血管平滑肌细胞的代谢调节

 
      血管平滑肌收缩与舒张活动所需能量从脂肪酸和葡萄糖代谢获得，除了提供能量，糖、脂和氨基酸及其代谢产物还对血管功能有着复杂的调节作用，代谢的改变是导致血管功能异常和多种心血管疾病发生的重要因素。
一、 血管平滑肌细胞的能量代谢
       平滑肌处于低代谢、低浓度代谢产物状态，收缩产生相同张力所耗能量仅为横纹肌的 1/300~ 1/500。VSMC收缩的能量来自于ATP， 胞内ATP的浓度为0.5~ 1μmolg组织，约为心肌和骨骼肌的1/5。VSMC内还存在磷酸肌酸，可以通过ADP磷酸化可逆性生成ATP和肌酸，起着高能磷酸键储备的作用，胞内磷酸肌酸含量与ATP相近，为骨骼肌的1/15~ 1/10。VSMC能够利用胞内和胞外的葡萄糖、脂肪酸、酮体及氨基酸经糖酵解和氧化代谢生成ATP,能耗主要用于肌动蛋白-肌球蛋白的横桥活动。虽然线粒体氧化磷酸化产生ATP的效率远远超过糖酵解，VSMC在正常氧条件下约30%的ATP从糖酵解获得，缺氧时葡萄糖摄取增强，糖酵解活动增强，高达65%的ATP通过糖酵解获得。正常氧条件时无葡萄糖仅使肾上腺素引起的兔主动脉收缩减弱不到20%，提示能量可以通过脂肪有氧氧化提供，而缺氧条件时无葡萄糖使肾上腺素引起的主动脉收缩减弱约90%，提示此时能量主要通过糖酵解提供。研究表明VSMC内存在两个分离的糖酵解区，位于胞膜邻近区是用于提供Na⁺/K⁺泵所需ATP，非胞膜邻近区则与肌纤维能量供给相关。离体血管实验发现无糖溶液对高钾弓|起的血管收缩减弱较对肾上腺素、血管紧张素、组胺等活性物质为小，无糖溶液对组胺引起的血管收缩减弱比其他活性物质大。这可能由于不同血管收缩剂对不同的代谢通路影响不同，另外也与收缩剂作用机制不同有关，如高钾引起的血管收缩能耗主要由于肌球蛋白ATP酶，而去甲肾上腺素还包括受体到MLCK上游的信号转导能耗。
二、代谢对血管平滑肌反应的影响
（一）磷酸戊糖代谢
      磷酸戊糖代谢利用6-磷酸葡萄糖生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸( NADPH )、5-磷 酸核糖、4-磷酸赤藓糖( erythrose -4- phosphate )等产物。其中NADPH不仅是脂肪酸、胆固醇、非必需氨基酸合成的供氢体，它还通过谷胱甘肽还原酶使谷胱甘肽处于还原状态，对维持细胞内氧化还原稳态起着关键作用。体内约60%的NADPH由葡萄糖的磷酸戊糖途径获得，6-磷酸葡萄糖脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD )是磷酸戊糖代谢的限速酶。在G6PD基因敲除的小鼠，高钾和PKC激动剂引起的主动脉收缩较野生鼠为弱。研究还发现缺氧引起的牛肺动脉收缩、G6PD 活性增加及NADPH含量升高，这些反应可通过小分子干扰RNA下调G6PD蛋白而抑制，表明G6PD在介导缺氧性肺动脉收缩中起着关键作用。在牛冠状动脉缺氧引起的血管舒张，伴随着NADPH生成减少，提示G6PD活性降低介导缺氧性血管舒张。G6PD活性的改变可通过NADPH改变胞内局部氧化还原状态而影响Ca²⁺内流、肌质网Ca²⁺摄取、ROK活性，进而影响血管反应。
（二）脂代谢
      血管平滑肌在静息条件下存在显著的糖酵解活动，收缩时所需能量则主要通过脂肪酸获取。在猪颈动脉研究中发现，高钾引起的收缩早期主要利用葡萄糖代谢产物丙酮酸获得能量，在收缩持续期主要利用脂肪酸有氧氧化获得能量，而葡萄糖摄取和糖酵解活动降低。兔主动脉在内源性生成能量物质耗竭后，外源性饱和脂肪酸和酮体可不同程度恢复对肾上腺素的收缩反应，提示外源性脂肪酸经过三羧酸循环氧化磷酸化提供能量，外源性三羧酸循环的中间产物则不能使能量耗竭的血管恢复对肾上腺素的收缩反应，可能由于这些物质不能进人线粒体(21。