全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 4期
2008年 8月
Vol. 20, No. 4
Aug., 2008
活性氧、钙和心力衰竭
颜　媛，张会亮，方华强，郑　铭，程和平，张荣利 *
（北京大学分子医学研究所，北京 1 0 0 8 7 1）
摘 要：活性氧信号和钙信号广泛存在于机体内，两者相互作用，共同参与调节机体多种生理功能及
病理过程。本文对这两个信号系统之间的相互作用及相关机制、在心力衰竭过程中的作用及可能的临
床应用前景进行了综述。
关键词：活性氧；钙；心力衰竭
中图分类号：Q4 63　　文献标识码：A
Reactive oxygen species and calcium signaling in heart failure
YAN Yuan, ZHANG Hui-liang, FANG Hua-qiang, ZHENG Ming, CHENG He-ping, ZHANG Rong-li*
(Institute of Molecular Medicine, Peking University, Beijing100871, China)
Abstract: Reactive oxygen species (ROS) and calcium signal constitute the most important intracellular signaling
systems that participate in the regulation of multitude cellular functions. Here we briefly review interactions
between the two prominent signaling systems, their integrated effects on heart failure, and their potentials for
therapeutic interventions.
Key words: reactive oxygen species; calcium; heart failure
文章编号 ：1004-0374(2008)04-0528-12
活性氧 (reactive oxygen species, ROS)是一类
具有氧化能力的分子、离子和自由基，主要包括超
氧阴离子 (O2－·)、过氧化氢 (H2O2)、羟自由基 (·OH)
和单线态氧 (1O2) 等，它们广泛存在于机体内并参
与调节机体重要的生理和病理过程。而钙离子
(Ca 2+) 则是细胞内最广泛、进化最古老的信号分
子，作为单原子二价阳离子，参与了几乎所有的重
大生命过程，包括卵细胞受精、肌肉细胞收缩、激
素分泌、能量代谢、基因转录和表达、细胞生长
和死亡等。活性氧信号系统与钙信号系统之间具有
密切的相互作用。一方面，活性氧通过调节钙信号
系统不同组分的氧化还原状态，造成局部和全细胞
钙信号的幅度和时空特性的改变，从而影响细胞功
能。另一方面，钙离子通过对活性氧产生系统和抗
氧化系统的调节，影响活细胞内 ROS的动态平衡，
改变胞内氧化还原状态，进而影响细胞多种功能。
在本文，我们主要讨论这两种重要的信号系统之间
的相互作用、作用机制及其在病理过程 (特别是心
力衰竭) 中的重要作用。
1　活性氧对钙信号通路的调节
细胞钙信号系统由成百上千的蛋白质分子组
成，对钙信号网络组分的任何影响都可能改变局部
或全细胞钙信号的时空特异性，影响钙信号转导的
效率、特异性和复杂性。活性氧可以通过修饰钙信
号系统的关键蛋白组分，如电压依赖的钙通道、细
胞内钙释放通道等，从而影响局部和全细胞钙信号
的幅度和动力学特性(图 1)，进而影响细胞的生物
学功能。
1.1　电压依赖的钙离子通道
目前研究集中于活性氧对电压依赖性钙通道
(voltage-dependent Ca2+ channels, VDCCs) 活性的调
收稿日期：2008-07-01
基金项目：国家自然科学基金(30630021，30770870，
