麻醉药对线粒体功能的影响
发表时间：2009-09-10 浏览次数：787次
麻醉药对线粒体功能的影响刘凤芝,张文胜* (四川大学华西医院麻醉与危重急救研究室,四川成都610041) ［中图分类号］R614.1［文献标志码］D［文章编号］1002-0179(2009)07-1890-04 线粒体作为一种重要的半自主性细胞器,是细胞生命活动的“动力工厂”;是进行能量转换、调节细胞的氧化还原势能和信号转导的主要场所;是生成活性氧簇、调控细胞凋亡和某些基因表达的重要部位［1,2］。近年来还发现,线粒体是麻醉药物的一个作用位点［3］(图1)。尽管麻醉药的分子结构各不相同,但它们都会造成线粒体水平多个功能的改变。如异丙酚输注综合征(propofol infusion syndrome,PRIS)的发生,被认为是由于异丙酚直接干扰线粒体的呼吸链或妨碍脂肪酸氧化功能所致［4］。本文就全麻药对线粒体的氧化磷酸化、膜ATP敏感性钾通道、膜通透性转换及细胞色素C(cytochrome c,Cytc)释放的影响作一综述。 1麻醉药对线粒体氧化磷酸化的影响
氧化磷酸化是细胞有氧呼吸产生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的主要途径,也是维持生命活动所需能量的主要来源。三羧酸循环中提供的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)或者还原型黄素腺嘌呤二核苷酸(reduced flavin adenine dinucleotide,FADH2)进入呼吸链,通过递氢体和递电子体的传递,最终氢与O2结合生成水。同时,在高能电子传递的过程中,逐渐释放能量储存为质电化学梯度(包括最主要的膜电位Δψ和质子梯度ΔpH),驱动磷酸化偶联反应的发生,利用腺苷二磷酸(adenosine diphosphate,ADP)和Pi,通过H+ATPase(复合体Ⅴ)合成ATP。
线粒体呼吸链包括4个电子传递复合体(Ⅰ～Ⅳ)、辅酶Q(coenzyme Q,CoQ)和Cytc。其中,复合体Ⅰ即NADHCoQ还原酶,含有以黄素单核苷酸(flavin mononucleotide,FMN)为辅基的黄素蛋白和以 FeS为辅基的铁硫蛋白,可将电子从NADH传递到CoQ。复合体Ⅱ即琥珀酸CoQ还原酶,含有以黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide,FAD)为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白和Cytb560,可将电子从琥珀酸传递给CoQ。复合体Ⅲ即CoQCytc还原酶,含有2种Cytb(cytb562,cytb566)、Cytc1和铁硫蛋白,可将电子从CoQ传递给Cytc。复合体Ⅳ即细胞色素氧化酶,含有Cytaa3(含有2个铁卟啉辅基和2个铜原子),电子从Cytc传递给O2。以NADH作底物,可生成3分子ATP;以FADH2作底物,可生成2分子ATP。
绝大多数全麻药都会影响电子传递和ATP生成的过程(图1 A)。
1.1静脉麻醉药:异丙酚作为烷基酚类化合物,被认为是一种温和的质子载体(protonophore),并不同于二硝基苯酚类的解偶联剂。因为异丙酚在非磷酸化时可引起质子漏,在磷酸化的情况下无此表现［5］。异丙酚也会损伤呼吸链复合体Ⅰ和复合体Ⅲ的活性。而且有研究提示,PRIS的机制也与异丙酚降低了线粒体复合体Ⅱ和复合体Ⅳ的活性有关［4］。长时间、大剂量输注异丙酚,抑制了心肌线粒体电子传递链的电子流动,阻碍能量生成,从而引起代谢性酸中毒、心律失常等并产生临床症状［6］。但Schenkman等［7］用含有异丙酚的KH液灌注豚鼠心脏,并没有发现肌红蛋白氧饱和度增加,未能证明异丙酚的解偶联作用。所以异丙酚对线粒体能量代谢的影响,尚需作进一步的研究。0.175～0.5 g/L的依托咪酯主要抑制复合体Ⅰ的电子传递,并轻度抑制复合体Ⅲ。但依托咪酯在呼吸3态时,没有明显改变质子的通透性和磷氧比,所以也非经典的解偶联剂［8］。此外,咪达唑仑等静脉麻醉药也会抑制复合体Ⅰ的活性和降低呼吸控制率(respiratory control ratio,RCR)影响能量生成［9］。
