线粒体活性氧类及其对心血管系统影响的研究进展

宋仁生(综述)，李 涛，吴柱国(审校)

(广东医学院a.第二临床医学院，b.广东省医学分子诊断重点实验室，广东东莞523808)

活性氧类是氧化系统产生的含有活性氧功能基团的化合物，包括含氧自由基、氧的非自由基衍生物、氢过氧化物等。机体内产生的过多的活性氧类在多种疾病的发生、发展中起重要作用，如慢性阻塞性肺疾病、糖尿病以及动脉粥样硬化、心肌梗死、心力衰竭等。心脏作为哺乳动物体内从不休息的器官，其主要功能性成分心肌细胞更是能量的主要消耗者，细胞内线粒体的含量较高。作为心脏的主要能量发生器——线粒体占心肌细胞体积的30%［1］。线粒体在为心脏合成能量的同时，不可避免地产生了过多的活性氧类。现就线粒体氧化应激损伤及活性氧类与某些心血管疾病的关系做一综述。

1 活性氧类与线粒体损伤

1.1 活性氧类在线粒体中的生成及堆积 线粒体是细胞内产生活性氧类的主要场所。细胞内氧化系统与抗氧化系统失衡，大量自由基不断聚积就会导致线粒体的氧化应激。氧化应激不仅抑制线粒体呼吸酶的活性、减慢呼吸链的电子传递、增加活性氧类产生，还可以上调解偶联蛋白(uncoupling proteins，UCPs)的表达［2］。UCPs 是位于线粒体内膜的一类具有离子通道作用的蛋白质，其能消除线粒体内膜两侧的跨膜质子浓度差，从而降低线粒体的膜电位，导致氧化磷酸化解偶联，减少了ATP的生成。UCP2和UCP3已确定为UCPs的同源系列，并在心脏表达。在由H2O2或阿霉素刺激培养的心肌细胞内观察到UCP2的过表达可增加氧耗，并减少活性氧类的产生［3］。实验证明，在UCP2或UCP3基因敲除小鼠分离出的线粒体比野生型小鼠可产生更多的活性氧类［4-6］。这些结果表明，UCP2和UCP3的主要作用可能是调控活性氧类的产生。

活性氧类本身也可以诱导线粒体产生更多的活性氧类，这一现象称之为活性氧类诱导的活性氧类释放［7］，如钙调蛋白依赖性蛋白激酶可促进还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH)氧化酶调节产生更多的活性氧类，并能诱导线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)开放，增加细胞内Ca2+水平，从而导致线粒体功能障碍，进而产生更多的活性氧类。堆积在心肌细胞的活性氧类也可通过线粒体通透性转换触发线粒体膜电位去极化，从而诱发一瞬间的线粒体活性氧类的大量生成［8］。

1.2 活性氧类可改变细胞线粒体膜的通透性 线粒体膜通透性转变是指线粒体内膜由于mPTP的开放，其通透性突然增加。mPTP是线粒体膜上由多个蛋白所形成的非选择性复合孔道，容许相对分子质量＜1500的溶质分子(如H+、Ca2+、谷胱甘肽及细胞色素C)通过。细胞色素C主要存在于线粒体中，是催化细胞内活性氧类产生的主要酶类。心脏在某些病理状态下如心肌缺血/再灌注时，产生大量的活性氧类，诱导mPTP不可逆性开放［9］。mPTP的不可逆性开放可使线粒体内膜外的H+大量返流回基质，线粒体内膜全面去极化，导致线粒体膜电位崩溃，氧化磷酸化完全解偶联，心肌细胞ATP合成停止。此外，mPTP的不可逆开放还可以导致线粒体内膜通透性增加，还原型谷胱甘肽外流耗竭，超氧阴离子大量生成，基质渗透压升高，线粒体肿胀明显，最终导致线粒体外膜破裂，释放内外膜间隙中的细胞色素C和凋亡诱导因子等，介导一系列与细胞骨架、细胞膜及细胞核有关的蛋白质切割水解。mPTP的不可逆开放又能诱导心肌细胞释放更多的活性氧类，进而形成恶性循环，导致线粒体功能进一步障碍。

1.3 活性氧类可影响线粒体对Ca2+的摄取和排出 线粒体对心肌细胞内Ca2+稳态的调节发挥关键作用。线粒体氧化磷酸化与Ca2+调节密切相关，呼吸链电子传递形成的线粒体膜电位有利于线粒体对Ca2+的摄取;线粒体内的 Ca2+能上调氧化磷酸化中脱氢酶的活性而促进ATP合成。因此活性氧类可通过影响呼吸链复合物的活性、线粒体膜电位以及诱导mPTP开放等导致线粒体内Ca2+紊乱，进而引起心肌细胞线粒体功能障碍。

