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正常情况下，心肌内的O 2 通过两个途径还原成H 2 O。一是通过四价还原，线粒体电子转运把95%O 2 还原H 2 O，该过程无任何自由基产物生成 ［3］ 。然而，另外5%的O 2 通过一价还原途径，而生成自由基。O 2接受一个电子就形成超氧阴离子（O 2- ）。超氧阴离子又可以质子化为·HO 2 ，能对脂肪酸和细胞膜造成氧化损伤;·HO 2 在细胞内可以被超氧化物歧化酶歧化为H 2 O 2 ，而H 2 O 2 只有在高浓度的情况下才会对细胞造成毒性损伤。在正常情况下，细胞可以通过过氧化氢酶和谷胱甘肽还原系统，把H 2 O 2 不断地还原成H 2 O，把细胞内生成的H 2 O 2 保持在低水平。可见，在正常情况下，H 2 O 2 不会对细胞产生损伤。
ROS包括超氧自由基、OH -1 自由基和H 2 O 2 等。细胞内高水平的ROS参与心肌细胞的损伤，如缺血/再灌注损伤和心肌顿抑。但中等水平的ROS在细胞生理所必需的各种信号途径中起着重要的作用，由细胞内ROS产生和清除的轻度失衡而引起细胞内氧化还原状态的改变，被认为是完成各种细胞功能的重要介质。有研究表明，细胞内氧化还原平衡的波动会影响转录核因子-κB、AP-1、缺氧诱导因子-1、蛋白激酶和磷酸酶的激活，而且还影响Ca 2+ 通道、K + 通道、Na + 通道和Na + -Ca 2+ 交换等的激活 ［1～5］ 。
由此可见，细胞内高水平的ROS能引起细胞的损伤，而中等水平的ROS在细胞内起着第二信使的作用，参与各种细胞功能的完成。
2 预处理期ROS的产生及其作用
在心肌细胞，缺血预处理或药理预处理都伴随ROS生成的增加 ［6，7］ ，在离体灌注心脏，用H 2 O 2 或超氧化物短暂处理心肌细胞，能模拟预处理的心脏保护效应 ［8］ ，而抗氧化剂能阻断该保护效应 ［8，9］。因此，升高ROS的水平是激活抗缺血/再灌注损伤心肌保护信号通路所必须的，ROS在预处理心肌保护信号通路中起着第二信使的重要作用。在心脏，线粒体ROS的生成主要来自呼吸链中复合物Ⅲ的辅酶Q反应所产生的分子氧 ［10］ 。
在预处理期，线粒体ATP敏感性钾通道（mitochondrial K ATP channel，MitoK ATP 通道）开放使ROS生成增加可能是预处理心肌保护的重要机制。MitoK ATP 通道特异性开放剂Di-azoxide能中度增加大鼠心肌细胞ROS的生成，使细胞处于一个促氧化环境 ［11］ ，而MitoK ATP 通道的特异性阻断剂5-HD则能阻断ROS的生成［12］ 。但MitoK ATP 通道开放使ROS生成增加的机制还不清楚。有研究表明，MitoK ATP 通道开放引起K +的净内流，K + 进入线粒体后使基质发生肿胀和碱化 ［13］ 。Garlid等在离体线粒体的研究表明，基质的中度碱化能增加ROS的产生 ［13］ 。此外，心肌细胞内还可能存在ROS诱导ROS释放的正反馈放大回路。Zorov等发现，在离体成年大鼠心肌细胞，用光催化（photoactivation）手段使ROS在线粒体的积聚增加，而ROS的积聚又能触发线粒体的去极化以及线粒体渗透性转换诱导（mitochondrial permeability transition induction）;同时线粒体渗透性转换诱导伴随着单个线粒体ROS的突发性生成 ［14］ 。而线粒体渗透性转换抑制剂bongkrekic acid能防止该ROS的突发性生成，这提示可能存在一个“ROS—ROS”的正反馈回路。因此，预处理期MitoK ATP 通道开放使ROS生成增加，然后通过“ROS—ROS”的正反馈回路进一步提高ROS在细胞内的水平，直至达到产生预处理心肌保护效应的高度。