30500182) ；“973”计划(2007CB512100)
* 通讯作者：E-mail: zrl@pku.edu.cn
529第4期 颜　媛，等：活性氧、钙和心力衰竭
控作用上。VDCC 由多个亚单位 (α 1、α 2、β、γ
和 δ) 组成，包含 L、T、N、P、Q 和 R 等亚型，
含有多个半胱氨酸残基。以 L型钙通道为例，其α1
亚单位含有48个半胱氨酸残基，这些半胱氨酸残基
大多参与二硫键的形成[2]。巯基氧化剂提高青蛙心
室肌细胞 L型钙电流，H2O2加快爪蟾卵母细胞神经
元上 P型或Q型钙离子通道的开放过程[3]。相反的，
在豚鼠心室肌细胞的全细胞膜片钳研究发现，活性
氧可以抑制 L型钙离子通道的活性[4]。类似的，巯
基氧化剂 2,2-dithiodipyridine (DTDP) 抑制重组的兔
平滑肌 L 型钙离子通道的活性 [ 5 ]。巯基还原剂
dithiothreitol (DTT)不改变HEK293细胞系中表达的人
心肌 L 型钙通道的活性，但能消除巯基氧化剂
thimerosal的抑制作用[6]。另外，H2O2对于胰腺 β -
细胞的 L型钙电流没有明显作用[7]。这些结果说明
L型钙离子通道蛋白自由巯基的氧化或还原可改变通
道的功能；但是活性氧的修饰引起通道的激活或抑
制，依赖于不同的细胞类型。此外，实验条件不
同也可能导致研究结果的差异，例如，外源重组表
达的通道中仅含有 α亚基，而细胞内源性存在的通
道还具有辅助亚基，提示我们，辅助亚基在调节通
道功能活动中可能具有重要作用。对钙离子依赖的
钾通道 (KCa) 的研究发现，辅助亚基 β3可以对离子
通过 α 亚基进行调节：β 3亚基形成“门”结构，
阻止离子穿过[8]，当胞外二硫键被还原，这种门控
机制就被破坏。因此推断，辅助亚基可以根据通道
蛋白巯基的氧化还原状态，对离子通道进行调节。
在心肌细胞中，迅速降低细胞内氧含量和活性
氧的产生能造成心肌电生理信号的不稳定，引发心
律不齐[9,10]。急性缺氧造成心肌细胞本底L型钙电流
的减少[11]。同样的结果也见于血管平滑肌 L型钙通
道、重组的 L型钙通道 α1C亚基，以及重组的 T型
图1　钙信号与活性氧信号的相互作用[1]
注：钙离子可以调制线粒体内和细胞胞浆中的 ROS产生与清除系统；同时 ROS又可以调节钙离子信号组成成分，因而在
生理和病理过程中影响局部或全局的钙信号。VDCC：电压依赖的钙离子通道；SOC：库容性钙离子通道；PMCA：质
膜钙泵；NCX：钠 -钙交换器；PLC：磷脂酶 C；PIP 2：4 ,5 -二磷酸磷脂酰肌醇；ER /SR: 内质网 /肌浆网；RyR：雷
诺丁受体；IP 3R：IP 3受体；SE RC A：内质网 / 肌浆网钙泵；T CA：三羧酸；E TC：电子传递链；mP TP : 线粒体膜通
透性转换孔；U：u n ipo r te r；GSH：谷胱甘肽；SO D：超氧化物歧化酶；*：吞噬细胞 N AD (P ) H 氧化酶；* *：非吞
噬细胞NAD(P)H oxidase
530 生命科学 第20卷
钙通道 α1H和 α1I亚基[6,12]。巯基氧化剂DTNB可以
减弱缺氧造成的 L型钙通道活性的抑制[13]。另外，
缺氧还能增强 L型钙通道对 β肾上腺素激动剂异丙
肾上腺素的敏感性[13]，DTT[13]或者胞内灌流过氧化
氢酶[14]可以模拟这一作用。这说明缺氧对 L型钙电
流的调节作用伴随着细胞内氧化还原状态而改变。
1.2　胞内钙释放通道
细胞内钙离子通过Ryanodine受体和 IP3受体从
内质网(endopla smic ret iculum, ER) 或肌质网
(sarcoplasmic reticulum, SR) 释放到胞浆是钙信号的
重要事件。哺乳动物细胞表达三类 Ryanodine受
体：RyR1、RyR2和 RyR3[15]。Ryanodine受体是
同源四聚体，每个亚单位都含有多个自由半胱氨酸
残基，如RyR1蛋白的每个亚基含有约 50个自由半
