心血管系统中NO信号分子的发现和作用原理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,印莉萍,首都师范大学，生命科学学院,手机：,13520393295,Email: yinlp,细胞信号传递,-,专题,第一章、心血管系统中,NO,信号分子的发现,和作用原理,(1998) 0417,第二章、核糖体结构和功能（,2009,）,0424,第三章、嗅觉受体和气味传递系统,(2004),0508,第四章、,细胞如何组织其转运系统“,膜泡,转运,”,（,2013,）,0515,诺贝尔奖与生命科学,科学家的科研经历和奋斗史，使大家能够体会大师们的人生观，发展观，了解他们在人生道路上如何面对困难、面对选择、面对荣辱。,同时将生命科学最基本的，与人类联系最紧密的知识传授给大家，也希望同学们从中领悟到“科学发现”的灵感。,教学目标,第一章：,心血管系统中,NO,信号分子的发现和信号传递,Robert F Furchgott,born 1916Dept. of Pharmacology,SUNY Health Science Center New York,Louis J Ignarro,born 1941Dept. of Molecular and Medical PharmacologyUCLA School of Medicine Los Angeles,Ferid Murad, born 1936Dept. of Integrative BiologyPharmacology and PhysiologyUniversity of Texas Medical School, Houston,The Nobel Prize in P/M,1998,佛契哥特,（,Robert F. Furchgott,）,1916,年,4,月出生于美国南卡的查尔斯顿（,SouthCarolina,）；,1937,年先在北卡读大一，之后在北卡大学教堂山分校获化学学士；,1940,年，,24,岁，在,Northwestern,大学获生物化学博士学位， 然后在康奈尔大学做博士后；,1956-1988,年在美国纽约州立大学药理学系任教授 ；,1988-,现在纽约州立大学健康科学中心药理学部门（,SUNYHealthScienceCenter,）的高级客座教授；,主要的研究为：药物,造成的血管內皮细胞收缩及扩张,。,伊格纳罗（,Louis Ignarro,）,1941,年出生于纽约州的布鲁克林市；,1962,年获得哥伦比亚大学的药理学化学学士学位；,1966,年获得明尼苏达大学的药理学生理学博士学位；,1966,年至,1968,年，他在美国国立卫生研究院的化学药理学实验室从事博士后研究；,1985,年至今，任加利福尼亚大学洛杉矶分校医学院药学系教授。,2006,年来到北京参加了诺奖群英会,穆拉德,Ferid Murad,，马其顿后裔，美国第二代移民；,1936,年出生在美国印第安那州；,1958,年，他在,DePauw,大学完成医科预科学业与化学本科学业；,1965,年，获得,Case Western,大学医学和药理学双博士学位；,1970-1981,年，在弗吉尼亚大学医学院工作，任教授；,1987,年，成为得克萨斯休斯顿大学的首位综合生物及药理学系主任；,1997,年美国国家科学院院士,1998,任美国国家医学研究院院士,2007,年获聘为中国科学院外籍院士,2006,年也来到北京参加了诺奖群英会,得奖成就,是,:,共同发现空气中的污染源一氧化氮在人体循环系统中扮演,信号,的角色。,诺贝尔委员会在颁奖词,中说，三人的这项研究结论“带动全球各地众多不同实验室朝气蓬勃的研究活动”。,评审团表示：,“这是首度发现一种气体可在人体中成为信号分子。”,本章的主要内容,1,什么是信号分子,2,心血管病,1,）硝酸甘油的两重性,2,）,心脏病突发名人猝逝,3,）冠心病,是一种最常见的心脏病,3,硝酸甘油与平滑肌收缩和舒张的关系,1,）佛契哥特（,Robert F. Furchgott,）的工作,2,）伊格纳罗,（,Louis Ignarro,）,的工作,3,）,穆拉德（,Ferid Murad,）的工作,4 NO,的信号转导通路,5,研究成果转化为产品,1,信号分子,指环境或生物体内的某些分子，用来在,细胞间和细胞内传递信息,，其功能是使细胞做出适应性反应。