2 线粒体活性氧类在心血管系统中的作用

2.1 线粒体活性氧类与心律失常 据估计，1/3线粒体产生的ATP被心肌膜、内质网离子通道及转运蛋白所利用，这是心肌细胞电活动所必需的能量保证［10］。线粒体功能障碍会减少心肌细胞离子通道和转运体的能量供应，从而导致心律紊乱［11-12］。最新研究表明，过多的线粒体活性氧类可通过半胱氨酸转录后的氧化还原修饰(如蛋白质谷胱甘肽化)或酪氨酸残基的硝化，直接影响各种离子通道和转运体，减弱心肌兴奋性［13］。过多的线粒体活性氧类也可通过相关联的信号分子如活性氧类敏感激酶(钙调蛋白依赖性蛋白激酶和蛋白激酶C)或氧化还原敏感转录因子如核因子κB，间接调节离子通道或转运体的功能［14-16］。Yang等［17］发现，线粒体功能障碍可以降低心肌细胞钠离子流的峰值，并下调缝隙连接蛋白43的表达，从而导致心电异常传导，增加折返性心律失常的可能。另外，细胞内过量的活性氧类可增加晚钠电流，并降低钾离子的电流复极，延长动作电位的持续时间、后去极化早期时间，增加了心肌细胞的电异质性和心律失常的易患性。最后，线粒体功能障碍也可引起线粒体膜电位去极化，导致sarcKATP通道开放，进而形成了一个传播去极化波的灌电流，增加了传导阻滞和心律失常的可能［18］。

2.2 线粒体活性氧类与动脉粥样硬化 内皮细胞中活性氧类的增高促进了动脉粥样硬化的发生、发展［19］。氧化型低密度脂蛋白(oxidatived low-density lipoprotein，ox-LDL)在动脉粥样硬化的发生、发展中起重要作用。线粒体产生的活性氧类及其修饰的ox-LDL涉及动脉粥样硬化的各个病理过程。ox-LDL通过抑制线粒体呼吸酶的活性，导致线粒体呼吸链电子传递减慢，活性氧类生成增多，进而形成恶性循环，促进内皮损伤及动脉粥样硬化形成［20］。载脂蛋白E(apolipoprotein E，apoE)具有抗氧化活性，其抑制LDL氧化的同时，也抑制LDL附于血管壁上。apoE-/--鼠是一种缺乏apoE的动物模型，其血浆中低密度脂蛋白胆固醇和三酰甘油水平显著增加，易出现动脉粥样硬化。研究发现，apoE-/--鼠锰超氧化物歧化酶(Mn-superoxide dismutase，Mn-SOD)的活性降低，线粒体DNA损伤增加，线粒体氧化应激反应增强，动脉粥样硬化病变加重［21］。此外，来自apoE-/--SOD2+/-小鼠的研究提示，线粒体活性氧类的增加不仅促进了动脉粥样硬化斑块的形成，而且还提高了机体对动脉粥样硬化危险因子的易患性［22］。

2.3 线粒体活性氧类与高血压 虽然原发性高血压的发病机制目前还不完全清楚，但Touyz和Briones［23］在对高血压动物模型的研究中发现，提高血管内皮及血浆中活性氧类水平可增加血管收缩的敏感性，并促进血管炎症及重塑的发生。线粒体是产生活性氧类的主要细胞器，靶向线粒体的抗氧化剂在动物模型中可以降低活性氧类的产生，并改善主动脉的直径和厚度以及血管内皮细胞的功能［24］。研究选择性针对线粒体的靶向抗氧化剂将成为一种降低和(或)预防高血压的策略。此外，NADPH氧化酶的活性及表达在高血压中均有显著的升高，NADPH氧化酶抑制剂亦可降低动物模型中动物的血压［23］。其他一些因子(如血管紧张素Ⅱ、醛固酮、内皮素1等)可通过刺激活性氧类的产生、激活相关细胞内信号通路，参与高血压的发生、发展［25］。

2.4 线粒体活性氧类与心肌缺血/再灌注损伤 心肌缺血/再灌注损伤是心肌组织在较长时间缺血后血液复灌，出现比再灌注前更明显、更严重的损伤和功能障碍，包括收缩功能降低、冠状动脉血流下降及血管反应性改变等。线粒体ATP生成减少的同时也产生了过量的活性氧类，其引起的氧化应激是其致病机制之一［26］。在心肌缺血/再灌注损伤中，呼吸链复合体Ⅰ和Ⅲ外泄的电子流可以产生大量的活性氧类，这是活性氧类的主要来源［27］。产生的活性氧类可通过损害内皮依赖性血管舒张机制、干扰兴奋收缩偶联、诱发心律失常及损害线粒体膜通透性等形式促进缺血/再灌注损伤的发生、发展［28］。靶向线粒体的抗氧化剂(如泛醌能特异性地减少心肌缺血后的损伤，Mn-SOD类似物亦能抑制活性氧类依赖性损伤和凋亡。以上研究表明，抗氧化应激是防治心肌缺血/再灌损伤的重要手段。

