1.葡萄糖磷酸化為6－磷酸葡萄糖，催化此反應的酶是己糖激酶（肝內為葡萄糖激酶），由ATP提供磷酸基和能量，這一反應是不可逆的。

2.6－磷酸葡萄糖轉變為6－磷酸果糖，這一反應是可逆的。

3.6－磷酸果糖轉變為1，6－雙磷酸果糖，是第二個磷酸化反應，由6－磷酸果糖激酶－1催化，為不可逆反應。

4.6碳的1，6－雙磷酸果糖裂解為2個分子可以互變的磷酸二羥丙酮和3－磷酸甘油醛，這一反應是可逆的。

第二階段：丙酮酸的生成。

1.3－磷酸甘油醛氧化成為1，3－二磷酸甘油酸，生成1分子NADH＋H^＋和含有一個高能磷酸鍵的1，3－二磷酸甘油酸。

2.1，3－二磷酸甘油酸轉變為3－磷酸甘油酸，生成1分子ATP。這種底物上的高能磷酸鍵轉移給ADP成為ATP的過程稱為底物水平的磷酸化作用。

3.3－磷酸甘油酸轉變為2－磷酸甘油酸，這一反應是可逆的。

4.2－磷酸甘油酸轉變為含有高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸，這一反應是可逆的。

5.磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸，由丙酮酸激酶催化，有ATP生成。這一反應是不可逆的。

第三階段：丙酮酸還原為乳酸。

丙酮酸接受在上述反應生成的NDAH＋H^＋，還原為乳酸。這一反應是可逆的。

糖酵解的關鍵酶是己糖激酶（肝內為葡萄糖激酶）、6－磷酸果糖激酶－1和丙酮酸激酶。這三種酶是糖酵解途徑的限速酶，其活性可受別構效應劑和激素的調節。限速酶活性的高低決定著糖酵解的速度和方向。

糖酵解的生理意義在于當機體缺氧或進行劇烈運動導致肌肉血流相對不足時，能量主要通過糖酵解獲得。成熟紅細胞沒有線粒體，需完全依靠糖酵解供應能量。神經、白細胞、骨髓等組織細胞代謝極為活躍，在有氧情況下也常由糖酵解提供部分能量。

正常生理條件下，人體內的各種代謝受到嚴格而精確的調節，以滿足機體的需要，保持內環境的穩定。這種控制主要是通過調節酶的活性來實現的。在一個代謝過程中往往催化不可逆反應的酶限制代謝反應速度，這種酶稱為限速酶。糖酵解途徑中主要限速酶是己糖激酶（HK），磷酸果糖激酶－1（PFK－1）和丙酮酸激酶（PK）。

（1）激素的調節：胰島素能誘導體內葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的合成，因而促進這些酶的活性，一般來說，這種促進作用比對限速酶的變構或修飾調節慢，但作用比較持久。

（2）代謝物對限速酶的變構調節：上述三個限速酶中，起決定作用的是催化效率最低的酶PFK－1。其分子是一個四聚體形式，不僅具有對反應底物6－磷酸果糖和ATP的結合部位，而且尚有幾個與別構激活劑和抑制劑結合的部位，6－磷酸果糖、1，6－二磷酸果糖、ADP和AMP是其激活劑，而ATP、枸櫞酸等是其抑制劑，ATP既可作為反應底物，又可作為抑制劑，其原因在于此酶既有與作為底物的ATP結合位點，又有與作為抑制劑的ATP結合位點，兩個位點對ATP的親和力不同，與底物的位點親和力高，抑制劑作用的位點親和力低。對ATP有兩種結合位點，這樣，當細胞內ATP不足時，ATP主要作為反應底物，保證酶促反應進行，而當細胞內ATP增多時，ATP作為抑制劑，降低了酶對6－磷酸果糖的親和力。其在體內也是由6－磷酸果糖磷酸化而成，但磷酸化是在C2位而不是C4位，參與的酶也是另一個激酶，磷酸果糖激酶－2（PFK－2）。2，6－二磷酸果糖可被二磷酸果糖磷酸酶－2去磷酸而生成6－磷酸果糖，失去其調節作用。2，6－二磷酸果糖的作用在于增強磷酸果糖激酶－1對6－磷酸果糖的親和力和取消ATP的抑制作用。臨床上丙酮酸激酶異常，可導致葡萄糖酵解障礙，紅細胞破壞出現溶血性貧血。

（三）脂肪酸代謝

心臟是機體需氧量最大的器官組織之一，其能量約70%來源于脂肪酸氧化，脂肪酸的β－氧化方式是脂肪酸氧化分解的主要方式，主要過程如下（圖11－3）：

圖11－3　脂肪酸的β－氧化

1.脂肪酸的活化——酯酰CoA的生成

脂肪運動的主要產物是游離脂肪酸。它在氧化分解前需先在胞液中的內質網或線粒體外膜上活化成活潑的酯酰CoA才能進一步轉變。催化此反應的酶為酯酰CoA合成酶，反應需消耗ATP。

2.酯酰CoA轉入線粒體

催化脂肪酸氧化的酶系存在于線粒體基質中，活化的酯酰CoA分子必須在線粒體內才能進行氧化分解，但酯酰CoA分子自身不能穿過線粒體內膜，需經肉毒堿載體轉運。線粒體內膜外側含有肉毒堿－酯酰轉移酶Ⅰ，內側含有肉毒堿－酯酰轉移酶Ⅱ，兩者為通酶。在內膜外側酶Ⅰ催化下，酯酰CoA的酯酰基轉移到肉毒堿上生成酯酰－肉毒堿，后者通過膜上載體的作用進入線粒體內。繼而在內膜內側酶Ⅱ催化下，酯酰－肉毒堿釋出酯?；?，并與輔酶A一起重新在線粒體基質中生成酯酰CoA，而肉毒堿則回到線粒體內膜外側再參加酯?；囊茡Q反應。

