浅谈心脏能量代谢

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/12/19来源:《航空军医》2019年第10期文/金春子
[导读]心脏是一个高活动、高能量消耗的器官,无论心肌舒张或收缩都需要充足的能量供应,为了维持心脏的收缩和舒张功能,心脏需要大量 ATP形式的能量供应。

心脏是一个高活动、高能量消耗的器官,无论心肌舒张或收缩都需要充足的能量供应,为了维持心脏的收缩和舒张功能,心脏需要大量 ATP形式的能量供应。当心脏能量代谢异常时,功能会逐渐发生恶化。心脏对底物的选择具有极高的灵活性,可随循环中底物浓度及含氧量的变化进行灵活转换,这有利于心脏在面对压力超负荷和氧化应激时维持足够的ATP产出。已经证实,健康心脏可利用多种底物产生能量以满足自身高消耗要求,其中脂肪酸氧化和葡萄糖转化分别占心脏耗能的65% 和 30%,乳酸、酮体、氨基酸等物质仅占据心脏能量消耗极小部分。
FA在线粒体基质内进行β氧化作用,高浓度葡萄糖在细胞内可经过糖酵解生成丙酮酸,丙酮酸再进入线粒体基质,经过氧化脱羧形成乙酰CoA而进入三羧酸循环。脂肪酸β氧化作用和三羧酸循环,在线粒体内产生大量的NADH和FADH,这些是呼吸链的直接电子来源,电子经过线粒体内膜上呼吸链复合体I到Ⅳ的电子传递,产生跨线粒体膜的电势能,在氧分子存在下驱动线粒体ATP合酶合成ATP,即氧化磷酸化。脂肪酸β氧化作用和葡萄糖氧化作用之间存在互相反馈调节关系。和葡萄糖相比单位脂肪酸分子的底物彻底氧化代谢后生成的ATP更多,但其氧化生成相同分子ATP的需氧量较大。
在高血压状态下,脂肪酸代谢可能转化成糖代谢,继续为机体提供能量。目前研究认为,随着FA氧化的显著降低,心肌代谢会转而更依赖葡萄糖作为提供能量的底物。早期的研究发现高血压状态下向葡萄糖代谢的改变可能与糖酵解酶(己糖激酶,乳酸脱氢酶)基因表达改变有关。后来发现,高血压导致的肥厚的心脏葡萄糖转运体GLUT-4表达减少,而GLUTl的表达不变或增加,促进乳酸和丙酮酸转运的单羧化物转运体表达明显增高。但近期研究发现,终末期肥厚的心肌,不但FA氧化酶的表达降低,其GLUT-1,GLUT-4,GAP-DH,丙酮酸脱氢酶(PDH)E2亚基和PDK-4mRNA表达也都降低,并不是选择性抑制FA氧化酶、增加碳水化合物代谢,而是所有代谢酶均抑制,糖酵解和葡萄糖氧化增强是继发于FA代谢抑制的后果。我们有理由相信,在高血压状态下,小鼠体内的FA代谢下降,而转化为糖酵解增强。现在有研究者认为,心脏代谢重构时葡萄糖氧化增强对心肌具有保护作用,可使 ATP 生成增加,缓解心肌能量缺乏,增强心脏收缩功能。但另一方面,葡萄糖代谢增强可导致心脏葡萄糖毒性增加,同时,循环中脂肪酸浓度增加进一步加强葡萄糖对心脏的毒性作用。
PA是一个饱和的脂肪酸长链,已经被确立为心脏脂肪酸氧化和代谢的优先底物。通过上述实验我们可以认为PA可以通过促进脂肪酸氧化(fatty acid oxidation,FAO)来增加左心室心肌细胞的收缩作用。根据目前的研究,心脏具有一定抵抗压力超负荷的能力。在较低压力超负荷时,心肌细胞体积和质量增加, 心室壁应力和收缩力增强,使心脏具有一定的收缩力储备,可以抵抗一定的后负荷维持正常的泵血功能。随着心脏后负荷持续增加,代偿性心肌肥厚逐渐转变为失代偿性心肌肥厚。我们发现随着PA浓度的增加,健康大鼠左心室心肌细胞肌小节收缩振幅缩短的长度也会增加,表明PA可诱导健康大鼠心肌细胞收缩力增加,对其具有正性肌力作用。接着我们又发现PA增加了假手术组大鼠的左心室心肌细胞收缩力,而在高血压大鼠左心室心肌细胞中不存在PA的正性肌力作用。这些结果表明补充PA可增强正常组及假手术组大鼠左心室心肌细胞收缩作用。然而,对高血压性左心室心肌细胞没有这样的正性肌力作用。因此,我们可认为PA没有对高血压大鼠心肌细胞产生正性肌力作用是由于脂肪酸氧化酶受抑制而引起的脂肪酸作用减弱导致的。而给予高浓度葡萄糖时,PA对高血压大鼠心肌细胞产生了正性肌力作用,这是由于在高血压状态下,大鼠心肌细胞的FA代谢作用下降,而转化为糖酵解作用增强所致,进而对心肌形成保护作用,增加ATP的产生,改善心脏能量缺乏的状态。总结的来说高葡萄糖、高血压状态下,心肌细胞的能量代谢分子出现表型转换,导致能量代谢从以脂肪酸代谢为主转换为以葡糖糖代谢为主,整体上线粒体氧化代谢减少,能量储备和ATP产生减少,葡萄糖摄取和糖酵解增多,葡萄糖氧化不变或减少,出现糖酵解和葡萄糖氧化的分离现象。