2.5 线粒体活性氧类与心力衰竭 心力衰竭是指因心脏结构或功能异常而导致的心室充盈或射血能力受损的一组复杂临床综合征，是心肌梗死、高血压、心肌病等多种心血管疾病发展的终末阶段，主要发病机制为心肌病理性重构。在心力衰竭动物模型中发现，随着心脏压力负荷的增加，线粒体ATP合成减少，心肌细胞内活性氧类生成增加［29］。心肌线粒体的能量代谢障碍促进了心力衰竭的发展，而线粒体的活性氧类不仅可以激活凋亡信号激酶，刺激心肌细胞增殖、基质重塑，还可以通过影响纤维细胞的增殖以及胶原合成，激活基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)［30］。MMPs 几乎能降解细胞外基质中所有的蛋白成分，持续的MMPs活化可为细胞间反应提供一种异常的细胞外环境，影响心肌的结构特性，从而导致左心室重塑以及细胞功能障碍的发生、发展。在MMP-2基因敲除的小鼠上，Hayashidani等［31］证实了小鼠心肌梗死后的生存率较野生小鼠显著升高，这主要是因为抑制了MMPs的活化，从而延缓了心脏破裂以及随后的左心室重构。最后Lemieux等［32］证实，活性氧类还可以通过氧化修饰心肌肌原纤维蛋白，导致心脏收缩功能进行性降低以及心脏不可逆损伤。

3 小结

线粒体氧化应激在动脉粥样硬化、心肌缺血/再灌注损伤、心力衰竭等多种心血管系统疾病的发生、发展中发挥重要作用，但其具体机制尚不完全明确。对活性氧类的产生及生物学功能进行深入研究，以期研究出线粒体靶向抗氧化剂，从源头上减少氧自由基的产生，保护线粒体功能，从而减轻氧化应激对心血管的损伤，使更多的心血管疾病患者获益，但目前大部分的抗氧化剂仅限于帮助捕获并中和已产生的自由基，从而祛除或减轻氧自由基对人体的损害。

［1］Schaper J，Meiser E，Stämmler G.Ultrastructural morphometric analysis of myocardium from dogs，rats，hamsters，mice，and from human hearts［J］.Circ Res，1985，56(3):377-391.

［2］El-Khoury TG，Bahr GM，Echtay KS.Muramyl-dipeptide-induced mitochondrial proton leak in macrophages is associated with upregulation of uncoupling protein 2 and the production of reactive oxygen and reactive nitrogen species［J］.FEBS J，2011，278(17):3054-3064.

［3］Teshima Y，Takahashi N，Nishio S，et al.Production of reactive oxygen species in the diabetic heart.Roles of mitochondria and NADPH oxidase［J］.Circ J，2014，78(2):300-306.

［4］Lee SC，Robson-Doucette CA，Wheeler MB.Uncoupling protein 2 regulates reactive oxygen species formation in islets and influences susceptibili to diabetogenic action of streptozotocin［J］.J Endocrinol，2009，203(1):33-43.

［5］Arsenijevic D，Onuma H，Pecqueur C，et al.Disruption of the uncoupling protein-2 gene in mice reveals a role in immunity and reactive oxygen species production［J］.Nat Genet，2000，26(4):435-439.

［6］Vidal-Puig AJ，Grujic D，Zhang CY，et al.Energy metabolism in uncoupling protein 3 gene knockout mice［J］.J Biol Chem，2000，275(21):16258-16266.

［7］Biary N，Xie C，Kauffman J，et al.Biophysical properties and functional consequences of reactive oxygen species(ROS)-induced ROS release in intact myocardium［J］.J Physiol，2011，589(Pt 21):5167-5179.

［8］Zorov DB，Filburn CR，Klotz LO，et al.Reactive oxygen species(ROS)-induced ROS release:a new phenomenon accompanying induction of the mitochondrial permeability transition in cardiac myocytes［J］.J Exp Med，2000，192(7):1001-1014.

［9］Gordon LI，Burke MA，Singh AT，et al.Blockade of the erbB2 receptor induces cardiomyocyte death through mitochondrial and reactive oxygen species-dependent pathways［J］.J Biol Chem，2009，284(4):2080-2087.

［10］Schramm M，Klieber HG，Daut J.The energy expenditure of actomyosin-ATPase，Ca(2+)-ATPase and Na+ ，K(+)-ATPase in guinea-pig cardiac ventricular muscle［J］.J Physiol，1994，481(Pt 3):647-662.

