力竭运动时心肌线粒体解偶联蛋白2介导的心肌损伤

孟 可 李晓燕

运动性猝死以心源性猝死为主。当运动负荷过大，超过机体的承受能力，即力竭运动时，心肌细胞及亚细胞形态、结构及代谢功能会发生失代偿性改变，引起心肌能量代谢障碍、心肌微结构损伤、冠状动脉供血不足及心肌细胞凋亡，伴随严重的缺氧、酸中毒、能量耗竭，导致心肌功能障碍和心肌细胞死亡。心肌细胞中丰富的线粒体是能量的主要来源。解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP）2是线粒体内膜上的一种蛋白质，参与力竭运动时三磷酸腺苷（ATP）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的调控，同时在糖脂代谢及心肌细胞凋亡中发挥关键作用。

1 UCP2与力竭运动

UCP2基因位于人类染色体11q13，长6.5 kb，编码308个氨基酸，含有8个外显子和7个内含子。线粒体通过氧化呼吸将氢离子（H＋）从线粒体基质转移至内膜，形成跨内膜质子电化学梯度；线粒体中F0-F1 ATP合酶将H＋从内膜面运回至基质面，释放的能量可促进二磷酸腺苷（ADP）与磷酸结合生成ATP，此过程即为氧化磷酸化偶联。然而，H＋也可不通过F0-F1ATP合酶而是跨膜扩散直接进入线粒体基质，不生成ATP而释放热能，这种现象称为“质子漏”［1］。UCP2具有“质子漏”功能，使呼吸链传递电子过程中产生的H＋不经过氧化磷酸化偶联，而是作为质子转运体直接将H＋从线粒体内膜转运到基质中，降低线粒体内膜电化学梯度，减少 ATP产生，释放热量［2］。

运动作为一种刺激因素激发机体产生应答反应，不同运动模式对机体作用不同。机体进行有氧运动时线粒体UCP2的表达可不受影响甚至下调，而急性力竭运动时UCP2表达增加。Boss等［3］研究发现，大鼠跑台有氧训练4周后，心肌线粒体内UCP2 mRNA水平下降。然而，Zhou等［4］研究发现，大鼠急性跑台运动30 min后线粒体中UCP2的表达是安静时的6倍，200 min后可达安静时的7倍。Cortright等［5］也发现，小鼠跑台急性运动2 h后，UCP2的mRNA水平明显升高。

2 力竭运动时UCP2对ROS的调控

生理情况下，约2%的氧在线粒体电子传递过程中产生ROS［6］。适度的运动可以提高机体清除ROS的能力，改善能量代谢，但是急性力竭运动会使体内ROS急剧增多，造成脂质过氧化，对机体造成损伤。

UCP2可以调控ROS的生成。Negre-Salvayre等［7］采用UCP抑制剂二磷酸鸟苷（GDP）抑制多种组织内线粒体UCP2的活性，发现单磷酸腺苷（A MP）水平升高，ROS生成明显增加。UCP2可使H＋直接进入线粒体基质，质子电化学势能被消耗，跨膜电化学梯度降低。ROS水平与线粒体跨膜电位呈正相关［8］。

ROS水平升高时，可对UCP2进行反馈调节，导致 UCP2表达上调［9］。Lee等［10］研究发现，肿瘤坏死因子－α可促进肝脏线粒体ROS的生成，进而诱导UCP2表达增加，提示UCP2可能在抗氧化防御中起重要作用。Cortez等［11－12］用脂质乳剂诱导肝细胞ROS生成增加，UCP2表达也随之增加，进一步证实了ROS产生可以上调UCP2表达，进而通过负反馈作用减少ROS的产生。

力竭运动时ROS生成增加，UCP2并不是运动性ROS产生的限制性因素，而是氧化应激后线粒体的负反馈调节环节。因此，推测ROS本身可能是此调控过程的信号转导分子。

3 力竭运动时UCP2对能量代谢的调控

线粒体生成ATP是有氧运动的能量来源。运动时能量的代谢和转运不可避免地导致ROS生成。前面提到，急性力竭运动导致线粒体UCP2表达增加，UCP2的升高与减少ROS生成有关［4］。力竭运动时，UCP2一方面抑制ROS生成，保护机体细胞；另一方面，UCP2的“质子漏”功能使产生的势能以热量形式消耗，而非转化成ATP，导致ATP生成减少，线粒体能量代谢降低［9］。能量产生及利用障碍是心功能衰竭的重要因素［13］。心肌线粒体能量代谢异常造成心肌收缩功能持续性恶化，最终导致心功能衰竭。