胱氨酸残基[16]，RyR2的每个亚基也有约 21个自由
半胱氨酸残基[17]。多种化学氧化剂和巯基修饰复合
物能选择性地对RyR1和RyR2进行修饰，进而改变
SR的钙离子释放。例如，早期对骨骼肌的研究发
现，重金属或者巯醇氧化复合物能氧化钙释放通道
的关键巯基，从而诱导 SR内钙离子释放，增强骨
骼肌的收缩[18, 19]。近期对绵羊心脏的体外实验表
明，H2O2可以直接修饰心脏的 RyR2门控特性，提
高通道开放的可能性，但并不影响通道电导[20]。而
在神经细胞中，活性氧通过激活 RyR3修饰钙离子
依赖的长时程增强和长时程减弱[16]。根据氧化还原
物质的使用浓度和作用时间不同，Ryanodine受体
巯基修饰的功能性结果可以是被激活也可以是被抑
制。巯基氧化剂DTNB和DTDP能改变RyR的氧化
还原状态，在低浓度(nmol/L)时增强通道活性，而
高浓度(µmol/L)却抑制通道复合物[21]。同样，低浓
度H2O2 (100µmol/L) 也能够激活脂质双分子层中重
组的 RyR1，高浓度H2O2 (1－ 10mmol/L)则降低了
RyR 1 的开放概率[22]。全细胞膜片钳实验结果表
明，H2O2可以增强分离心室肌细胞 SR的钙离子释
放；当在低浓度巯基还原剂谷胱甘肽 ( G S H ,
2mmol/L)或 DTT (0.5mmol/L)预处理细胞后，这一
作用更明显 [ 2 3 ]。值得注意的是，高浓度 G S H
(10mmol/L)或DTT(2mmol/L)自身即能强烈抑制心
肌细胞的钙离子释放[23]。
与 Ryanodine受体类似，IP3受体也是同源四聚
体，但目前对其功能的研究较少。已有的研究表
明，IP3受体也受到活性氧的调节。在分离的平滑
肌中，次黄嘌呤 -黄嘌呤氧化酶(hypoxanthine/xan-
thine oxidase, HX/XO) 产生的O2－·可增加 SR上 IP3诱
导的钙释放[24]；氧化型GSH (GSSG)可以诱导肝细
胞 IP3R钙释放[25]。此外，还有数据显示，外源性
NADPH或H2O2能提高人内皮细胞内质网对IP3的敏
感性[26]。然而，在完整的细胞中，内源性活性氧
能否对 ryanodine受体和 IP3受体进行适当修饰，还
有待于进一步验证。
1.3　钙泵和钠 -钙交换体
除钙离子通道外，细胞质膜的钙泵(PMCA)、
内质网/肌质网的钙泵(SERCA)和钠钙交换器(NCX)
都受到活性氧的调节。活性氧可以有效的抑制平滑
肌细胞SERCA[27]和心肌细胞PMCA[28]对钙离子的转
运。H2O2和O2－·能使 PMCA的水解反应脱偶联，并
且可以抑制 SERCA对ATP的水解[4]，说明 SERCA
比 PMCA对活性氧的敏感性更高。活性氧对钠钙交
换器有双重调节作用。X/XO系统产生的H2O2能增
强再灌注的心室肌细胞NCX反向运转，导致细胞内
钙超载，引起心律失常[29,30]。相反的，HX/XO系
统产生的活性氧在电压钳的条件下抑制豚鼠心室肌
细胞NCX的活性[31]，而HOCl-也被发现可以抑制
NCX活性[29]，提示不同活性氧成分或同一成分对不
同种属的细胞可能具有反应特异性。
此外，其他钙信号系统组分，包括库容性钙
离子通道[32]、KCa [4,33] 以及钙调素(calmodulin, CaM)[3]
都被证实受到活性氧的调节。
1.4　活性氧参与钙信号的调节 　
活性氧可以引起多种类型细胞胞浆自由钙离子
浓度的动态变化[34-37]，这一作用可能与钙离子从内
钙库流出和从胞外流入有关。活性氧对于钙信号的
调节存在双向性，既可激动也可抑制钙信号，主要
与活性氧的类型、浓度和作用时间有关。1µmol/L
H2O2对[Ca2+]c并没有影响[35]，而 100µmol/L H2O2可
以显著增加大鼠心肌细胞胞浆钙离子浓度[Ca2+]c ；
且在冲洗掉H2O2后，[Ca2+]c仍然持续增加。更高浓
度的H2O2 (1mmol/L)则引起心肌细胞钙瞬变的双向变
化：首先H2O2引起钙瞬变幅度的增大；作用 5min