主要分为：,“物理信号”,“化学信号”,“,生物信号,”,Dionaea muscipula,(Venus Flytrap),Mimosa pudica,(Sensitive Plant).,Arabidopsis,物理信号：光、热、电流、触摸等,气体信号分子：,NO,，,CO,NO,是一种极不稳定的生物自由基，分子小，结构简单，常温下为气体，微溶于水，具有脂溶性，可快速透过生物膜扩散，生物半衰期只有,3-5s,。,NO,曾一直被看作是对生物有毒的简单无机分子。,1864,年,诺贝尔以三硝酸丙三醇脂,（硝化甘油）及硅藻士,制造出安全炸药。安全炸药的工业化生产给诺贝尔带来了荣誉和金钱，使他得意创立科学界的最高奖项,-,诺贝尔奖。,1897,年,阿尔弗莱特,诺贝尔,是因心脏病发作而去世。,2,心血管病硝化甘油的两重性,心脏病突发名人猝逝,拉瑟特,是,NBC,于华盛顿的分社主任，也是,NBC,的高级副总裁，,1991,年起主持,Meet the Press(,会晤新闻界,),节目。,拉瑟特与妻儿早前一同到意大利旅游，以庆祝儿子大学毕业，他自己为了预先录制节目而先行回国，未料在录制节目期间,突发心脏病死亡,，终年,58,岁。,浙江卫视当红新闻主播,梁薇,在出差上海期间心脏病突发，送医后经抢救无效，于,2009,年,8,月,26,日在上海病逝，年近,28,岁。,前国际奥委会主席萨马兰奇,2010,年,4,月,21,日，中国人民的老朋友、（国人亲切称他为“萨翁”），因,冠心病,不治逝世。,迈克尔,杰克逊,2009,年,6,月,26,日，美国昔日歌王迈克尔,杰克逊因心脏病突发去世，终年,50,岁。,2005,年,8,月，著名小品演员高秀敏在长春家中去世，死因为突发性心脏病,享年,46,岁,；,2006,年,12,月，著名相声艺术大师马季在北京家中突发心脏病去世；,2007,年,6,月,23,日，,59,岁的相声大师侯耀文心脏病突发，猝然辞世,心脏病，,罗阳是歼舰载机研制现场总指挥、中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司董事长、总经理。,罗阳,2012,年,11,月,25,日,12,时,48,，执行任务时，突发,急性心肌梗死、心源性猝死,，经抢救无效，在工作岗位殉职，享年,51,岁。,被评为,感动中国,2012,年度人物,。国务院决定追授罗阳同志“航空工业英模”荣誉称号。,中共中央总书记、中央军委主席习近平,11,月,26,日做出重要指示，要求党员学习罗阳优秀品质和可贵精神。,冠心病（,coronary artery heart disease, CHD,）,是一种,最常见的心脏病，,是指因,冠状动脉狭窄,、供血不足而引起的心肌机能障碍和,(,或,),器质性病变，故又称,缺血性心脏病,(IHD),。,世界卫生组织对,冠心病,分类如下,（,1,）无症状性心肌缺血,（,2,）,心绞痛,（,3,）心肌梗死,（,4,）缺血性心肌病,（,5,）猝死,请思考,:,发病部位,发病原因,治疗目标,心脏的外形和血管,主动脉,从较高和较低的腔静脉,左心房,右心房,左心室,右心室,肺动脉,冠状动脉,冠状动脉循环血管铸型,粥样动脉硬化,(atherosclerosis),3,硝酸甘油与平滑肌收缩和舒张的关系,1,）佛契哥特（,Robert F. Furchgott,）：,血管壁的“三明治”实验模型证明血管内皮细胞存在血管舒张因子（,EDRF,）；,2,）伊格纳罗（,Louis Ignarro,）：,光谱分析确定了,硝酸甘油释放,NO,3,）,穆拉德（,Ferid Murad,）：,酶活实验证明了,EDRF-NO-cGMP,三者的关系,佛契哥特（,Furchgott,）,从小喜爱大自然，专情于自然史。,他上高中时确立了想当科学家的理想。,他对自己获奖感到意外，非常谦虚地说：“一氧化氮被称作是一种与生命息息相关的毒素。我觉得我所做的只是一种传统的生命医学研究。”,乙酰胆碱,ACh,究竟通过什么物质,引发血管舒张还是收缩,（,血管条总是缩短）,？,悬而未决,了整整六年,意外的發現,在,1978,年,5,月,7,日，,Furchgott,的技术员,David,Davidson,，,为图简便，并没有按照实验规定步骤制备,血管条,，而制备的是,主动脉环,。,结果他发现，,ACh,不但不使主动脉环收缩，,反而却诱发其舒张,。此结果,屡试不爽。,切割血管条，一直是把血管内膜面搭在指尖上进行操作，,常常造成血管壁的磨擦，,摩擦？,他以不同的方式摩擦血管环內壁，再给予乙酰胆碱刺激，发现乙酰胆碱,无法,使血管产生舒张的反应。