在分离的肺动脉平滑肌细胞研究中，发现Ca2+激活的大电导钾离子通道活性可被大于8碳的带负电荷的脂肪酸增强，被大于或等于8碳的带正电荷的脂肪酸抑制，而中性和短链脂肪酸无效，这些结果提示脂肪酸可直接作用于离子通道从而影响膜电位和血管功能。脂类物质还可通过作用于信号分子参与血管功能调节，如富含omiga-3脂肪酸的鱼肝油饮食可增强血管内皮一氧化氮(nitricoxide,NO)的释放和血管平滑肌的舒张，omiga-3脂肪 酸的主要成分二十碳五烯酸( eicosapentaenoic acid, EPA )和二十二碳六烯酸( docosahexaenoic acid, DHA )具有类似的作用
（三）氨基酸代谢
      血管能量虽然主要从脂代谢获得，研究发 现离体兔主动脉在1 ~ 5小时孵育期间对18种氨基酸(除天冬酰胺外)均能以稳定速率氧化，可提供动脉能量需要的约10%。一些氨基酸( 如L-精氨酸、甘氨酸、含硫氨基酸)和它们的代谢产物在生理浓度范围内作为信号分子或调节者参与心血管功能的调节。正常人血浆L-精氨酸浓度约为100umol/L，细胞内L-精氨酸的浓度比胞外可高10倍，L-精氨酸在eNOS作用下生成L-瓜氨酸和NO,NO在心血管功能的调节包括血管舒张和增殖及血小板聚集中起着关键作用。血流、氧分压、多种血管活性物质都可通过eNOS影响心血管功能。由甘氨酸与三羧酸循环代谢产物一琥珀酰辅酶 A生成的血红素是使多种蛋白和酶如血红蛋白、过氧化物酶、细胞色素C氧化酶、可溶性鸟苷酸环化酶( soluble guanylyl cyclase, sGC )具有生物功能的必要成分。一氧化碳是血红素的降解产物，参与细胞内多种信号转导过程，包括通过激活sGC、升高cGMP引起血管舒张。半胱氨酸是一种含硫氨基酸，它通过形成二硫键参与蛋白质三级结构的构建与稳定。近年来研究表明蛋白质分子内或分子间某些特定半胱氨酸残基的巯基/二硫键转换的氧化还原修饰是细胞内一种重要的信号传导机制，参与了心血管功能调节。最近研究提示细胞内氧化还原状态的改变可通过影响sGC和PKG的半胱氨酸二硫键的形成，调节冠状动脉对NO的舒张反应。
三、代谢障碍对血管平滑肌反应的影响
（一）糖代谢异常
      血管内皮细胞来源的NO在维持正常血压中起着关键作用，NO通过激活VSMC胞质sGC、增加cGMP合成、激活PKG促进血管舒张。高糖能直接与NO反应降低NO的生物活性，也可刺激NADPH氧化酶合成超氧阴离子与NO反应使其失活。在2型糖尿病Goto-Kakizaki大鼠中血压明显升高，伴随着sGC活性降低和sGC激动剂引起的血管舒张反应减弱。在糖尿病小鼠体动脉中，PKG蛋白水平也较对照组低。这些研究提示NO-cGMPPKG信号通路下调可能是糖尿病患者并发高d血压的机制之一。
（二）脂代谢异常
      1.胆固醇  高胆固醇可能通过对NO-cGMP-PKG信号的干扰促使血管收缩。在麻醉大鼠肾动脉灌注胆固醇可抑制eNOS，促进血管收缩，这一作用可被超氧阴离子清除剂阻止，提示胆固醇通过升高活性氧降低NO的生物利用度。还有证据表明高胆固醇血症增加内皮细胞膜小凹蛋白的表达，促使其与eNOS形成复合体，导致eNOS活性受到抑制。高胆固醇喂养的大鼠主动脉sGC活性减低，血管对sGC激动剂的舒张反应减弱。在胰岛素抵抗的肥胖Zucker大鼠获得的VSMC中，NO对sGC的刺激作用与cGMP对PKG的刺激作用都减弱，超氧阴离子生成增加，这些变化可被抗氧化剂纠正。
      2.三酰甘油  布拉格遗传性高三酰甘油大鼠血压较正常对照组明显升高，内皮依赖性血 管舒张反应减弱，给予辛伐他汀( simvastatin )后eNOS蛋白表达上调，上述病变也获得改善。胰岛素受体底物1 ( insulin rceptor substatet 1, IRS1 )在胰岛素和胰岛素样生长因子1 ( insulin like growth factor1, IGF1 )受体的信号转导中起关键作用，小鼠缺乏IRS1表现为高三酰甘油血症、内皮依赖性血管舒张受损和高血压。高三酰甘油血症也被发现与怀孕妇女NO合成减少和妊娠期高血压相关。