以后，却抑制钙瞬变的大小，这种双向作用可能是
由于内质网或肌质网的清空造成的。相反的，还原
的GSH和DTT能减弱[Ca2+]c的瞬变[38]。此外，还
有实验显示 100－ 300µmol/L的H2O2可以增强表面
质膜平滑肌纤维的收缩，但不引起胞质钙离子浓度
的增加[39]，说明活性氧对钙信号的调节也具有组织
特异性。
531第4期 颜　媛，等：活性氧、钙和心力衰竭
活性氧对于局部钙信号——钙火花的调控与活
性氧种类和作用的组织有关。X/XO产生的O2－·可以
引起穿孔大鼠心肌细胞钙火花频率的缓慢下降，与
对照相比下降了 44%[40]。而在完整大鼠心肌细胞上
的研究表明，一定激光作用下，线粒体可以产生自
发传播的活性氧波 (图 2)；线粒体来源的 ROS对钙
火花具有双向调节作用(图 3)：光刺激引起的第一
次活性氧振荡引起钙火花频率的增高(比对照高
44%)；随着活性氧的逐渐累积，钙火花的频率逐
步下降(比对照下降 27%) [41]。另外，线粒体 ATP
敏感的钾离子通道激动剂diazoxide作用产生的活性
氧可以诱导线粒体去极化，提高钙火花的频率，并
增强钙火花与KCa的偶联，从而使大鼠大脑动脉平
滑肌细胞舒张[42]。在穿孔的大鼠平滑肌纤维上的实
验发现50µmol/L的H2O2可以增强钙火花的频率[43]。
综上所述，在不同亚细胞水平(质膜、胞质和
线粒体等)，活性氧信号对钙信号的调节作用不同，
是激动或抑制依赖于靶蛋白的种类、活性氧的类
型、剂量、作用时间和细胞状态。
2　钙对活性氧动态平衡的调节
2.1　钙离子诱导活性氧的产生
细胞内存在多个活性氧的来源(图 1)，包括线
粒体的电子传递链、细胞表面的 NADPH氧化酶、
细胞胞浆的过氧化物酶体、细胞色素 P450、黄嘌
呤氧化酶、环氧合酶和脂氧化酶。其中，线粒体
是生理情况下活性氧产生的主要来源，电子通过呼
图2　活性氧波的传播[41]
A：CM-DCF装载的心肌细胞在激光闪光前(a)后(b-f)的时间序列面扫描图像。A中的虚线方框表示激光闪光刺激的区域(6.3×
6.3µm 2)。除激光闪光外，每张图像的采集时间为 3s。活性氧波从激发区域向细胞两端传播；B：时间－线(t-x)图像，从
A中一系列面扫描图像中选取一条沿细胞长轴的直线，然后按照时间顺序从左向右排列得到。虚线表示活性氧波的前沿，
通过计算机计算得到；C：活性氧波的线性拟和曲线。在这个细胞中活性氧波的速度为 4.3µm/s。类似的结果在其他四个
细胞中获得。
532 生命科学 第20卷
吸链传递的过程中有1%－2%的电子用于合成活性
氧[44]。线粒体电子传递链首先合成 O2－·；O2－·再通过
自身的歧化反应或超氧化物歧化酶 ( superoxide
dismutase, SOD) 的催化生成H2O2。因此，线粒体
活性氧的产生速度与细胞代谢速度紧密相关[45]。而
线粒体内Ca2+的一个重要功能就是刺激三羧酸循环[46]
和氧化磷酸化过程[47, 48]。Ca2+主要作用于三羧酸循
环的三种脱氢酶 (丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶
和氧化戊二酸脱氢酶)、ATP合成酶[47]和腺嘌呤核
苷转运酶[48]，通过加快代谢速度而增加活性氧的生
成。除直接作用于上述代谢酶外，Ca2+激活一氧化
氮合成酶[49]，促进一氧化氮(NO)合成，进而抑制
图3　光激活全细胞活性氧振荡对钙火花的调节[41]
A：局部光刺激引起的多次全细胞活性氧振荡的 CM-DCF荧光信号时间 -线图像；B：激光闪光前后的钙火花 (图中箭头表
示) 。虚线方框表示刺激区域，以及没有矫正的 CM-DCF信号的串光区域；C和D分别表示活性氧的产生和钙火花频率的
时间曲线。其中实线箭头表示随后的两个活性氧振荡；E：钙火花频率和幅度的统计结果。其中，对照表示激光闪光之
前，第一次反应表示在第一次活性氧振荡区间，10－ 15min表示激光闪光后 10－ 15min。n=13个细胞。*表示与对照区