,佛契哥特进一步采用,组织染色,的方法，无舒张血管条不含血管内皮细胞，而舒张反应的血管条则包含有血管内皮细胞。,推论：,血管內皮细胞会,释放,出某种,因子，,使血管平滑肌舒张。,佛契哥特的三明治实验,内皮细胞,平滑肌细胞,压力测量计,肾上腺素,內皮细胞舒张因子,于,1980,年,Furchgott,完美的实验成功地呈现：乙酰胆碱只有在,內皮细胞完整时,才会扩张血管壁。是一种未知的,信息传导物质,而造成血管平滑肌肉放松。他命名这种信息传导物质为,EDRF,（,endothelium-derived,relaxing,factor,，,內皮细胞舒张因子,）。,论文的发表引起全球的,EDRF,研究热。,同时,Furchgott,提出乙酰胆碱引发由内皮细胞反应的血管舒张现象,.,即三明治实验引领了后续科学家的研究,.,穆拉德。,穆拉德出身贫寒，时常在父亲开的小饭店做帮手。看到没有文化的父母整天在餐馆忙于生计，他从小就认识到了知识的重要性。他不安现状，认真读书，成了他们家庭的,第一位大学生,，并且早在,12,岁时,就确立了做医生的志向。穆拉德说：“,30,年来，我一直把诺贝尔奖作为追求目标,！”,穆拉德夫妇有四个女儿和一个儿子。在穆拉德早年为同时获得医学博士和哲学博士双学位而刻苦读书的那七年。为此，家境平平的穆拉德,课余要同时打两份工,，包括做,超级市场,的售货员，以弥补整个家庭的生活费用。获得医学博士后，他曾担任过一段时间的临床医生，后来因为感悟到“,基础科学能造福更多的人类,”而钻进了实验室。,穆拉德逐渐意识到，搞医学研究可以给更多的人带来帮助。他说“,要喜欢你的工作，善于从中发现乐趣。如果你能解决一个从来没有人能解答的问题，那是无与伦比的幸福。我喜欢作为第一发现者的美妙感觉,。”,上个世纪，医生们就已经知道硝酸甘油这个有“小炸弹”之称的物质，在治疗心绞痛上的效用。,不过在那时，医生们忽视了这种物质所起作用的全部机理。,硝酸甘油为什么能够成为心脏病人的“救命草”则困扰了科学界一百多年。,1977,年，穆拉德从,牛的动脉血管,上取出一块活体进行检验，他把按一定比例混合的,一氧化氮和氮的混合气体,注入这个活体上，当混合气体通过光滑的心肌时，,心肌就放松,了。如果从外部通过硝酸甘油提供一氧化氮，那么得到的结果也与上述情况完全相同。他确定硝酸甘油等有机硝酸酯必须代谢为一氧化氮后才能发挥扩张血管的药理作用。,费里德,穆拉德。,发现乙酰胆碱刺激胸主动脉血管环后所遗留之培养液,(,内含,EDRFNO,）活化平滑肌的,鸟苷酸环化酶,（,guanylate cyclase,）,进而产生,cGMP,；,后来进一步测量,发觉,NO,的产生量与鸟苷酸环化酶活化量成正比；,Murad,的酶活试验,图,1,NO,通过刺激鸟苷酸环化酶诱导,cGMP,的合成，从而导致肌球蛋白的松弛。,图,2,乙酰胆碱刺激内皮细胞产生,NO,，,NO,可以渗透进入心肌细胞，产生,cGMP,，激活心肌细胞，使其放松。,后来他将培养的兔胸主动脉血管条的,内皮细胞铺附于微载体上,，加“台氏液”洗脱，,检测流出液中,NO,的含量（光谱分析）,，并将流出液与硝酸甘油的药理作用做定量对比。,结果发现，血管内皮细胞释放的,EDRF,与,NO,在生物活性、半衰期,等生物学特性上完全一致。,伊格纳罗,伊格纳罗与佛契哥特合作，进行了一系列的,EDRF,药理和化学本质的实验其结果与穆拉德的理论相符，因此他推测，,EDRF,就是,NO,。,Ignarro,的光谱分析,应用光谱学方法分析血红蛋白，将,EDRF,鉴定为分子, EDRF,与一氧化氮是完全一样的。,分光光度测定法,血红蛋白,(,黄色,),与内皮细胞混合后，刺激内皮细胞产生,EDRF(,绿色,),。,血红蛋白,(,黄色,),直接暴露于,NO(,绿色,),，吸收曲线的变化是完全一样的，这表明,EDRF,就是,NO,。,4 NO,的信号传导通路,一氧化氮合成酶（,NOS,）,血管神经末梢释放,乙酰胆碱,(acetylcholine, ACh),乙酰胆碱受体,Ca,2+,通道开放,(Ca2+,升高,),，与钙调素结合,Niric oxide synthase, NOS,L-,精氨酸,NO+,L,瓜氨酸,鸟苷酸环化酶,(,Guanylyl-cyclase,GC,),GTP,cGMP,合成增多,血管平滑肌细胞舒张，血管扩张、血流通畅,气体信号,NO,的信号传导,血管内皮细胞,(endothelial cell),血管平滑肌细胞,(smooth muscle cell,),一氧化氮作用的理论模式,部分,NO,分子通过内皮细胞层到达平滑肌细胞,活化,guanylyl cyclase,酶,.,使,GTP,产生,cyclic GMP -cGMP,。