此轉運過程是脂肪酸氧化的限速步驟，肉毒堿－酯酰轉移酶Ⅰ是限速酶。在某些生理及病理情況下，如饑餓、高脂低糖膳食或糖尿病等，體內糖氧化利用降低，此時該酶活性增強，脂肪酸氧化分解功能增多。

3.飽和脂肪酸的β－氧化

酯酰CoA進入線粒體基質后，從酯?；摩绿荚娱_始，經過脫氫、加水、再脫氫和硫解四步連續的酶促反應，酯酰基斷裂產生1分子乙酰CoA和1分子比原來少兩個碳原子的酯酰CoA。由于此氧化過程發生在酯?；摩绿荚由希史Q為β－氧化。每一次β－氧化包括下面四個連續的酶促反應。

（1）脫氫：

酯酰CoA在酯酰CoA脫氫酶催化下，在α－和β－碳原子上各脫去1個氫原子，生成α，β－烯酯酰CoA，脫下的氫由該酶的輔酶FAD接受生成FADH₂。FADH₂上的兩個氫通過氧化呼吸鏈傳遞給氧生成水，同時伴有1.5分子ATP的生成。

（2）加水：

α，β－烯酯酰CoA在烯酯酰CoA水合酶催化下加水，生成L－β－羥酯酰CoA。

（3）再脫氫：

L－β－羥酯酰CoA在β－烯酯酰CoA脫氫酶催化下，脫去β碳上的2個氫原子，生成β－酮酯酰CoA。脫下的氫由該酶的輔酶NAD^＋接受，生成NADH＋H^＋，后者經電子傳遞鏈氧化生成水及2.5分子ATP。

（4）硫解：

β－酮酯酰CoA在β－酮酯酰CoA硫解酶催化下，加1分子輔酶A使碳鏈斷裂，生成1分子乙酰CoA和比原來少兩個碳原子的酯酰CoA。

酯酰CoA經β－氧化的連續四步反應，每次生成1分子乙酰CoA，碳鏈縮短兩個碳原子，同時伴有5分子ATP生成。再重復進行β－氧化，長鏈偶數碳原子的脂肪酸可生成若干分子的乙酰CoA，同時產生若干還原型的FADH₂和NADH＋H^＋。以16碳的飽和脂肪酸（軟脂肪酸）為例，它生成酯酰CoA后，經7次β－氧化可生成8分子乙酰CoA，7分子FADH₂和7分子NADH＋H^＋。

在線粒體內分解代謝過程中，經脂肪酸β氧化產生的乙酰CoA可進入三羧酸循環進一步氧化成CO₂和H₂O，每一循環生成10分子ATP。因此，1分子軟脂肪酸徹底氧化分解可產生108分子ATP（7×4ATP＋8×10ATP），減去活化時消耗的2個高能磷酸鍵相當于2分子ATP，凈生成106分子ATP。因此脂肪酸是機體的重要能源。

脂肪酸、葡萄糖、乳酸、丙酮酸等都是提供能量的底物。在正常情況下，心肌所需能量的60%～90%來自游離脂肪酸的β氧化，長鏈脂肪酸借助肉毒堿脂酰轉移酶－1和－2（CPT－1和CPT－2）進入線粒體進行β氧化，產生乙酰輔酶A，進入三羧酸循環產生ATP提供能量。另外，10%～40%的能量則由葡萄糖、乳酸和丙酮酸等碳水化合物提供。葡萄糖經過糖酵解產生丙酮酸，乳酸則在乳酸脫氫酶（LDH）的作用下產生丙酮酸，最后在丙酮酸脫氫酶（PDH）作用下，轉變成乙酰輔酶A進入三羧酸循環提供能量。從氧消耗量來看，脂肪酸β氧化是耗氧量更高的一種供能方式，同樣提供1分子ATP，脂肪酸氧化比葡萄糖氧化多消耗10%的氧。在正常情況下，氧氣供應充足，不會造成心肌能量代謝的障礙。在線粒體中，三羧酸循環產生的電子通過呼吸鏈復合物轉移到氧上，產生跨線粒體膜質子電化學梯度，驅動ATP合成酶，使ADP磷酸化，產生ATP。ATP中的高能磷酸鍵與肌酸結合，形成肌酸磷酸。ATP釋放了一個磷酸后，變成ADP。肌酸磷酸可以彌散到肌纖維中，在肌酸激酶的催化下，重新釋放出ATP，用作心肌收縮和舒張的能量。

正常情況下脂肪酸代謝和葡萄糖代謝是可以互相調節的。脂肪酸氧化代謝增強可以抑制葡萄糖的氧化代謝：第一，脂肪酸氧化產生的檸檬酸可以抑制磷酸果糖激酶（PFK）的活性；第二，脂肪酸氧化增強可以增加乙酰輔酶A和還原型輔酶Ⅰ（NADH）水平，并可抑制丙酮酸脫氫酶（PDH）活性，進而可抑制葡萄糖酵解。反之，葡萄糖和乳酸增加，或胰島素水平增加，可促進乙酰輔酶A的合成，刺激丙二酰輔酶A生成，從而抑制脂肪酸的氧化。