间 p< 0.05；**表示与对照区间 p<0.01；F： 随后的活性氧振荡过程中相应的钙火花活动的统计结果。其中右边的柱状图
表示与每个振荡前后 36s (B&A)做比较的，每个活性氧振荡过程中的 CM-DCF信号和钙火花频率的统计结果。*表示与每
个振荡前后 36s比较 p<0.05。
533第4期 颜　媛，等：活性氧、钙和心力衰竭
线粒体复合物 IV[50]，增加电子传递链上漏出电子
量，从而增加 ROS的生成；增加的 NO 还可以结
合线粒体基质内高浓度钙离子，抑制线粒体复合物
I，增加 ROS的合成[51]。此外，Ca2+可以通过竞争
性结合心磷脂中细胞色素 c结合位点或者刺激线粒
体渗透性瞬变孔道(mitochondrial permeability transi-
tion pore, mPTP)的开放，增强线粒体膜间隙细胞
色素 C的释放，抑制呼吸链复合体 III，增加 ROS
的合成[52]。在分离的心脏线粒体[53]和肝脏线粒体[54]
中的实验研究发现，Ca2+能够增加复合体 III抑制剂
antimycin A的促活性氧合成作用，但在大脑线粒体
中，Ca2+却并不促进 antimycin A的作用[55]，提示
Ca2+调节活性氧合成的作用有组织特异性。然而，
同样在大脑线粒体中，Ca2+可以增加复合体 I抑制
剂 rotenone的促活性氧合成作用，且钙离子鳌合剂
EGTA可以反转此作用，提示在活性氧的合成中存
在可逆的 Ca2+调节位点[55]。
尽管 Ca 2+调节活性氧合成的现象已有明确报
道，但其具体机制尚未清楚。Cadenas和 Boveris[53]
认为线粒体去极化起到了关键作用，因为线粒体大
量摄取 Ca2+后，线粒体内膜电位 ∆ψ m丢失，可以
导致线粒体氧化磷酸化轻度解偶联，而此解偶联作
用可能与Ca2+刺激ROS产生有关[56]。另一些研究则
认为，Ca2+可能是通过改变线粒体的膜结构而诱导
活性氧的产生[55]。在分离的线粒体上的研究发现，
线粒体内高浓度的自由 Ca2+能够触发线粒体mPTP
开放，从而增强活性氧的合成[56,57]。而使用抗氧化
剂MCI-186或过氧化氢酶可以抑制Ca2+诱导的mPTP的
开放[1]。然而，mPTP开放如何导致活性氧产生的
中间环节仍不清楚。已知mPTP开放时，近 100种
蛋白质分子从线粒体内膜释放，其中包括细胞色素
C、GSH等，这些分子都可以增加活性氧的合成[56]。
此外，Ca2+还能调节线粒体外的多种活性氧合
成酶。以细胞表面的NADPH氧化酶为例，这是一
种具有快速激活和失活动力学特性的多酶复合体，
参与受体介导的信号级联反应中所需活性氧的合成[3]。
研究最为清楚的是吞噬细胞内NADPH氧化酶，它
由两个跨膜亚基 (gp91phox 、p22phox)和三个胞浆内亚
基 (p67 pho x、p47 phox、rac2)组成[58]。中性粒细胞
NADPH氧化酶的活性是Ca2+依赖性的，降低细胞内
外 Ca2+浓度可以减缓活性氧的合成。多种非吞噬细
胞中也存在NADPH氧化酶和它的类似物，包括平
滑肌细胞、软骨细胞、肾脏上皮细胞、内皮细胞
等。研究发现，Ca2+可以通过改变NADPH氧化酶
5的结构而增加超氧化物的合成[1]。其他活性氧合
成酶，如 5- 脂氧化酶、黄嘌呤氧化酶，也可以直
接或间接受 Ca2+调节[1]。
2.2　钙离子对抗氧化系统的调节
细胞内存在酶促或非酶促氧化防御机制，保护
细胞自身免受活性氧的损伤，包括酶类抗氧化剂
Mn-SOD、Cu-/Zn-SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽
过氧化酶、谷胱甘肽巯基转移酶、辅酶 Q、细胞
色素 c，及非酶类抗氧化剂GSH、水溶性的抗坏血
酸(维生素 C)、脂溶性的 α-生育酚 (维生素 E)以及
许多多酚类物质等。Ca2+可以直接激活多种抗氧化
酶，如植物中的过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶，动
物细胞中的超氧化物歧化酶等，也可以诱导线粒体