,cGMP,通过,cGMP,依赖的,PKG,活化，再经一系列反应,使肌纤维蛋白,轻链,去磷酸化并发生连锁反应（包括,Ca,2,的回收）以钝化,肌球蛋白（,myosin,）。,当,myosin,钝化后,肌纤维停止收缩滑动，造成肌细胞放松,血管便舒张,.,肌肉收缩和舒张示意图,relaxed,contracted,p377,肌球蛋白在肌纤维收缩和舒张中的作用,电子显微镜照片,细丝去磷酸化,1992,年，,NO,被,Science,评为年度明星分子（,molecule of the year,）。同时,Science,以“,Just Say NO,”,为封面,，并以“,NO News is Good News,.”,为题目发表专论，高度评价了,NO,的发现及其生物学作用。,5,研究成果转为产品,受伊格纳罗博士的影响，,2006,年,12,月，国际心脑血管疾病防治合作中心（,CICT,）正式宣布通过植物提纯解决了“高密度脂蛋白（,HDL,）”的合成难题、一氧化氮（,NO,）的合成难题、,HDL,和,NO,的吸收难题。,陕西省科学院制药厂将（,CICT,）的成果引入中国，并结合中国中医药的优势，成功研制出解决心脑血管疾病的“,世卫三保,”。为心脑血管疾病患者的康复带来了福音。,美国辉瑞,(Pfizer),制药公司研制出了新药,昔多芬,即“伟哥,(Viagra)”,蓝色小药丸,“,伟哥”风靡全球,利用的是,一氧化氮,(Nitric Oxide),的原理。,康宝莱与,ignarro,（路易斯,伊格纳罗,伟哥之父）博士共同研发夜宁新（,Niteworks,）,一氧化氮是人体中对健康最重要的化学复合物之一。,Niteworks,（夜宁新）能用一下两种方式促进一氧化氮的作用：,1,、,L-,精氨酸（,L-Arginine,）：神奇的,Arginine,是身体用来产生一氧化氮的氨基酸；,2,、维生素,C,、,E,：能够帮助一氧化氮在体内的血液循环和延长其存积时间。,一氧化氮有利有弊,正如一块硬币有正反两面一样，如果一氧化氮生成过多会造成炎症，这就是一氧化氮是柄双刃剑的效果。,过多的,NO,反而会使正常细胞受到伤害,.,佩尔松的,研究发现巧克力预防心脏病,有研究表明，绿茶能够抑制体液平衡和血压调节中的,血管紧张素转化酶,(ACE),。由于这种作用和活性物质,儿茶素及原花青素,有关，所以我们现在准备研究可可的作用。”,巧克力治疗高血压,佩尔松（,Ingrid Persson,）：“募集年龄在,20-45,岁之间的,10,名男性和,6,名女性都吃了,75,克含,72%,可可的无糖巧克力。,采集了他们吃巧克力前的血样（,CK,），然后采集了他们吃巧克力半小时、,1,小时、,3,小时后的血样以检测,血管紧张素转化酶,的变化。,从,3,个小时后采集的血样可以看出，,血管紧张素转化酶活性明显受到了限制,，比食用可可之前平均降低了,18%,，可可的作用和抑制血管紧张素转化酶的药物作用相同，是治疗高血压的首选。,2010,年,心血管药理学期刊,（,Journal of,Cardiovascular Pharmacology,）,为什么呢？,巧克力治疗高血压,血管紧张素,I,基本没有生物学活性，而是经血管紧张素转化酶（,Angiotensin Converting Emzyme, ACE,）,剪切,C-,末端两个氨基酸残基而形成血管紧张素,II,。血管紧张素,II,具有高效的,收缩,血管作用，从而使,血压升高,；,她说：“我们的发现表明含有大量儿茶素和原花青素的能预防心血管疾病的食品改变了我们的生活方式。”,（来源：环球科学 文睿）,常喝绿茶和咖啡,2013. 3.14,，美国心脏病协会 主办的期刊,中风,-Stroke,报道,对,8,万人，,45-74,岁，为期,13,年的跟踪调查结果,：每天饮用两到三杯绿茶的，中风风险降低,14%,；每天饮用至少一杯咖啡的，中风风险降低,20%,；每天两者都饮用的人群中，出现脑溢血的风险降低,32%,；,绿茶,-,茶儿素，抗氧化、消炎,咖啡,-,绿原酸，抗氧化、抗菌,穆拉德说“做研究一定要有毅力和耐心，也要勇于面对失败。科学家经常会遭遇挫折，也经常有人对你的研究质疑甚至泼冷水，你不能为此丧失信心，你要相信自己。”,要点归纳和,拓展思考：,NO,作为细胞信号分子的发现推理承认应用过程。,还有哪些食疗方法可以预防冠心病？,思考题,