已經明確，成熟心肌細胞能量代謝的主要來源是脂肪酸氧化，而肥大心肌細胞的能量代謝逐漸向胚胎方式轉化，即更多地依賴糖代謝，但肥大心肌細胞在各種異常生理情況下的能量代謝變化及其特點尚不十分清楚。近年來研究發現，線粒體不僅是心肌細胞的能量工程，而且參與了啟動心肌細胞凋亡的發生過程，也就是說，線粒體能量代謝功能可能與線粒體凋亡信號途徑有關聯。

二、心肌代謝中的幾個重要的信號因子

心肌富含線粒體，線粒體是心肌的產能中樞，對維持細胞正常的能量代謝具有重要作用。線粒體猶如細胞的動力工廠，三羧酸循環和氧化磷酸化都在線粒體內進行。其內膜和嵴膜上含有大量呼吸鏈電子傳遞及氧化磷酸化的酶系，目前發現有5種主要的呼吸鏈復合體：復合體Ⅰ（NADH－泛醌還原酶）、復合體Ⅱ（琥珀酸－泛醌還原酶）、復合體Ⅲ（泛醌－細胞色素C還原酶）、復合體Ⅳ（細胞色素C氧化鎂，COX）、復合體Ⅴ（ATP合酶）。

心臟無論在發育過程中，還是處于生理或病理應激下，其對能量的需求因情況而異。機體存在一些機制來誘導編碼能量代謝調節子的基因表達。

1.過氧化物酶體增生物激活受體（peroxisome proliferator－activated receptor，PPAR）

mtDNA的轉錄和復制由細胞核編碼的線粒體轉錄因子A（Tfam）啟動。心臟特有的Tfam缺失導致mtDNA水平下降，呼吸鏈功能受損，心肌肥厚以及進行性心肌病。另外，線粒體轉錄特異因子B1和B2兩個蛋白與哺乳動物線粒體RNA聚合酶和Tfam反應，能夠支持特異啟動子mtDNA轉錄。盡管復雜并有啟動子特異性，某些DNA結合基序存在于編碼氧化磷酸化（OXPHOS）復合酶亞基和參與mtDNA代謝的酶的幾種基因啟動子中，因此能夠參與協調應答。這些基序包括OXBOX/REBOX、Mt、Sp1和核呼吸因子（NRF）基序。

細胞核呼吸因子1和2（NRF1，2）與很多線粒體基因的轉錄控制密切相關，這些線粒體基因在過去幾年中已得到很大的擴充。電刺激新生心肌細胞會導致線粒體含量增加，這一過程發生在NRF1表達提高之后，提示了NRF1在心肌線粒體生物發生中的作用。Tfam啟動子包含NRF1或NRF2的識別位點，從而使線粒體生物發生中線粒體和細胞核激活之間的協調成為可能。不過有些基因亞族未顯現出受NRFs調控。比如，脂肪酸轉運蛋白和氧化酶基因主要受過氧化物酶體增殖物激活受體因子γ（PPARγ）調控。

底物條件變化時，一些核受體轉錄因子迅速表達基因偶聯，參與能量代謝調節。這些轉錄因子中，廣泛被研究的是過氧化物酶體增生物激活受體（peroxisome proliferator－activated receptor，PPAR）家族，其中PPARγ控制了直接參與脂肪酸代謝酶的表達。其中一種就是PPARγ共活化物－1（PPARγcoactivator－1，PCG－1α）。PGC－1α是首個被發現的由三個相關蛋白組成的家族成員之一，這些蛋白控制主要的代謝功能。PGC－1α相關輔激活因子的表達很普遍，PGC－1α和β只在富含線粒體的組織如心肌和骨骼肌中豐富。過表達研究表明PGC1－α和β發揮特殊的生物能量代謝效應，其中PGC－1α更可能誘導參與活性氧清除的基因。心臟中PGC－1α的缺失導致編碼電子傳輸鏈的基因表達缺陷和線粒體積分數降低，導致了對多巴酚丁胺刺激的遲鈍反應。然而，似乎只有PGC－1α對應激代謝條件如運動、饑餓或寒冷有應答，表明PGC－1β可能在線粒體生物發生中起輔助作用。PPAR是線粒體執行代謝功能的主要調節因子，動物模型和人肥厚心肌的研究發現，PPAR表達隨著脂肪酸利用受限相應下降。因此，PPAR的下調被認為是“開關”底物利用的主要機制。核受體轉錄因子與表達基因反應過程需要共活化物的參與。它可以激活與脂肪酸的攝取、氧化和氧化磷酸化緊密相關的多種基因。

