钙离子在饮酒致心脑功能损伤中的作用
作者：时静华，陈晓东，潘桂兰
【关键词】 钙离子在饮酒致心脑功能损伤中的作用
饮酒在我国有着悠久的，至今我国仍是酒饮料的生产消费大国，而由饮酒引发的健康问题更是不容忽视。虽然有研究认为，适量饮酒对人体有益［1，2］，但滥用或过量饮酒可引起机体产生多种损害，的确是一个社会问题。急性饮酒过量或长期嗜酒严重影响一些重要脏器的功能。以往饮酒所致损伤的研究大多集中在肝脏。近年来饮酒导致心脑血管系统的损伤越来越受到关注，对此已有较多报道。饮酒过量对心脑血管损伤的机制尚未完全阐明，但有研究显示钙离子（Ca2+）在其中起了重要作用。本文仅就心脑组织中Ca2+浓度的变化对饮酒致心脑功能损伤的影响作用做一简要综述。
1 乙醇的代谢
饮用酒的主要成分是乙醇，俗称酒精。乙醇水溶性极强，极易为消化道吸收。吸收后的乙醇90％通过生物氧化被分解，经尿液排出，少量以原形由呼吸道及尿液排出。肝脏是乙醇代谢的主要器官。在肝细胞的不同亚结构中，存在着氧化乙醇的不同酶系，其重要的氧化途径有三条，分别是：（1）醇脱氢酶（dehydrogenase，ADH）途径，它定位于胞质内，将乙醇氧化成乙醛；（2）微粒体乙醇氧化酶系（microsomal ethanol oxidizing system，MEOS）途径，定位于内质网内，将乙醇氧化成乙醛；（3）过氧化氢酶（catalase，CAT）途径，定位于过氧化物酶体内，将乙醇氧化成乙醛［3］。乙醛经醛脱氢酶氧化为乙酸，后者再进入三羧酸循环，氧化成二氧化碳和水。
在乙醇氧化的过程中，产生大量的自由基，目前已知的途径主要有：（1）摄入体内的乙醇经乙醇脱氢酶作用生成乙醛，过多的乙醛则会由肝内的黄嘌呤氧化酶作用生成大量的O- ・2（超氧阴离子自由基），后者经谷胱甘肽过氧化物酶（GSHPx）催化后转化为过氧化物；（2）乙醇可通过细胞色素P450催化增加O- ・2和H2O2（过氧化氢）的生成，可使线粒体受损，特别是呼吸链的部分抑制，导致氧化还原载体如辅酶Q的自氧化，增强O- ・2、OH・（羟自由基）、H2O2等氧自由基的产生；（3）乙醇中毒后肝内非血红素铁含量增高，铁离子的催化作用可生成大量的O- ・2等氧自由基［4］。
由上可知，乙醇在机体内主要氧化成乙醛，同时产生大量的自由基。
2 乙醇及其代谢产物对心脑组织中钙离子浓度的影响
乙醇、乙醛均为亲脂性物质。有研究显示，乙醇为小分子脂溶性物质，其适宜的脂水分配系数使其能够透过细胞膜而进入细胞内影响膜蛋白和膜脂导致膜结构紊乱［5］，它可与各类生物大分子的功能基团发生共价结合，形成并联加合物。而乙醛的理化性质与乙醇不同，其脂水分配系数高，虽能进入细胞膜，但不利于通过膜脂亲水区，因此，乙醛可能主要通过影响细胞膜的合成或降解过程引起膜成分，特别是蛋白质的改变来影响细胞膜的功能［6］，其与蛋白质的共价结合多发生在关键的赖氨酸残基部位，从而解聚蛋白质，损害其结构，干扰其功能。
另外，乙醇及乙醛代谢过程中产生的大量自由基，攻击细胞膜中的不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化反应，造成细胞成分间的交联，使细胞膜的结构遭到破坏，细胞丧失正常功能。
乙醇、乙醛脂溶性高，易通过血―脑屏障而作用于中枢神经系统。谷氨酸是中枢神经系统内主要的兴奋性神经递质，对神经系统正常功能的维持起着重要作用。γ-氨基丁酸（GABA）是中枢神经系统内的主要抑制性递质，它抑制谷氨酸对中枢神经系统的兴奋作用。有研究表明，GABA是乙醇作用于中枢神经系统的重要位点，它使GABA对谷氨酸的抑制作用减弱，谷氨酸等兴奋性神经递质含量增加而作用于NMDA（N-甲基-D门冬氨酸）受体，引起受体门控的Ca2+通道开放，Ca2+内流增加［7］；GABA也可作用于代谢性受体，通过G蛋白使三磷酸肌醇（IP3）释放增加，导致Ca2+从细胞内钙库释放［8］，致胞浆Ca2+浓度增加。有学者［9］用谷氨酸处理培养的神经元细胞后，检测到神经元内的Ca2+浓度迅速增加，且这种反应可被一种Ca2+拮抗剂MK801所抑制。还有学者认为乙醇的急性效应是降低胞浆Ca2+浓度，而慢性效应是升高胞浆Ca2+浓度［10］。
乙醇、乙醛及自由基作用的结果，是使心、脑细胞结构和功能受到影响，使得膜通透性增加，膜转运蛋白功能紊乱，细胞外Ca2+进入细胞内，细胞内Ca2+浓度升高，造成钙超载 ［11~13］。
3 钙离子在饮酒致心脑功能损伤中的作用