GSH在mPTP开放前释放。此外，Ca2+还通过钙结
合蛋白CaM与抗氧化酶相互作用，参与调节活性氧
稳态 [ 1 ]。
综上所述，Ca2+对细胞活性氧稳态具有双重调
节，既可促进活性氧产生，又可激活抗氧化系统清
除过量产生的活性氧，其最终效应是组织特异性的
及环境敏感的；并且同一个细胞中，不同亚细胞结
构中也存在特异性调节。
3　活性氧与心力衰竭
3.1　活性氧与心力衰竭
心力衰竭，是心脏泵血量不能满足机体正常活
动需要所出现的一种病理生理过程，是多种心血管
疾病的终末表现。越来越多的证据表明，心脏线粒
体电子传递链是心力衰竭过程中产生ROS的重要甚
至是主要场所。Solaini和Harris[59]研究表明，在缺
血和心力衰竭受损的心脏中，线粒体呼吸链尤其是
复合体 I是 ROS的主要来源。Ide等[60]采用快速起
搏的狗心力衰竭模型发现，从心力衰竭心脏分离出
的线粒体，在NADH存在时，复合体 I的酶活性降
低约 50%，同时超氧阴离子产生大量增加，提示在
心力衰竭心脏的线粒体中，复合体 I的酶活性显著
下降、线粒体呼吸链电子传递功能受阻、氧化磷酸
化偶联效率下降等，可能是导致ROS大量增加的原
因。除线粒体外，NAD(P)H氧化酶是心力衰竭时
ROS的另一个重要来源。在主动脉缩窄导致的豚鼠
心肌肥厚模型中，发现NAD(P)H氧化酶表达逐渐增
加[61]，增加的NAD(P)H氧化酶可能激活氧化还原敏
感的激酶，从而引发从心肌肥厚向心力衰竭转化的
病理进程。同样，在人心力衰竭发展过程中，尽
534 生命科学 第20卷
管NAD(P)H氧化酶含量与正常相比没有显著变化，
但其酶活性却有所增加[62]。另外，在心力衰竭进程
中，伴随 ROS合成的大量增加，抗氧化系统如硫
氧还蛋白、超氧化物歧化酶等的表达显著降低[63]，
进一步降低心脏对 ROS的清除能力，导致 ROS过
量产生。过量产生的ROS又能引起线粒体功能的损
伤，并进一步刺激 ROS的产生，此恶性循环最终
导致心力衰竭时细胞的损伤。
心力衰竭过程中，线粒体持续近距离暴露在高
浓度ROS中，因此比其他细胞器更容易受到ROS的
损伤。ROS对线粒体的损伤主要表现为线粒体脂质
的氧化、线粒体DNA (mtDNA)拷贝数的减少、线
粒体 RNA (mtRNA) 转录的降低，以及由于复合体
酶活性降低导致的氧化能力下降、线粒体膜完整性
的损伤[64]。因为mtDNA接近线粒体呼吸链，缺乏
类似核染色质结构的保护，且对DNA损伤的修复能
力差[65]，所以在高浓度 ROS作用时，mtDNA成为
损伤主要靶点。而心力衰竭心肌中复合体 I酶活性
的下降[60]可能因为编码其7个亚基的mtDNA损伤所
致[66]。另外，线粒体过量产生的 ROS可以导致线
粒体膜通透性的增加。在缺血 - 再灌注损伤中，
ROS是诱导mPTP开放的关键因子。mPTP开放使
线粒体氧化磷酸化脱偶联，∆ψm丢失， ATP合成停
止，并进一步促进 ROS产生增加[67]。此外，ROS
也可以触发线粒体内膜阴离子通道的开放，通过
“ROS诱导的 ROS释放”[10]引起更多 ROS的产生，
从而加剧心力衰竭中 ROS引起的损伤。
心力衰竭过程中产生的大量ROS对多种钙离子
通道也产生复杂的作用，影响胞内钙信号和钙离子
稳态(图 4)。前面提到，生理情况下，心肌细胞中
ROS可以调节L型钙通道、RyR2、SERCA、PMCA
和NCX等的功能。而在心力衰竭过程中，过量产
生的ROS增加RyR2的钙释放、抑制SERCA的钙回
收、反转 NCX的钙排出功能，导致心肌细胞的钙
超载，从而引起心肌细胞收缩和舒张功能的紊乱，
最终导致心脏功能失调[4]。因此，ROS对钙离子稳
态的影响可能是导致心力衰竭的重要机制之一。
心力衰竭过程中，大量的ROS除损伤线粒体功
能、影响钙离子稳态外，还在细胞信号转导、基
因表达、脂质氧化、蛋白损伤中起重要作用，并
可最终导致心肌细胞凋亡(图 4)。在腹主动脉缩窄
导致的压力负荷型心力衰竭模型中，发现ROS减少
图4　心力衰竭中ROS相关损伤