2.解偶聯蛋白（uncoupling proteins，UCP）

解偶聯蛋白（uncoupling proteins，UCP）是存在于細胞線粒體內膜上的蛋白質，占整個線粒體蛋白的6%～8%，它能降低線粒體內膜電化學梯度從而減少能量生成，同時釋放熱量，目前已發現UCP1～5，在心血管系統中主要表達的是UCP2、UCP3。線粒體內三羧酸循環產生的還原當量沿電子傳遞鏈傳遞時釋放出的能量，可將H^＋從線粒體基質轉移至內膜面，形成一個跨線粒體內膜的質子電化學梯度，當線粒體的ATP合酶將H^＋從內膜面順梯度運回至基質面時，其中蘊含的能量可用以推動二磷酸腺苷與磷酸結合生成ATP，此過程即為氧化磷酸化偶聯。若H^＋進入線粒體內膜基質而不與ATP合成過程偶聯，能量則以熱的形式散失，即形成“質子漏”。UCP存在于線粒體內膜，使呼吸鏈傳遞電子過程中泵出的H＋不經ATP合酶的Fo質子通道回流，而是通過UCP形成的質子通道回流線粒體基質，使H^＋的電化學勢能以熱能釋放，而不是形成ATP。研究發現，UCP對質子轉運的活性受游離脂肪酸的激活。而被嘌呤核苷（腺苷二磷酸、ATP及鳥苷二磷酸等）所抑制。UCP能使氧化磷酸化產生的質子流改道離開線粒體的ATP合成，使氧化過程與磷酸化過程脫偶聯，ATP生成減少，能量消耗和產熱增多。當能量底物供應過量、ATP水平增高或當二磷酸腺苷不足，線粒體呼吸受到抑制，NAD^＋/NADH比例降低，UCP可使線粒體膜電位降低，限制ATP的產生，促進細胞呼吸。游離脂肪酸對UCP表達是通過PPAR家族的轉錄因子實現的，PPAR7是通過改變與UCP2啟動子部分基因的活性來調節UCP2表達。

3.mPTP（mitochondrial permeability transition pore）

mPTP（mitochondrial permeability transition pore）是20世紀70年代Hunter和Haworth在分離的線粒體上首先發現的，是橫跨在線粒體內外膜之間高電導性非選擇性通道。它主要由電壓依賴性陰離子通道（VDAC）、腺嘌呤核苷酸轉位酶（ANT）和環孢素受體D（CyP－D）所組成。ANT位于線粒體內膜，VDAC位于線粒體外膜，CyP－D存在于線粒體基質，它們三者通過相互之間的親和力而連接成一個穩定的復合體結構。Ca^2＋超負荷、氧化應激等刺激均可造成mPTP高水平開放，引起線粒體膜電位崩解、呼吸鏈斷開，能量代謝障礙導致細胞凋亡；PTP開放還可導致細胞色素C和凋亡誘導因子（apoptosis inducing factor，AIF）釋放，激活凋亡核心酶Acspase，從而調控細胞凋亡。線粒體膜電位的維持依賴于線粒體呼吸鏈結構完整及功能正常，反之，線粒體功能正常也依賴于膜電位的正常水平，兩者互為因果。

PBR（外周苯二氮受體）是最初發現于外周組織、分子量為18kDa的疏水蛋白，主要位于線粒體外膜。PBR參與了體內大量生理過程，如類固醇產生、線粒體呼吸、免疫調節、卟啉轉運、血紅素生物合成、凋亡及細胞的增殖等。影像標記學研究提示這個受體在功能上和VDAC及ANT相關，對mPTP可能起到調節作用。PBR的表達水平增加能提高細胞抗氧化應激的能力，mPTP和線粒體外膜的PBR密切相關且能被凋亡抑制因子Bcl－2所抑制，PBR拮抗劑PK11195能促進凋亡的發生并逆轉Bcl－2所介導的細胞保護，但PBR拮抗劑PK11195和激動劑Ro5－4864、地西泮均能劑量依賴性誘導MPT，導致細胞凋亡的發生，并能被CSA所抑制，PBR作為mMPT的構成部分在心肌缺血再灌注中能否通過調控MPT而起到心肌保護作用尚是一個新的研究領域。

ANT（腺苷酸轉位子）是一個位于線粒體內膜的跨膜蛋白，它的底物為ADP、ATP、dADP。ANT被可轉運的底物占據時，將在兩種構型間轉換，一種構型是ANT與ADP/ATP的結合位置在線粒體內膜的基質側，即膜－狀態，此構型使MPTP抑制；另一種則是ANT與ADP/ATP的結合位置在線粒體內膜的胞漿側，即胞漿－狀態，此構型使MPTP激活。有研究顯示胞漿狀態構型對于mPTP的開放是必需的蒼術苷（atractyloside）從胞質側與ANT結合，誘導 MPT，而米酵菌酸（bongkrekic acid，BA）從基質側結合，阻滯MPT。但BA抑制ANT，進而抑制ATP從線粒體向基質的轉運，因此不適合作為心肌保護藥物，因為心肌的收縮依賴氧化磷酸化和線粒體中ATP向基質的轉運。

4.其他信號分子

細胞色素C（Cyt c）是一分子質量為15ku、由105個氨基酸組成的多聚肽，是線粒體電子傳遞鏈的重要組成部分。在多種死亡模型中細胞色素C從線粒體釋放至胞質是引發凋亡的關鍵步驟，其意義不只是線粒體呼吸活性的喪失，更重要的是細胞色素C釋放后可引發easpase活化級聯，導致細胞凋亡。

鈣轉運包括鈣的攝取和釋放。生理狀態下線粒體內保持鈣攝取和釋放的動態平衡。運動強度過大、持續時間過長時，線粒體內Ca^2＋調節就會失去平衡，從而引發線粒體ATP的生成障礙，引起運動性疲勞。研究發現，心肌線粒體內鈣在運動后即刻顯著性增高，運動后24小時后心肌線粒體內鈣進一步增加，因此劇烈運動對心肌線粒體以及細胞的損傷不止是在運動后即刻，還可造成延遲性損害。