1.2吸入麻醉药:吸入麻醉药可影响呼吸链的组分,其中对复合体Ⅰ最为敏感。Falk等［10］第一次提出复合体Ⅰ的功能可直接决定对吸入麻醉药的敏感性。尽管如此,高浓度的吸入麻醉药也并不能完全抑制酶的活性。比如选择10 mmol/L的异氟醚和七氟醚麻醉时,复合体Ⅰ的活性也仅降到对照组的56%和75%,这提示吸入麻醉药对复合体Ⅰ的疏水抑制区是弱结合性。此外,吸入麻醉药还会降低RCR、抑制Cytc的氧化活性等［11］。
2麻醉药对线粒体膜ATP敏感性钾通道的影响
线粒体膜ATP敏感性钾通道(mitochondrial adenosine triphosphatesensitive potassium,mitoKATP通道)的开放在许多动物实验中得到证实。有观点认为,在心肌的预处理中,mitoKATP通道的开放可以减轻钙超载,阻止线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)的开放,保证ATP生成的条件;减轻缺血引起的线粒体内膜肿胀,保护腺苷酸转移酶和肌酸激酶之间的偶联作用;减轻氧化应激的损伤,保护线粒体的自身平衡状态,提高对缺血损伤的耐受性［12,13］。但另有观点认为,mitoKATP通道的开放对线粒体呼吸、膜电位和钙转运等的影响都不大,仅对基质和内膜容积的改变有重要意义［14］。尽管对mitoKATP通道的开放如何发挥心脏保护的作用仍有争议,但体外实验已表明,mitoKATP通道在麻醉药预处理(anestheticinduced preconditioning,APC)的心肌保护中发挥了终末效应器的作用［12］(图1 B)。 图1. 麻醉药在线粒体的作用位点 (A:影响氧化磷酸化;B:影响膜ATP敏感性钾通道;C:影响膜通透性转换;D:影响Cytc释放)IMM:线粒体内膜;MATRIX:线粒体基质;Pyruvate:丙酮酸;Acetyl CoA:乙酰辅酶A;βOxidation:β氧化;Krebs cycle:三羧酸循环;NADH:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸;NAD+:氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸;FADH2:还原型黄素腺嘌呤二核苷酸;FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸;Ⅰ:NADHCoQ还原酶;CoQ:辅酶Q;Ⅱ:琥珀酸CoQ还原酶;Ⅲ:CoQ细胞色素C还原酶;Cyt C:细胞色素C;Ⅳ:细胞色素氧化酶;Ⅴ:H+ATP酶;Δψ:跨膜电位;MPTP:线粒体膜通透性转换孔;KATP:ATP敏感性钾通道2.1静脉麻醉药:Kawano等［15］用膜片钳技术证实,低于2μmol/L的异丙酚对二氮嗪引起的mitoKATP通道的开放无影响,高于31μmol/L时有明显的阻滞作用。这表明临床常用浓度的异丙酚对mitoKATP通道无作用,即没有APC的直接性效应,可能与在低浓度时,异丙酚主要起到了抗氧化作用有关［16］。一些静脉麻醉药,如依托咪酯、咪达唑仑和S氯胺酮并不影响二氮嗪引发的mitoKATP通道活性;硫喷妥钠、戊巴比妥和R氯胺酮则对其有抑制作用。另外,异丙酚和戊巴比妥抑制异氟醚引起的黄素蛋白氧化(间接反映mitoKATP通道的激活),由此提示了在临床应用此类静脉麻醉药时,可能会削弱吸入麻醉药预处理的器官保护作用［12］。
2.2吸入麻醉药:吸入麻醉药具有较高的脂溶性易透过线粒体外膜,进而影响mitoKATP通道和其他组分。已有研究报道,尽管经腺苷酸、蛋白激酶(C,protein kinase C,PKC)、酪氨酸激酶、p38及促分裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinases,MAPK)等途径都可激活mitoKATP通道,但异氟醚可能是直接激活此通道和(或)由ROS介导［17］。在七氟醚预处理的心肌保护机制中,PKC、mitoKATP和活性氧(reactive oxygen species,ROS)三种途径可能具有同等重要性［18］。最近新发现,在地氟醚预处理对心肌的保护作用中,蛋白激酶(A,protein kinase A,PKA)起着激活线粒体钙激活性钾通道(calciumactivated K+,KCa通道)的作用。当PKA被H89阻断时,地氟醚的预处理效应便消失了,提示了KCa通道对线粒体稳态的调控可能是APC的另一个重要机制［19］。
3麻醉药对线粒体膜通透性转换的影响