ROS：活性氧；∆ψ m：线粒体内膜电位；mtD NA：线粒体 DN A；VDC C：电压依赖的钙通道；NC X：钠 -钙交换体；
S E R C A：肌浆网钙泵；R y R：雷诺丁受体。
535第4期 颜　媛，等：活性氧、钙和心力衰竭
胶原纤维的合成并且增加基质金属蛋白酶 (MMP) 的
活性[68]，提示ROS通过对细胞外基质的影响在心肌
重塑及心力衰竭过程中发挥重要作用。另外，ROS
对脂质氧化和蛋白损伤的影响也是造成心力衰竭的
原因。在心力衰竭的狗的心脏中，代表脂质过氧化
程度的硫代巴比妥酸反应底物大量增加[60]。脂质的
过氧化可以导致膜脂双层的损伤，并产生过量的细
胞毒性malondialdehyde和其他代谢产物。ROS可以
通过氧化巯基使蛋白折叠紊乱或形成蛋白碎片、多
聚化，以及促进蛋白水解等多种方式造成蛋白的氧
化损伤[69- 72]。此外，最近研究表明，心力衰竭时
氧化应激参与介导细胞的凋亡和坏死[73]，如H2O2和
超氧阴离子都能诱导心肌细胞的凋亡[74]。反之，抗
氧化剂 selegiline，在快速起搏诱导的慢性心力衰竭
模型中通过减少氧化应激、调控凋亡和抗凋亡蛋
白，从而减少心肌细胞凋亡[75]，保护心脏功能，说
明心力衰竭时氧化应激诱导的凋亡起重要作用。
3.2　心力衰竭的抗氧化剂治疗前景
在过去的几十年中，通过采用血管紧张素转化
酶抑制剂、醛固酮拮抗剂、β受体阻断剂和再同步
化等对心力衰竭进行治疗取得巨大进展[76]。但心力
衰竭的预后仍然很差。最近的研究发现，抗氧化机
制的降低及伴随的过量ROS的产生，加剧了心力衰
竭的氧化应激，因此，采用抗氧化剂清除过量的
ROS和 /或阻断ROS的损伤途径是针对心力衰竭治
疗的一种新策略。
3.2.1　内源性的抗氧化剂　在正常状态下ROS的产
生是不可避免的，因此心脏细胞合成一系列内源性
抗氧化物质来对抗氧化应激，如 SOD、过氧化氢
酶、GPx等。在狗 90分钟冠状动脉缺血伴随 24小
时复灌模型中，联合使用SOD和过氧化氢酶大大减
少了心肌梗死的面积[77]。单独使用SOD也对缺血再
灌的心脏有保护作用[78]，如转基因小鼠中，Mn-
SOD可以保护阿霉素诱导的急性心脏毒性[79]；过表
达线粒体Mn-SOD可减小左冠状动脉结扎后的心肌
梗死面积，并使心脏对缺血再复灌的抵抗增强[80]。
但是，单独使用过氧化氢酶对缺血的心肌没有明显
的作用[78]。这可能是因为在缺血的心肌中最先产生
的 ROS是超氧阴离子。另有研究表明，GPx-1可
以保护病毒引起的心脏损伤[81]，并且高表达GPx-1
的转基因老鼠可抵抗缺血再灌引起的心肌损伤[82]。
谷胱甘肽在维持氧化还原稳态中起重要作用。
GSH与GSSG的检测是临床上用于指示氧化状态的
重要指标[83]。此外，有研究表明，心力衰竭时联
合使用维生素C和维生素E对心脏有保护效果， 如
减少氧化应激和细胞的凋亡，并阻止 β肾上腺素受
体的失敏和SERCA的下调，缓解心肌梗死所致心力
衰竭时左心室舒张功能的紊乱[84]。
3.2.2　临床使用的药物有抗氧化剂功能　现有研究
表明，许多临床使用的心血管药物也有抗氧化功
能，包括一些金属鳌合蛋白、β受体阻断剂和钙通
道的阻断剂等。
在缺血 -再灌注时，过渡金属(如铁和铜)在心
肌中可作为催化剂，催化氧自由基的形成，并引起
脂质过氧化[85]。对狗缺氧再灌模型的研究发现，铁
离子的鳌合剂去铁敏(desferrioxamine)和铜离子的鳌
合剂 bathocuproine可以降低 ROS的产生[85]。并且，
在人心肌中，去铁敏也可以显著降低ROS的产生和
脂质过氧化[86]。
近期研究结果显示，部分 β受体阻断剂同时也
是抗氧化剂。当离体心脏[87]或心肌细胞膜[88]暴露于
高浓度的H2O2时，β1肾上腺受体活性受抑制，Gs
蛋白和腺苷酸环化酶催化亚基的活性改变，提示
ROS在缺血再灌等心肌损伤时肾上腺素受体信号通
路失敏的过程中起重要作用。慢性给予动物非特异
性 β肾上腺素受体阻断剂 propranolol，可以对缺血
再灌损伤心脏产生保护作用，其作用机制可能是增