三、缺血、缺氧心肌的能量代謝

在正常情況下，主要是由脂肪酸和葡萄糖氧化代謝轉換的ATP為心臟的收縮和舒張等耗能過程提供能量。因心肌分解ATP極為迅速，每10～15秒整個心臟的ATP庫就清完一次。因此，要求心肌迅速高效的氧化供能，以提供穩定、可靠、足夠的ATP以供心臟做功。冠狀動脈血流量相對或絕對減少，不能滿足心肌代謝需要，或機體氧耗大于氧供，心肌消耗糖原儲備進行無氧代謝，不能有效供給心肌代謝所需的能量，只能維持有限的時間，因而缺血心肌只能維持電活動，而不能參與心臟的泵活動。

脂肪酸氧化代謝產生等量ATP的耗氧量比糖代謝高，因此其產生ATP的效率要比糖代謝低。當脂肪酸代謝增強時，葡萄糖氧化代謝受阻，不但會使耗氧增多，還使糖酵解的產物（如乳酸）積累。而清除這些代謝廢物不但消耗大量ATP，還使細胞內pH下降，酸化加重，影響Ca^2＋平衡。心肌缺血改變從根本上說是一個代謝紊亂問題，即二磷酸腺苷（ADP）氧化磷酸化速率與ATP分解速率失衡，能量供應難以滿足心肌組織的代謝需要。當心肌缺血時，冠脈血液循環中的脂肪酸升高，通過抑制丙酮酸脫氫酶來阻礙葡萄糖有氧代謝，從而增加缺血心肌細胞中乳酸和質子的蓄積，抑制心肌做功，使心肌收縮力下降，心肌細胞功能和結構受損。

當心肌缺血發生的早期，由于缺血組織內的氧合血紅蛋白被消耗，能量代謝從線粒體的有氧氧化轉變為以糖酵解為主，糖酵解產生的ATP成為維持心肌細胞存活的唯一能量來源。糖酵解作用的增強使細胞內乳酸增加，細胞內pH下降，而高能磷酸化合物的降解使細胞內的無機磷酸水平升高，這兩種生化變化可以減弱線粒體氧化磷酸化，使缺血區域心肌收縮力降低，但同時也減少了心肌對氧的需求，有一定的保護作用。隨著缺血時間的延長，乳酸等代謝終末產物在細胞內積聚增加，使細胞內pH進一步下降。由于代謝終末產物在胞質中積聚，葡萄糖攝取受抑制，此時糖酵解底物的來源主要依賴于糖原降解。

1.缺血對葡萄糖攝取的作用

缺血發生后，葡萄糖轉運蛋白4和葡萄糖轉運蛋白l迅速從細胞內向細胞膜表面轉移，使葡萄糖最大轉運速率增加。如果缺氧時間過長，則葡萄糖轉運蛋白的轉移過程受到一定程度抑制。在殘存血流不足以解除代謝終產物的情況下，隨著缺血時間的延長，代謝產物積聚增加，糖酵解受到抑制。這時，盡管有持續葡萄糖供給，葡萄糖攝取仍進行性不可逆降低。這一現象稱為葡萄糖代謝耗竭，發生于心肌不可逆損傷之前。原因與乳酸和H^＋積聚、電解質紊亂、氧自由基對酶和膜磷脂的損害等因素的聯合作用有關。缺血激活一氧化氮合酶，使一氧化氮合成增加，后者刺激環鳥苷酸增加，實驗表明加入一氧化氮供體或環鳥苷酸類似物抑制葡萄糖攝取和糖酵解通路。因此在心肌缺血發生時環鳥苷酸可以下調葡萄糖攝取，而加入一氧化氮合成酶抑制劑可以增強葡萄糖代謝，改善心肌對缺血的耐受性。

2.缺血對糖酵解通路的影響

缺血使葡萄糖轉運增強的同時也對葡萄糖酵解有加速作用。這一現象可以用“反Pasteur效應”（Pasteur效應指ATP對糖酵解通路的抑制作用）來解釋。有研究發現，缺血時心肌磷酸果糖激酶－1激活，腺嘌呤核糖核苷酸增加、ATP降低，而2，6－二磷酸果糖和枸櫞酸水平沒有明顯變化，說明磷酸果糖激酶－1活性與腺嘌呤核糖核苷酸和ATP的比值有關。在無灌流缺血模型中，由于乳酸和H^＋集聚，糖酵解通路受到抑制。

3.缺血對糖原代謝的影響

盡管人們已經認識到在缺血時糖原水解、糖原磷酸化酶被環磷酸腺苷激活，但其具體過程仍然沒有完全解釋清楚。而當嚴重缺血使葡萄糖攝取減低，糖原水解停止時，即發生心肌細胞攣縮。缺血心臟糖原的存在可以有效供給能量，減少缺血損傷和細胞攣縮，并有助于保持細胞的穩態。

4.缺血缺氧心肌能量代謝調控通路

（1）AMPK相關的信號調控通路：

AMPK由2個α亞單位（α1、α2）、2個β亞單位（β1、β2）和3個γ亞單位（γ1、γ2、γ3）組成，其中α亞基起催化作用，β和γ亞基在維持三聚體穩定性和作用底物特異性方面起重要作用。在心肌缺血缺氧狀態下，AMP/ATP比值顯著增高使AMPK激活，同時抑制AMPK的去磷酸化使AMPK保持磷酸化形式；上游的AMPKK（如腫瘤抑制性激酶LKB1）也可激活AMPK，通常保持活性的LKB1－STRAD－MO25復合體，使AMPKα持續磷酸化，它們的作用位點都是磷酸化AMPKα亞基172位蘇氨酸。另外，細胞內鈣離子增多通過激活CaMKKβ使AMPK磷酸化，在受損組織中釋放的核苷酸通過Ca^2＋/鈣調蛋白依賴性的蛋白激酶而非AMP/ATP比值來激活內皮細胞中的AMPK。AMPK通過作用GLUT4（Glu轉運子4）增加心肌細胞Glu的攝入：一方面通過AMPK/GEF/MEF途徑增加GLUT4的表達；另一方面促進心肌細胞內GLUT4向膜的轉位使Glu攝取增加。AMPK可以通過抑制mTOR/p70S6K來降低p70S6K介導的磷酸化而緩解對IRS1的抑制，從而加強胰島素依賴的PI3K/PKB/Akt激活，恢復心肌細胞的胰島素依賴的糖代謝途徑。另外，AMPK還可以通過抑制糖原合成激酶－3β（GSK－3β）減少糖原合成和抑制糖異生，為糖酵解提供更多的Glu。

