两个腺苷酸结合位点（每个位点具有2个‘胱硫醚-β合酶’），它们对配体的亲和力及作用各不相同。AMP可活化AMPK，ATP则抑制AMPK活性。AMPK与AMP结合后活性可提高十倍。此外，α亚单位的磷酸化可活化AMPK至100倍且AMPK在AMP结合状态下易于发生磷酸化。已有报道阐述，多种上游蛋白激酶可影响该活化过程，最具意义的是肿瘤抑制因子LKB1，它是通过激活AMPK发挥抑制细胞增殖的功能。
    缺血、心衰与AMPK
    在体外，心肌缺血、缺血-再灌注均可激活AMPK，再灌注时乙酰CoA羧化酶受到抑制，脂肪酸氧化增强。左室肥厚及心衰的动物模型中，AMPK活性增强【6】。人们对AMPK在急、慢性应激过程中的作用意见尚不统一，AMPK在心脏中的活化可以持续一段时间，与骨骼肌细胞对比分析发现AMPK可激活PGC-1，推测AMPK可能介导线粒体的生物合成。若假设成立，在心衰过程中，氧化代谢反应及线粒体生物合成将得到促进，那先前关于衰竭心脏依赖糖代谢供能的观点将受到挑战。
    目前已经建立起一种心脏特异性高表达AMPKα2亚基抑制物的小鼠模型，对其研究发现，抑制AMPK的激活不仅不会带来坏处，相反更有利于从缺血中恢复。该结果与先前研究的结论相冲突。对比敲除AMPKα2亚基在野生型小鼠发现，在缺血早期，前者心脏挛缩较后者严重，但在再灌注阶段功能的恢复并无明显差异。
    心力衰竭的AMPK定向疗法
    除了上述研究内容外，是否有证据表明AMPK活性的改变或其下游效应分子在心脏疾病中的意义？二甲双胍主要用于治疗2型糖尿病，并且可以改善相关的心衰。二甲双胍对于试验诱导的心衰也是有效的，它是氧化磷酸化过程中一种弱的解偶联剂，使ATP/ADP下降，AMP浓度升高，AMPK活化。噻唑烷二酮对心衰有积极作用，但它可引起水潴留，不能用于心衰的治疗。这些药物的靶点是PPARγ，PPARγ本身可上调脂肪组织释放脂肪因子脂联素，使AMPK在其他组织中得以活化。如果AMPK的活化对心衰有益，那激活AMPK似乎是可行的。实验研究中可以用5-氨基-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）激活AMPK，但其不能用于临床。AMPK激活剂A769662生物利用度较低，目前主要用于合成衍生物。
    AMPK的突变可导致心衰
    AMPKγ2亚基（主要在心肌、骨骼肌中表达）突变产生一种常染色体显性遗传的心脏表型。原本认为是‘心脏肥厚’，心脏增加的体积、重量是由糖原累积和与之结合的水造成的。心律失常的准确原因尚不清楚，可能是由于糖原累积产生选择性房室传导旁路造成的。与疾病相关的突变是AMPK两个腺苷酸结合位点的突变，基因突变可以产生严重的表现型导致婴儿在出生早期死亡，因而不会遗传给后代。糖原累积的原因尚不明了。如果AMP不能激活AMPK，则糖原和脂类的合成将促进心脏的合成代谢。如果AMP不能抑制AMPK，它基本活性会升高，有利于葡萄糖的吸收、LCFA的氧化。Randle循环可以抑制6-磷酸果糖激酶-1，阻碍糖酵解，6-磷酸葡萄糖聚集，促进糖原的合成。在AMPKγ亚基突变的转基因小鼠模型中已经出现上述变化，包括：葡萄糖利用、脂肪酸代谢增加，糖原累积。

参考文献（略）