      3.低密度脂蛋白  体外实验表明低密度脂 蛋白( low density lipoprotein, LDL )被氧化后可通过直接失活NO导致内皮依赖性i血管舒张受损。脂蛋白a可视为一种特殊的LDL，它包含 一个富含胆固醇的LDL颗粒、一分子载脂蛋 白B₁₀₀和一分子载脂蛋白a。同LDL一样，脂蛋白a促进动脉粥样硬化形成，在兔肾动脉氧化脂蛋白a比氧化LDL有更强的刺激超氧阴离子生成和抑制内皮依赖性血管舒张作用。
（三）氨基酸代谢异常
      一些氨基酸及其代谢产物升高是导致多种心血管疾病的重要因素。代谢组学研究发现肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病可选择性地引起某些氨基酸如支链氨基酸、含硫氨基酸、酪氨基酸和苯丙氨酸的代谢紊乱，以下对几种影响心血管功能的氨基酸代谢障碍予以简介。 
      1.非对称性二甲基精氨酸和NG-单甲基精氨酸    非对称性二甲基精氨酸( asymmetric dimethylarginine, ADMA )和NG-单甲基精氨酸 ( NG-monomethylarginine , NMMA ) 是内源性eNOS抑制剂，是含有甲基化精氨酸的蛋白水解的产物，蛋白所含精氨酸的甲基化通过蛋白精氨酸甲 基转移酶( protein-arginine N-methyltransferase，PRMT)产生。游离的甲基精氨酸可经二甲基精氨酸二甲基氨基水解( dimethylarginine dimethylaminohydrolase,DDAH )转化为瓜氨酸。DDAH有两种亚型，其中DDAH1在神经型一氧化氮合酶( nNOS )丰度高的组织含量高，而DDAH2在血管内皮含量高。ADMA的血浆水平在血管内皮功能障碍相关疾病如高血压、高血脂、糖尿病等中升高，高ADMA与冠心病患者死亡率高度正相关。而DDAH表达和活性的降低被认为与二甲基精氨酸升高及ADMA介导的eNOS功能障碍相关。
      2.同型半胱氨酸   同型半胱氨酸( homoeys- teine, Hcy )为甲硫氨酸代谢初始产物S-腺苷甲硫氨酸在甲基转移酶和S-腺苷同型半胱氨酸水解酶作用下产生。高同型半胱氨酸血症与高血压性心脏病、冠状动脉闭锁、心肌梗死、静脉血栓以及动脉纤维化密切相关。研究提示高同型半胱氨酸血症通过损伤内皮依赖的血管舒张和升高血压导致血管功能障碍。
      3.半胱氨酸    半胱氨酸( cysteine, cys) 是细胞内重要抗氧化物谷胱甘肽和气体信号分子硫 化氢( H2S )生成的底物，半胱氨酸在胱硫醚y- 裂解酶( cystathionine Y -lyase, CSE )和胱硫醚 β-合成酶( cystathionine B-synthase, CBS )作 用下合成H₂S。H₂S 在低浓度( <100uM)引起血管收缩，主要通过抑制腺昔酸环化酶和eNOS以及清除NO；在浓度>100uM时则引起血管舒张，主要通过激活KATP通道和CIHCO₃通道。内源性H₂S浓度在多种病理条件下如心肌缺血、原发性高血压、缺氧性肺动脉高压时表现异常。最近研究发现半胱氨酸代谢的另一个产物二氧化硫( SO₂ )可以通过激活KATP通道和抑制L-型Ca²⁺通道舒张血管，在自发性高血压和缺氧性肺动脉高压大鼠中SO₂可降低血压，并抑制血管重塑。半胱氨酸在氧化酶和脱羧酶作用下可生成牛磺酸，在多种高血压动物模型中口服牛磺酸表现出降压效应，这种效应部分由于其对血管的直接作用，包括通过活性氧清除剂作用增强NO的生物利用度和激活钾离子通道。