AMPK也調節心肌游離脂肪酸（FFA）的代謝。一方面，促進FFA轉移酶FAT/CD36向膜的轉位，增加FFA的轉運；另一方面，通過磷酸化ACC第79位蘇氨酸而抑制ACC活性，同時可磷酸化和活化丙二酸單酰輔酶A脫羧酶（MCD），導致丙二酸單酰輔酶A濃度下降，減輕對CPT－1的抑制，從而增加FFA的氧化而改善缺氧心肌FFA的積累。

（2）HIF－1α相關的代謝信號調控通路：

HIF－1是在缺血/缺氧條件下哺乳動物組織細胞產生的一種hHLH核轉錄因子，以異源二聚體形式存在，包括HIF－1α和HIF－1β兩個亞基。HIF－1α是HIF－1的活性亞基和氧調節亞基。HF時心肌缺氧抑制HIF－1α蛋白降解，使細胞內HIF－1α蛋白迅速積累并轉入核內與HIF－1β蛋白結合，形成具有轉錄活性的二聚體。HIF－1誘導缺氧心肌內iNOS的基因表達，增加NO的產生，后者調節冠脈循環和心肌功能；HIF－1使VEGF的轉錄和表達增強，VEGF則促進內皮細胞增殖、新生血管形成和增加血管通透性，其中AKT和GATA4可能介導血管生成。以上通路對補償缺血心肌的氧供有重要作用。

（3）PKB/Akt相關的代謝信號調控通路：

Akt是1991年發現的相對分子質量約為60 000，約含480個氨基酸殘基的蛋白激酶，因其與PKA和PKC具有同源序列故又稱PKB或RAC－PK；因其可使Ser/Thr殘基磷酸化，故又稱絲Ser/Thr激酶Akt。目前發現至少3種 Akt同工酶：Akt1/PKBα、Akt2/PKBβ、Akt3/PKBγ。PKB/Akt在CHF的MEM中有重要的調控作用：①從多途徑促進心肌GLUT4向膜的轉位以增加心肌的Glu攝取，如在胰島素信號途徑中被磷酸化的PKB/Akt2，啟動其下游PKB/AS160途徑促使GLUT4的轉位，同時PKB/Akt的其他底物Rab GAP、TBC1D1、PIK5等也可能參與GLUT4的轉位；②作為胰島素調節糖原合成的信號級聯系統中的一個重要支路，可能通過PDK1－PKBGSK3通路調節心肌中糖原合成酶和葡萄糖的攝取，并通過下調PGC－1/PPARa來減少FFA的氧化；③心肌缺氧使Akt磷酸化，Akt激活其下游靶蛋白GSK－3磷酸化，進而誘導HIF－1α蛋白的穩定、轉錄及表達，Akt也可能通過激活mTOR的表達來促進HIF－1α的轉錄，從而啟動HIF－1α相關代謝信號通路。

（4）cAMP相關蛋白：

環腺苷酸反應元件結合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）作為細胞內的第三信使，定位于細胞核內，其C端激酶域包含多個磷酸化位點，可被蛋白激酶A、蛋白激酶C和Ca^2＋－CaMK家族等磷酸化。磷酸化的 CREB（p－CREB）激活相關基因的轉錄，調節c－fos、jun－b、bcl－2等的表達。有研究發現，心肌細胞p－CREB在缺氧后1～7天，表達均增加，可能為缺氧后肌漿網擴張、鈣超載，進一步激活Ca^2＋信號轉導通路，促使CREB磷酸化，在心肌肥厚模型中，壓力超負荷時心肌細胞內CaM被激活，核轉錄因子CREB磷酸化增加抗凋亡基因bcl－2表達下調。影響下游基因的轉錄（bcl－2），最終參與心肌細胞的損傷。

四、膿毒癥心肌的能量代謝的特點

研究發現，有10%～20%嚴重膿毒癥/膿毒性休克患者中存在嚴重的心肌功能障礙，心肌能量代謝障礙是導致膿毒癥患者心臟功能衰竭的重要影響因素之一，心肌細胞能量代謝障礙在心功能障礙和心肌細胞結構重建中發揮重要作用，甚至導致膿毒性心肌病。所謂膿毒性心肌病是指在膿毒癥進程中可累及心臟，導致患者發生急性心功能障礙或心力衰竭，稱之為急性膿毒性心肌病。改善患者心肌能量代謝可能是治療膿毒癥患者心肌損傷并改善其預后的重要途徑。目前，膿毒癥心肌能量代謝障礙機制仍不明確。線粒體功能損傷、脂肪酸氧化代謝紊亂、糖代謝異常等可能是導致膿毒癥心肌能量代謝障礙的主要因素。