加内源性的抗氧化酶活性[89]，并抑制细胞膜的脂质
过氧化[90]。临床上广泛应用的非选择性肾上腺素受
体阻断剂卡维地罗，在钙超载时可以抑制分离的心
脏线粒体的氧消耗和超氧自由基的形成[91]。在人的
右心房肌小梁和左心室乳头肌中，卡维地罗及其代
谢产物BM-910228可以部分的阻止羟自由基引起的
收缩紊乱[92]，可能通过打断脂质过氧化链来发挥抗
氧化剂的功能[93]。因此，β受体阻断剂治疗心力衰
竭的作用部分是通过其抗氧化作用实现的。
此外，一些钙通道阻断剂也有抗氧化功能。在
高盐敏感的大鼠模型，给予第三代二氢吡啶钙通道
阻断剂 amlodipine，可以显著抑制左心室的肥大，
并与一种低分子量可透膜的超氧化物岐化酶类似物
具有相似的基因表达谱改变，提示 amlodipine可以
通过抗氧化剂的作用来缓解高血压引起的心力衰竭
症状 [ 9 4 ]。
3.2.3　基于 ROS靶点的新的抗氧化剂设计　针对
ROS产生位点和作用途径来寻找抗氧化剂是具有广
泛临床应用前景的新的治疗策略。近期出现的许多
536 生命科学 第20卷
新的抗氧化剂多定位于线粒体，或与 RyR2 相作
用，或与巯基反应。
Zhao等[95]开发了一系列可进入细胞的抗氧化剂
短肽。这些抗氧化剂可以被线粒体吸收，聚集在内
膜，从而作用到 ROS的产生位点，通过改变芳香
基和氨基酸序列，有效地减少细胞内的 ROS，并
阻止由氧化剂 t-butylhydroperoxide引起的细胞死亡。与
RyRs反应的抗氧化剂可以调节心力衰竭时钙离子从
SR 中的释放，从而起到保护心肌的作用。Edar -
avone是一种合成的广泛起作用的直接 ROS清除
剂，在右心室快速起搏的狗中，它可以缓解心力衰
竭的进展。Edaravone是通过修复 SR上 RyR2损伤
起作用的，如阻止 RyR2与 FKBP12.6部分分离、
PKA过度磷酸化和钙渗漏等[96]。
与巯基反应的抗氧化剂可以缓解心力衰竭时的
氧化应激，因此降低 ROS导致的细胞毒性。例如
MPG(N-2-mercaptopropionyl glycine)，一种含有巯
基的氨基酸衍生物，可以保护心肌的再灌注损伤[97]，
并且在主动脉弓缩窄的小鼠腹腔注射MPG可以缓解
心肌肥大[98]。其他人工合成的抗氧化剂还包括抗氧
化酶的类似物，如基于二价锰离子的超氧自由基歧
化酶类似物metalloporphyrins等[99]。
4　结语和展望
活性氧信号系统和钙信号系统的相互作用，可
以维持细胞内钙离子和活性氧的稳态并进行功能整
合。钙离子通过调节线粒体和细胞质内活性氧的产
生和消除机制来调节活性氧的稳态。相应的，在不
同的生理和病理情况下，活性氧通过氧化还原作用
调节钙信号系统的组分和改变局部与全细胞钙信号
特性来影响细胞内钙稳态。功能上，钙信号和活性
氧信号系统的相互调节既有激活也有抑制作用，依
赖于目标蛋白质的类型，活性氧的种类、剂量和作
用时间以及细胞的状态等。如此广泛和复杂的相互
作用可以增强信号的协调和整合，而这两个信号系
统任何一个系统的异常活动可以影响另一个系统，
并同时破坏这两个系统的稳定性。
在心力衰竭的进程中，通过线粒体呼吸链和
NAD(P)H氧化酶大量产生的ROS起着重要的作用。
过量的ROS通过多条途径损伤心脏，包括对线粒体
的损伤，调控细胞信号转导，对钙信号的调节，对
基因表达的影响，对脂质的过氧化和对蛋白的损
伤。因此，抗氧化剂治疗心力衰竭成为具有应用前
景的新策略，可以缓解甚至阻止心力衰竭的进程和
功能紊乱。同时，在临床上对患者 ROS的监测也
可以为心力衰竭进展的诊断提供信息。然而，ROS
在心力衰竭时的作用机制尚不清楚。尤其是ROS对
线粒体损伤和钙稳态调控的机制还需进一步深入研
究，这些问题的解决将有助于抗氧化剂的设计。可
以预见，基于ROS产生位点和作用途径的抗氧化剂
对于包括心力衰竭在内的临床疾病的治疗具有广阔
的前景。
[参　考　文　献]
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