UCP2还可能参与调节运动机体的脂肪酸代谢过程［14］。在运动后及禁食状态下，血浆游离脂肪酸增加，骨骼肌中UCP2表达上调。急性力竭运动时血浆游离脂肪酸生成速率加快。当血浆游离脂肪酸氧化增高时，UCP2在心肌、胰岛细胞和棕色脂肪组织中的表达增高［15］。大型流行病学调查显示，高水平血浆游离脂肪酸与心源性猝死呈显著相关，抑制游离脂肪酸进入线粒体，减少游离脂肪酸氧化和抗交感活性治疗，可改善心肌能量代谢和心肌缺血损伤［16－17］。

4 力竭运动时UCP2与心肌细胞凋亡

力竭运动时ROS生成增多，钙离子（Ca2＋）内流增加引起细胞内钙超载，线粒体通透性转变孔道（mPTP）开放，引发caspase级联活化，导致细胞凋亡［18－19］。张钧等［20］发现，中等强度运动训练的大鼠无明显的心肌细胞凋亡，而力竭运动后的大鼠心肌细胞凋亡增加。大鼠急性力竭运动后24 h，心内膜下心肌细胞出现缺氧、凋亡等改变［21］。

UCP2对心肌细胞凋亡的调控作用尚存争议。研究发现，UCP2可抑制mPTP开放，抑制ROS生成，阻止 Ca2＋内流，从而抑制细胞凋亡［7，22］。然而，Bodyak等［23］对缺氧后复氧的大鼠心肌细胞的研究发现，UCP2高表达时心肌细胞中促凋亡基因BNIP3的表达增高，细胞凋亡显著增多。高浓度游离脂肪酸培养的大鼠心肌细胞中UCP2表达增加，凋亡相关蛋白表达亦增多，抑制UCP2表达后，细胞凋亡明显减少，推测UCP2参与了大鼠心肌细胞凋亡过程［24］。造成结果不同的原因可能是上述研究的实验条件不同。

5 力竭运动时UCP2与冠状动脉供血不足

大多数运动性猝死由心血管系统异常所致，主要心血管问题包括冠心病及急性心肌梗死，先天血管结构发育异常导致的血管破裂，心脏电生理异常导致的心律失常等［25］。将取自 UCP2－／－大鼠和UCP2＋／＋大鼠的骨髓分别移植入低密度脂蛋白受体缺失的大鼠中，植入UCP2－／－骨髓的大鼠胸主动脉内粥样硬化斑块明显大于UCP2＋／＋骨髓移植后的大鼠。UCP2－／－骨髓移植后的大鼠粥样硬化斑块内巨噬细胞积聚，纤维胶原含量及细胞凋亡显著增 加［26］。 用高脂饮食同时喂养UCP2－／－和UCP2＋／＋大鼠，与 UCP2＋／＋大鼠相比，UCP2－／－大鼠体内ROS的生成明显增多，粥样斑块的数量更多、面积更大［27］。上述研究结果均提示，UCP2可阻止或延缓动脉粥样硬化进程，从而降低运动性猝死的发生。

6 结语

UCP2在力竭运动后心肌能量代谢改变及心肌损伤中的作用日益受到关注。UCP2的解偶联效应使ROS产生减少，抑制ROS对细胞、组织的损伤；另一方面，解偶联效应使ATP合成减少，导致心肌细胞功能降低［28］。UCP2的作用有利有弊，研究UCP2对ROS、ATP的调控作用以及由此引起的功能变化非常必要。

［1］ Lentes KU，Tu N，Chen H，et al．Genomic organization and mutational analysis of the human UCP2 gene，a pri me candidate gene for human obesity［J］．Recept Sig Transd Res，1999，19（14）：229-244．

［2］ Boss O，Hagen T，Lowell BB．Uncoupling proteins 2 and 3：potential regulators of mitochondrial energy metabolism［J］．Diabetes，2000，49（2）：143-156．

［3］ Boss O，Sa mec S，Desplanches D，et al．Effect of endurance training on mRNA expression of uncoupling protein 1，2，and 3 in the rat［J］．FASEB J，1998，12（3）：335-339．

［4］ Zhou M，Lin BZ，Coughlin S，et al．UCP-3 expression in skeletal muscle：effects of exercise，hypoxia，and A MP-activated protein kinase［J］．Am J Physiol Endocrinol Metab，2000，279（3）：622-629．

［5］ Cortright RN，Zheng D，Jones JP，et al．Regulation of skeletal muscle UCP2 and UCP3 gene expression by exercise and denervation［J］．Am J Physiol，1999，276（1）：217-221．

［6］ Han Y，Shi Z，Zhang F，et al．Reactive oxygen species in the paraventricular nucleus mediate the cardiac sympathetic afferent reflex in chronicheart failure rats［J］．Eur J Heart Fail，2007，9（10）：967-973．