［11］Overend CL，Eisner DA，O Neill SC.Altered cardiac sarcoplasmic reticulum function of intact myocytes of rat ventricle during metabolic inhibition［J］.Circ Res，2001，88(2):181-187.

［12］Silverman HS，Stern MD.Ionic basis of ischaemic cardiac injury:insights from cellular studies［J］.Cardiovasc Res，1994，28(5):581-597.

［13］Aggarwal NT，Makielski JC.Redox control of cardiac excitability［J］.Antioxid Redox Signal，2013，18(4):432-468.

［14］Clerk A，Michael A，Sugden PH，Stimulation of multiple mitogenactivated protein kinase sub-families by oxidative stress and phosphorylation of the small heat shock protein，HSP25/27，in neonatal ventricular myocytes［J］.Biochem J，1998，333(Pt 3):581-589.

［15］De Windt LJ，Lim HW，Haq S，et al.Calcineurin promotes protein kinase C and c-Jun NH2-terminal kinase activation in the heart.Cross-talk between cardiac hypertrophic signaling pathways［J］.J Biol Chem，2000，275(18):13571-13579.

［16］Shang LL1，Sanyal S，Pfahnl AE，et al.NF-kappaB-dependent transcriptional regulation of the cardiac scn5a sodium channel by angiotensin II［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2008，294(1):C372-379.

［17］Yang KC，Bonini MG，Dudley SC Jr.Mitochondria and arrhythmias［J］.Free Radic Biol Med，2014，71:351-361.

［18］Brown DA，O'Rourke B.Cardiac mitochondria and arrhythmias［J］.Cardiovasc Res，2010，88(2):241-249.

［19］Hathaway CA，Heistad DD，Piegors DJ，et al.Regression of atheroscle ROS is in monkeys reduces vascular superoxide levels［J］.Circ Res，2002，90(3):277-283.

［20］Roy Chowdhury SK，Sangle GV，Xie X.et al.Effects of extensively oxidized low-density lipoprotein on mitochondrial function and reactive oxygen species in porcine aortic endothelial cells［J］.Am J Physiol Endocrinol Metab，2010 298(1):E89-98.

［21］Devarajan A，Bourquard N，Hama S，et al.Paraoxonase 2 deficiency alters mitochondrial function and exacerbates the development of atherosclerosis［J］.Antioxid Redox Signal，2011，14(3):341-351.

［22］Harrison CM，Pompilius M，Pinkerton KE，et al.Mitochondrial oxidative stress significantly influences atherogenic risk and cytokineinduced oxidant production［J］.Environ Health Perspect，2011 119(5):676-681.

［23］Touyz RM，Briones AM.Reactive oxygen species and vascular biology:implications in human hypertension［J］.Hypertens Res，2011，34(1):5-14.

［24］Martínez-Revelles S，Avendaňo MS，García-Redondo AB，et al.Reciprocalrelationship between reactiveoxygen species and cyclooxygenase-2 and vascular dysfunction in hypertension［J］.Antioxid Redox Signal，2013，18(1):51-65.

［25］Briones AM，Rodríguez-Criado N，Hernanz R，et al.Atorvastatin prevents angiotensin II-induced vascular remodeling and oxidative stress［J］.Hypertension，2009，54(1):142-149.

［26］Penna C，Perrelli MG，Pagliaro P.Mitochondrial pathways，permeability transition pore，and redox signaling in cardioprotection:therapeutic implications［J］.Antioxid Redox Signal，2013，18(5):556-599.

［27］Bleier L，Dröse S.Superoxide generation by complex III:from mechanistic rationales to functional consequences［J］.Biochim Biophys Acta，2013，1827(11/12):1320-1331.

［28］Kalogeris T，Bao Y，Korthuis RJ.Mitochondrial reactive oxygen species:a double edged sword in ischemia/reperfusion vs preconditioning［J］.Redox Biol，2014，2:702-714.

［29］Schwarzer M，Osterholt M，Lunkenbein A，et al.Mitochondrial reactive oxygen species production and respiratory complex activity in rats with pressure overload-induced heart failure［J］.J Physiol，2014，592(Pt17):3767-3782.

［30］Spinale FG，Coker ML，Thomas CV，et al.Time-dependent changes in matrix metalloproteinase activity and expression during the progression of congestive heart failure:relation to ventricular and myocyte function［J］.Circ Res，1998，82(4):482-495.

［31］Hayashidani S，Tsutsui H，Ikeuchi M，et al.Targeted deletion of MMP-2 attenuates early LV rupture and late remodeling after experimental myocardial infarction［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2003，285(3):H1229-1235.

［32］Lemieux H，Semsroth S，Antretter H，et al.Mitochondrial respiratory control and early defects of oxidative phosphorylation in the failing human heart［J］.Int J Biochem Cell Biol，2011，43(12):1729-1738.