MitoK ATP 通道开放产生的ROS在预处理心肌保护中起着重要的作用。Vanden Hoek等 ［15，16］ 在离体心肌细胞的研究表明，10min的缺血预处理对后续的缺血/再灌注损伤产生保护效应，同时ROS也在缺血预处理期的10min内产生;而缺血预处理期使用ROS清除剂MPG以抑制ROS的生成，将取消预处理对缺血/再灌注损伤的保护作用。其他一些研究结果也证实，缺血或直接使用氧化剂预处理心肌细胞都能产生保护效应，而预处理期添加DMSO、MnTBAP等抗氧化剂，都能干扰预处理心肌保护效应 ［17，18］ 。ROS在激动晚期预处理心肌保护中也起着重要作用。在兔心脏梗死模型，外源性氧化剂能模拟缺血预处理的晚期心肌保护效应，而ROS清除剂MPG则能阻断缺血预处理的晚期心肌保护效应 ［19］ 。可见，预处理期MitoK ATP 通道开放产生的ROS介导了心肌保护信号的激动和传递，在预处理心肌保护信号通路中起着重要的作用。
尽管ROS的作用机制仍然不很清楚，但有人推测，它可能既参与了预处理信号的传递，又放大了预处理信号。缺血预处理或者药物预处理时，经过受体激动和一些信号传导，使MitoK ATP 通道开放，ROS生成增加，生成的ROS进一步激活下游的激酶，最后通过调节终末效应器而起到心肌保护的作用;而且ROS还可能通过“ROS—ROS”的正反馈回路起到放大预处理信号的作用 ［20］ 。
3 缺血期ROS的产生及其作用
虽然ROS主要产生在缺血后氧供的恢复期，但一些研究也发现，在缺血期也有ROS的生成 ［17］ 。线粒体可能是心肌细胞产生ROS的直接来源。缺血时，细胞虽然失去了90%的氧供但仍有相当的分子O 2 存在。此时呼吸链中的细胞色素开始简化氧化还原作用，使它们直接转移电子到O 2［21］ 。因此，对于发生了氧化还原简化的细胞，在有分子O 2 存在时，就能产生大量的超氧阴离子 ［22］ 。ROS的生成可能主要在呼吸链的复合物Ⅲ以上部位，因为抑制呼吸链复合物Ⅲ的电子传递就能明显减少ROS的生成 ［22］ 。此外，缺血期产生的ROS与再灌注时产生的ROS来源不同，因为线粒体抑制剂只能抑制缺血期ROS的生成，而对再灌注期ROS的生成没有影响。
缺血期产生的ROS也起着重要的信号传导作用 ［23］ 。它可能直接介导了细胞的氧化损伤。ROS可能通过启动一系列信号传导，激活细胞凋亡的细胞死亡程序，介导细胞的凋亡。使用自由基清除剂阻断缺血期ROS的生成，可减少再灌注时细胞的死亡 ［22］ 。
4 再灌注期ROS的产生及其作用
大量的研究表明，缺血后恢复对缺血组织的氧供，就会产生自由基再灌注损伤。在心、脑、肾、肝、肺和小肠等许多脏器都有报道。在再灌注期，ROS是以大量暴发的形式生成，它不同于预处理期和缺血期的生成途径，它是非特异的，不受线粒体抑制剂的影响。因此再灌注期的ROS没有信号传导作用，它直接对蛋白质、DNA等细胞内分子造成损伤。
ROS主要产生于再灌注的早期。Zweier和Ambrosio等 ［24，25］ 的研究结果表明，氧自由基主要产生于再灌注的前10～20s。在犬心脏缺血/再灌注模型，自由基清除剂只在再灌注后15min内才具有保护作用 ［26］ 。
可见，ROS主要产生于再灌注的早期，只有尽早使用自由基清除剂才能有效防止心肌再灌注损伤。
综上所述，ROS既是一种有害的细胞损伤因子，也是一种可以产生细胞保护的信号分子。正确认识ROS在预处理各个时期的作用机制，对临床上合理使用自由基清除剂来防治心肌缺血/再灌注损伤是非常有利的。
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* 基金项目:国家自然科学基金资助课题（No:30200089）
作者单位:400037重庆，第三军医大学附属新桥医院麻醉科（Δ 心血管外科）