心血管系统中NO信号分子的发现和作用原理(1998)

•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RobertFFurchgott,born1916Dept.ofPharmacology,SUNYHealthScienceCenterNewYorkLouisJIgnarro,born1941Dept.ofMolecularandMedicalPharmacologyUCLASchoolofMedicineLosAngelesFeridMurad,born1936Dept.ofIntegrativeBiologyPharmacologyandPhysiologyUniversityofTexasMedicalSchool,HoustonTheNobelPrizeinP/M1998佛契哥特（RobertF.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（LouisIgnarro）•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•FeridMurad，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CaseWestern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（RobertF.Furchgott）的工作•2）伊格纳罗（LouisIgnarro）的工作•3）穆拉德（FeridMurad）的工作4NO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”Dionaeamuscipula(Venus'Flytrap)Mimosapudica(SensitivePlant).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《MeetthePress》(《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－１５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（coronaryarteryheartdisease,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（RobertF.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（LouisIgnarro）：光谱分析确定了硝酸甘油释放NO•3）穆拉德（FeridMurad）：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DavidDavidson，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-derivedrelaxingfactor，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EDRF—NO）活化平滑肌的鸟苷酸环化酶（guanylatecyclase）,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1NO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。4NO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Ca2+通道开放(Ca2+升高)，与钙调素结合Niricoxidesynthase,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(endothelialcell)血管平滑肌细胞(smoothmusclecell)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guanylylcyclase酶.使GTP产生cyclicGMP----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Ca2＋的回收）以钝化肌球蛋白（my