线粒体是细胞内钙的效应器,调节胞浆内钙离子的浓度。胞浆内Ca2+升高后,膜电位产生的电化学力驱动Ca2+被摄入线粒体内,当进入的Ca2+数量超过线粒体所能承受的能力时,会引起MPTP的开放,释放蓄积的Ca2+。MPTP的开放,使线粒体膜通透性转换(mitochondrial permeability transition,MPT)发生改变,导致基质的肿胀、膜电位的瓦解、氧化磷酸化的解偶联、钙外流、小分子蛋白如Cytc的释放及一些代谢过程的紊乱等。所以,MPT是细胞存亡的“开关”,不仅决定细胞的生死,还决定以凋亡还是坏死的方式进行［20］。
麻醉药能通过干预MPT,减轻钙超载,从而对缺血再灌注损伤起到一定的保护作用(图1 C)。
3.1静脉麻醉药:异丙酚可抑制由Ca2+超载引起的线粒体膜通透性的增加,这种抑制作用有以下几个方面的原因:①直接抑制MPTP的开放;②通过解偶联作用致Ca2+的吸收速率下降;③与组成MPTP成分间的相互作用;④作为自由基清除剂,直接抑制氧化应激引起的通道开放［2123］。而Javadov等［24］的研究发现,2mg/L的异丙酚并不能抑制鼠心脏缺血再灌注期MPTP的开放。他们认为,高浓度异丙酚对线粒体MPTP的影响,主要是对膜流动性的非特异性作用。在脓毒症大鼠肝损伤时,氯胺酮能减轻细胞和线粒体的钙超载,避免MPTP广泛而持久的开放,从而改善细胞能量代谢功能,有效保护了肝脏的结构和功能［25］。
3.2吸入麻醉药:Piriou等［26］给予新西兰大白兔吸入30min的地氟醚(呼末浓度8.9%)后,发现它提高了对钙超载引起MPTP开放的耐受性。但此作用会被5HD阻断,提示可能是MPTP和mitoKATP之间存在一定的关联。后来,Feng等［27］通过在分离鼠心线粒体的实验中发现,异氟醚的APC是通过抑制糖原合酶激酶来抑制MPTP的开放,第一次为APC是通过抑制MPTP开放而发挥效应提供了证据。
4麻醉药对Cytc释放的影响
Cytc是位于线粒体内膜外表面的水溶性蛋白,参与细胞的有氧呼吸活动。它的释放会干扰呼吸链的电子传递,继而抑制氧化磷酸化,最终可导致能量耗竭、细胞死亡。另外,Cytc也是介导细胞凋亡的重要信号分子。在凋亡刺激物的作用下,抗凋亡蛋白bclXL的表达减少,线粒体膜结构损害,Cytc释放到到胞质中,与凋亡蛋白活化因子(Apal1)合成复合体,使天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase)活化,触发caspase级联反应,最终通过caspase3作用于胞质中的细胞骨架蛋白或细胞核中的脱氧核糖核酸酶(deoxyribonucleic acid,DNA)酶,使DNA断裂,引起细胞凋亡［28］。并且Cytc还能激活K+通道,使胞浆内的K+外流,导致细胞体积缩小,诱导细胞凋亡［29］。
许多麻醉药在与线粒体作用时,都会导致Cytc的释放(图1 D)。
4.1静脉麻醉药:50μmol/L的异丙酚可导致HL60细胞的Cytc释放,促使凋亡蛋白Bid的裂解产物表达,表明了异丙酚能激活线粒体相关的凋亡路径［30］。虽然随异丙酚浓度的增加,Cytc的丢失也增加;但在低浓度时,它并不干扰与线粒体有关的细胞凋亡路径［31］。此外,以咪达唑仑、笑气和异氟醚进行复合麻醉时,也能使幼鼠脑线粒体的Cytc释放,但单独应用咪达唑仑时并未发现Cytc的含量有明显改变［32］。
4.2吸入麻醉药:Qlan等［33］在分离的鼠心肌线粒体模型中,首次发现0.55%~2.0%的异氟醚预处理可以阻止缺血时Cytc的释放,此效应呈现了剂量依赖性。这可能是通过激活mitoKATP通道、减轻钙超载和使Bcl2家族蛋白表达、再分布所致。近年来还发现,1.5～3mmol/L的氟烷会引起A549肺泡细胞中Bcl2的过度表达,线粒体膜通透性增加及其在核周聚集的现象,表明了氟烷对肺泡细胞的损伤与线粒体凋亡路径中蛋白表达的改变有关［34］。
5结语
近年来,患有线粒体疾病且需要实施全身麻醉的人数逐渐增多。麻醉药可以改变线粒体多方面的功能,这提示对存在线粒体缺陷的患者麻醉风险会增加。但是也有研究发现,对麻醉药的应用,线粒体功能低下的儿科患者和健康儿童没有明显的不同［35］。事实上,麻醉药和线粒体功能之间的关系已越来越多地引起了麻醉医师的关注。随着进一步研究不同结构的麻醉药对线粒体的作用,将有助于我们更好地从分子水平上理解麻醉机制,对指导临床实践有重要意义。
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