（一）線粒體功能受損

膿毒癥時心肌線粒體發生一系列變化，線粒體作為有氧代謝的主要場所，其功能障礙是心肌能量代謝改變的關鍵機制。在嚴重膿毒癥/膿毒性休克的病程中細胞氧耗明顯減低，而超過90%的細胞氧耗用于線粒體生成ATP。因此，線粒體功能障礙可能在膿毒癥心肌抑制中有重要作用。

1.線粒體氧化磷酸化受損

心肌細胞內ATP形成的主要方式是氧化磷酸化，即在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯二磷酸腺苷磷酸化，生成ATP。研究發現，線粒體氧化磷酸化的缺陷是導致膿毒癥多器官功能異常的主要原因之一。膿毒癥時，心肌糖酵解增強，細胞內乳酸濃度增加，細胞內pH下降，而高能磷酸化合物的降解使細胞內無機磷酸鹽水平升高，這些改變導致線粒體氧化磷酸化減弱。而無機磷酸鹽升高，則抑制心肌收縮蛋白的相互作用，從而降低心肌收縮能力。細胞色素C氧化酶亦稱細胞色素氧化酶，在細胞呼吸中處于細胞色素系統的末端，它的主要作用是把呼吸底物的電子經過細胞色素系統直接傳遞給分子態氧。細胞色素C氧化酶作為電子傳遞鏈中的關鍵酶，在膿毒癥早期即被不可逆性的抑制，從而可能中斷氧化磷酸化，導致膿毒癥心肌功能下降。

2.線粒體肌酸激酶受抑制

線粒體磷酸肌酸激酶的作用是在ATP供能的情況下，催化肌酸生成磷酸肌酸和腺苷二磷酸，該酶在高代謝心肌細胞特殊時期迅速恢復細胞磷酸肌酸水平中起著重要作用。膿毒癥時，心肌、骨骼肌線粒體磷酸肌酸激酶活性丟失，導致心肌氧運輸減少、電子傳遞鏈受抑制，使ATP產生減少。心肌線粒體磷酸肌酸激酶的減少，導致心肌、骨骼肌維持適當高能磷酸鹽（磷酸肌酸）儲存的能力顯著受損。

3.線粒體氧化物損傷

ATP在線粒體中產生，膿毒癥全身炎癥反應，特別是高反應性過氧亞硝基化合物（由一氧化氮和過氧化物陰離子反應產生），可以抑制線粒體酶，破壞脂類、蛋白質、核苷酸，激活腺苷二磷酸核糖多聚酶可修復氧化應激增強所致的DNA鏈斷裂，這一過程消耗了大量煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，使細胞內進入呼吸鏈的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸減少，進一步促進炎癥反應。另外，氧自由基損傷是膿毒癥心肌功能下降的主要機制之一。氧自由基包括：超氧化物陰離子、氫氧基、過氧化氫等?；钚匝跬ㄟ^攻擊線粒體DNA和線粒體蛋白引起線粒體損傷，使線粒體有氧代謝能力受損，線粒體呼吸鏈功能障礙也會使活性氧產生增加，從而產生惡性循環。

4.心肌鈣異常

膿毒癥時，TNF－α、IL－1β等促炎因子，通過抑制心肌細胞環磷酸腺苷信號轉導通路，使細胞內一氧化氮合成增加，從而增加環鳥苷酸抑制鈣通道，導致心肌功能受抑制。鈣離子是體內重要的第二信使，參與心肌興奮收縮偶聯，心肌細胞膜內外鈣離子濃度穩定是維持正常心肌功能的重要基礎。線粒體膜上存在多種鈣轉運蛋白系統，是維持細胞內外鈣濃度穩定的重要功能蛋白復合體。膿毒癥時炎性因子損傷心肌肌質網導致鈣離子滲漏，產生的氧自由基損傷線粒體膜上鈣轉運系統。內毒素心肌細胞內鈣離子濃度在早期升高，這種變化在一定程度上可以增強心肌收縮力。但膿毒癥后期，線粒體內鈣離子積聚一定的承受范圍，形成“鈣超載”，使線粒體發生不可逆損傷或細胞死亡。心肌細胞鈣離子濃度上升被認為是心臟功能障礙的重要因素之一。

（二）脂肪酸代謝紊亂

膿毒癥時心肌細胞能量代謝由優先利用游離脂肪酸變為優先利用葡萄糖供能。游離脂肪酸氧化減少的主要原因包括：過氧化合物酶體增殖激活受體活性降低，引起參與游離脂肪酸運輸與代謝的基因表達下調等。

1.極低密度脂蛋白受體（very low density lipoprotein receptor，VLDL－R）下調

極低密度脂蛋白受體豐富表達于心肌細胞上，對機體甘油三酯和脂肪酸轉運及心肌能量代謝尤為重要。膿毒癥時機體免疫系統失調，細胞因子TNF－α、IL－1β、一氧化氮等產生過量。脂多糖致心肌脂質積累，亦下調心肌細胞新生血管VLDL－R表達。