细胞内外环境的一个重要区别是细胞膜内外两侧的离子浓度有较大差异，这种差异对细胞是必不可少的，尤其是Ca2+，由于其独特的化学性质极其广泛的生物学功能，它对细胞功能的调控作用远远超过了其他一些离子。Ca2+超载将导致细胞严重的细胞损伤和功能障碍 ［14~16］。
3.1 钙超载对心脑细胞线粒体的影响 线粒体是细胞生成能量的场所，也是细胞内最大的钙库，能有效地缓冲细胞内Ca2+浓度的变化。当各种原因引起胞浆内Ca2+浓度异常增加时，将刺激线粒体钙泵向线粒体内摄钙，使胞浆内Ca2+向线粒体内转移。线粒体摄入过多的钙，除增加ATP消耗外，Ca2+还与线粒体内含磷酸根的化合物结合，形成不溶性磷酸钙，干扰线粒体氧化磷酸化，使ATP生成减少；另外，线粒体内Ca2+浓度的逐步增加，使其跨膜电位逐渐减小，产生ATP的功能逐渐丧失，从而干扰心脑细胞的能量代谢。线粒体内的Ca2+浓度升高最终使线粒体的渗透转运孔道(permeability transition pore，PTP) 呈高通透性持久开放状态。PTP是一种位于线粒体内外膜结合处，受Ca2+、线粒体膜电位、pH等调控的蛋白性孔道。PTP的高通透性持久开放，则引起线粒体内膜通透性急剧增加，使得一些在正常情况下不能通过内膜的物质(分子量>1500D)可以自由透过内膜，从而继发线粒体膜除极、氧自由基(ROS)过量生成、基质渗透性肿胀及凋亡效应蛋白释放等一系列细胞学效应，致使线粒体肿胀破坏，膜电位完全、永久消失，对线粒体结构和功能造成不可逆性损伤［17］。徐瑞俊等［18］观察了乙醇作用下大鼠心肌细胞的线粒体，发现心肌细胞线粒体的嵴部分变短、减少或空化。有研究认为线粒体功能的破坏是细胞损伤的关键性机制之一［19～21］。
3.2 钙超载引起自由基增加对心脑细胞的损伤 胞浆内Ca2+浓度异常增加，激活蛋白激酶，使黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，后者进一步催化黄嘌呤转变为次黄嘌呤和尿酸，同时产生氧自由基；Ca2+激活磷脂酶A2，使花生四烯酸增加，经环氧酶代谢分解，产生氧自由基；另外，胞浆内Ca2+浓度异常增加，刺激线粒体摄钙增多，三羧酸循环发生障碍，呼吸链中细胞色素得不到足够，O2发生自还原生成氧自由基。
自由基性质活泼，有极强的氧化能力，通过氧化反应来攻击细胞膜、线粒体体膜，与膜中不饱和脂肪酸反应，造成脂质过氧化，脂质过氧化产物又可以分解为更多的自由基，引起自由基连锁反应。自由基可与各种细胞成分反应，造成细胞结构损伤和功能代谢障碍：（1）膜脂质过氧化增强：通过破坏细胞膜的正常结构，间接抑制膜蛋白功能，促进自由基及其他生物活性物质生成；破坏线粒体膜的正常结构，减少ATP生成；（2）蛋白质功能抑制：氧化某些氨基酸残基或酶的巯基，使胞浆及膜蛋白和某些酶交联，直接损伤其功能；（3）破坏核酸及染色体：自由基可使碱基羟化或DNA断裂，从而引起染色体畸变或细胞死亡 ［22］。
3.3 钙超载激活钙离子依赖降解酶造成的心脑细胞损伤 胞浆内Ca2+浓度升高，激活多种Ca2+依赖的降解酶：（1）Ca2+可激活磷脂酶A2和磷脂酶C，不仅使磷脂分解，影响了正常的生物膜磷脂分子层结构及其流动性而损伤细胞和细胞器膜，使细胞内环境破坏，而且同时产生的游离脂肪酸、溶血磷脂亦有细胞毒性。神经细胞内磷脂酶A2激活后所产生的花生四烯酸可开启K+通道，导致膜去极化，致使神经元谷氨酸释放增多，重摄取减少［23］。谷氨酸通过NMDA受体使损伤加重。花生四烯酸还可促进自由基生成［24］。激活的磷脂酶C可分解磷脂酰二磷酸肌醇，生成IP3，使细胞内钙库向胞质释放Ca2+ ［8］，加重Ca2+超负荷。（2）Ca2+依赖性蛋白酶的激活，使细胞骨架系统破坏或重组，形成了细胞表面泡，表面泡通过扩张、破裂，向着损伤不可逆方向转化。心肌细胞内Ca2+依赖性蛋白 酶calpainⅠ的激活，使收缩蛋白产生部分降解，致横桥循环改变，肌丝反应性降低，从而引起兴奋-收缩耦联异常，使心肌收缩功能抑制［25］。（3）胞浆中增多的Ca2+可由核孔扩散到细胞核，使核内Ca2+信号增强，激活Ca2+依赖性的核酸内切酶，造成了DNA的裂解，诱发细胞凋亡。
钙离子是机体的必需元素，参与细胞的多种生理活动，对维持各种代谢过程极为重要。细胞内钙离子浓度的异常变化将影响到生物体的生理功能。过量饮酒引起细胞内钙离子浓度异常增加，钙超载通过多种途径介导了细胞损伤和功能障碍，在心脑功能损伤中发挥了重要作用。
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