［7］ Negre-Salvayre A，Hirtz C，Carrera G，et al．A role for uncoupling protein-2 as a regulator of mitochondrial hydrogen peroxide generation［J］．FASEB，1997，11（10）：809-815．

［8］ Viguerie-Bascands N，Saulnier-Blache JS，Dandine M，et al．Increase in uncoupling protein-2 mRNA expression by BRL49653 and bromopal mitate in human adipocytes［J］．Biochem Biophys Res Commun，1999，256（1）：138-141．

［9］ 李 海．线粒体解耦联蛋白2与能量代谢［J］．内江师范学院学报，2010，25（8）：52-55．

［10］ Lee KU，Lee IK，Han J，et al．Effects of recombinant adenovir us-mediated uncoupling protein 2 overexpression on endothelial function and apoptosis［J］．Circ Res，2005，95（11）：1200-1207．

［11］ Mittra B，Cortez M，Haydock A，et al．Ir on uptake controls the generation of Leish mania infective forms through regulation of ROS levels［J］．J Exp Med，2013，210（2）：401-416．

［12］ Slocinska MB，Al msher qi ZA，Sluse FE，et al．Identification and characterization ofuncoupling protein in heart and muscle mitochondria of canary birds［J］．J Bioenerg Biomembr，2010，42（4）：345-353．

［13］ 苏冠华，孙雨霏，卢永昕．心力衰竭的能量代谢重构及其治疗［J］．国际心血管病杂志，2012，39（2）：65-67．

［14］ Zhou H，Zhao J，Zhang X．Inhibition ofuncoupling protein2 by genipin reduces insulin-stimulated glucose uptake in 3T3-L1 adipocytes［J］．Archives of Biochemistr y and Biophysics，2009，486（1）：88-93．

［15］ 高艳辉，高海波，狄宁宁，等．β3受体阻断剂对心力衰竭大鼠心肌解偶联蛋白2和能量代谢变化的影响［J］．中国应用生理杂志，2013，29（4）：376-384．

［16］ Argaud L，Go mez L，Gateau-Roesch O，et al．Tri metazidine inhibits mitochondrial per meability transition pore opening and prevents lethal ischemia-reperfusion injury［J］．J Mol Cell Cardiol，2005，39（6）：893-899．

［17］ Fragasso G，Palloshi A，Puccetti P，et al．A randomized clinical trial of trimetazidine，a partial free fatty acid oxidation inhibitor，in patients with heart failure［J］．J Am Coll Cardiol，2006，48（5）：992-998．

［18］ Umaki Y， Mitsui T，Endo I，et al．Apoptosis-related changes in skeletal muscles of patients withmitochondrial diseases［J］．Acta Neuropathol，2002，103（3）：163-170．

［19］ Brenner C，Cadiou H，Vieira HL，et al．Bcl-2 and Bax regulate the channel activity of the mitochondrial adenine nucleotide translocator［J］．Oncogene，2000，19（3）：329-336．

［20］ 张 钧，许豪文，杨小英．运动对心肌细胞凋亡的影响［J］．体育科学，2002，22（5）：93-95．

［21］ 常 芸．运动训练对内膜下心肌组织的影响［J］．中国运动医学杂志，1992，11（1）：29-32．

［22］ Tur ner JD，Gaspers LD，Wang G，et al．Uncoupling protein-2 modulates myocardial excitation-contraction coupling［J］．Circ Res，2010，106（4）：730-738．

［23］ Bodyak N，Rigor DL，Chen YS，et al．Uncoupling protein 2 modulates cell viability in adult rat cardiomyocytes［J］．Am J Physiol Heart Circ Physiol，2007，293（1）：829-835．

［24］ 李 楠．解偶联蛋白与心肌能量代谢研究进展［J］．中华老年心脑血管病杂志，2010，12（1）：84-86．

［25］ 吴 蓓．军事训练中预防运动性猝死的意义及对策［J］．人民军医，2011，54（2）：98-99．

［26］ Blanc J，Alves-Guerra MC，Esposito B，et al．Protective role of uncoupling protein 2 in atherosclerosis［J］．Circulation，2003，107（3）：388-390．

［27］ Moukdar F， Robidoux J， Lyght O，et al． Reduced antioxidant capacity and diet-induced atherosclerosis in uncoupling protein-2-deficient mice［J］．J Lipid Res，2009，50（1）：59-70．

［28］ 高艳辉，郑方方，孔一慧，等．解偶联蛋白2与心力衰竭的关系［J］．国际心血管病杂志，2013，40（2）：101-102．