2.高甘油三酯血癥和極低密度脂蛋白升高及結構異常

膿毒癥時系統反應炎癥導致機體廣泛的生理生化方面的改變，其中一個顯著特征是極低密度脂蛋白介導的血漿甘油三酯濃度升高。甘油三酯上升可能與脂多糖導致機體免疫系統激活產生大量促炎性細胞因子（如TNF－α、IL－1β及血小板活化因子）及內毒素血癥有關。甘油三酯升高的直接原因包括：①肝臟通過脂肪生成和脂肪酸酯化作用使甘油三酯生成增加；②外周組織攝取甘油三酯減少，血漿甘油三酯清除增加。膿毒癥內毒素血癥另一個重要的生化指標是VLDL濃度上升，其內部構成的脂質和脂蛋白含量發生改變。VLDL的主要功能是運輸肝臟中合成的內源性甘油三酯。無論是血液運輸到肝細胞的脂肪酸，或是糖代謝轉變而形成的脂肪酸，在肝細胞中均可合成甘油三酯。在肝細胞內，甘油三酯與血清載脂蛋白B膽固醇等結合，形成VLDL并釋放入血。

3.膿毒癥時肉堿脂酰轉移酶被氧化修飾

長鏈脂酰輔酶A不能直接透過線粒體內膜，其進入線粒體氧化需要肉堿脂酰轉移酶（carnitine palmitoyltransferase，CFF）的輔助。CPTⅠ是心肌氧化底物選擇的關鍵酶。CPTⅠ兩個異構體分別存在于心、肝（L型）和肌肉（M型），兩個異構體在新生兒、斷奶后的嬰兒、成人三個不同時期具有不同的相對數量和動力學特征。CPTⅠ通過丙二酰輔酶A活性控制和調節脂肪酸的氧化，丙二酰輔酶A濃度則由乙酰輔酶A羧化酶、腺苷一磷酸A活化蛋白激酶和丙二酰輔酶A脫羧酶調節。膿毒癥時，心肌上述酶學發生改變間接抑制CPTⅠ活性。膿毒癥時心肌細胞M型CPTⅠ活性抑制預計能改變心肌底物的選擇，從而影響心肌細胞脂肪酸代謝。

（三）糖代謝的異常

膿毒癥時心肌細胞酶學發生改變，可導致心肌糖代謝異常和心肌存在進行性的能量衰竭，最終導致心臟功能的降低。

膿毒癥早期，機體處于高代謝狀態，組織細胞的需氧量明顯增加，而膿毒癥時因微循環障礙及組織利用氧障礙導致組織獲取氧量減少。因此，組織通過有氧氧化而生成的ATP減少，機體為了增加ATP的生成，無氧酵解明顯增加，心肌能量代謝完全由線粒體有氧氧化轉化為以糖酵解為主。首先，線粒體有氧氧化受抑制，心肌細胞生化和酶學也發生相應變化。二磷酸腺苷、一磷酸腺苷以及游離磷酸濃度上升，而己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶等糖酵解限速酶表達及活性上調。這些變化可以間接增強心肌糖酵解作用。其次，胰島素抵抗也可導致部分依賴胰島素調節的糖酵解限速酶活性下降。另外，膿毒癥心肌能量需求增加，心肌組織中磷酸肌酸/肌酸比例下降，一磷酸腺苷/ATP比例增加，導致磷酸腺苷活化蛋白激酶活性上調。磷酸腺苷活化蛋白激酶激活可以通過增加葡萄糖轉運體的轉位而增加葡萄糖的攝取，通過激活磷酸果糖激酶2增加糖酵解的作用。最后，膿毒癥時心肌出現低氧血癥可誘導葡萄糖轉運體1基因表達，從而增加葡萄糖轉運，促進心肌糖代謝。糖酵解作用可增強維持一定水平的ATP濃度，對于維持心肌細胞的結構完整性及基本功能具有重要的意義。

膿毒癥后期，心肌葡萄糖濃度下降，同時伴隨丙酮酸濃度上升，乳酸與丙酮酸濃度比值下降，表明心肌葡萄糖代謝障礙而不是局部缺血，為膿毒癥心肌受損的主要原因。膿毒癥時系統性炎癥反應至少通過以下兩條途徑影響心肌線粒體功能，損害心肌葡萄糖利用：①代用能源（β－羥基丁酸鹽）反調節作用增強；②胰島素依賴的糖原合成受損。葡萄糖運輸過程中一氧化氮/環鳥苷酸系統抑制致胰島素抑制的糖原合成受損。上述原因均可導致機體胰島素抵抗，葡萄糖利用障礙。其次，膿毒癥后期，脂肪酸和酮體利用率大大增加，導致心肌糖酵解下降。高酮血癥（肝臟生酮作用）、血漿脂肪酸（脂肪分解作用）升高共同影響心肌糖酵解。鞘磷脂衍生物和環氧化酶2衍生物血栓素A介導糖酵解損傷。此外，膿毒癥時常出現血漿枸櫞酸濃度上升，枸櫞酸是果糖磷酸激酶的變構抑制劑，而果糖磷酸激酶則是催化糖酵解主要限速步驟的關鍵酶，因此，血漿枸櫞酸濃度上升可間接抑制糖酵解。因此，膿毒癥后期，糖代謝發生明顯抑制。

五、心肌能量代謝研究的意義

越來越多的證據表明，心臟能量代謝障礙是心肌細胞損傷的始動環節，是引起和促進心功能障礙發生、發展的重要因素。因此，如何保護心肌細胞，阻止損傷因素導致的能量代謝障礙，而避免繼發線粒體損傷、氧自由基、鈣超載等的發生，對心肌細胞損傷治療的一個重要的方向。近年來對心臟代謝的研究深入，提出心臟能量學的概念，心臟能量學系研究心肌能量、代謝、需氧與供氧平衡和心臟做功關系的一門學科。心肌細胞能量代謝失調是缺血性心臟病、膿毒性心肌病等疾病的病理機制之一，心臟能量代謝藥物治療將日益受到廣泛的關注。

（蔡國龍）

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