第三章高原缺氧的细胞及分子机制final
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
慢反应 细胞
反应 速度 快
慢
影响
整体或 局部性
多为细胞 自身
作用方 式
分泌神经递质或 体液因子
基因表达的变 化
举例
主动脉体和颈动脉 体，肾上腺嗜铬细 胞，气道神经上皮 细胞
机体的绝大多数细 胞，如骨骼肌
23
二、氧感受器与缺氧信号转导
氧感受器（Oxygen sensor）
讨论：作为Oxygen sensor，应该具备哪些特点？
1. The inhibition of Epo production at low partial pressures of oxygen by carbon monoxide provides evidence that a heme protein is integrally involved in the oxygen-sensing mechanism.
第三章
高原缺氧的细胞反应及分子机制
第三军医大学高原军事医学系 高原生理学与高原生物学教研室
谭小玲
知识回 顾
细胞对高原低氧的反应
代偿性反应
氧利用的能力增强：尽可能利用多一点氧 无氧酵解增强：尽可能产生多一点ATP 肌红蛋白增加：尽可能储备多一点氧 低代谢状态：尽可能多节约一点氧
损伤性变化
细胞膜损伤：膜蛋白功能障碍、细胞水肿 线粒体损伤 溶酶体损伤：广泛的细胞损伤、
gp91-PHOX (contains heme)(Nox2) p22phox p40phox p47phox p67phox
30
1.2 NAD(P)H氧化酶复合物学说
Oxygen-dependent chemical reaction
Substrates: NADH, NADPH, H+, and O2 Products:NAD+, NADP+, and H2O2.
2
Oxygen homeostasis
通过呼吸循环系统对氧的摄取和运输，哺乳动物细胞氧分压维持在一个狭 小
的范围内，称为氧平衡。
It impacts on many aspects of cellular and systemic physiology, including :
Redox state Energy metabolism Cardiovascular Respiratory Neuroendocrine function Hematopoiesis
28
问题是：
构像变化如何作为信号向下传递的? 缺氧时血红素蛋白的合成是下降的。 血红素合成抑制剂不能阻止细胞对缺氧的反应 血红素蛋白的种类很多，那一个或一类起关键作用？
29
1.2 NAD(P)H氧化酶复合物学说
NAD(P)H oxidase (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-oxidase) : a membrane-bound enzyme complex. This enzyme belongs to the family of
13
1.氧感知细胞的分布
部位
氧摄取系统
氧运输系统 氧分配系统 氧利用系统
细胞
⑴气道神经上皮小体 ⑵肺动脉平滑肌和肺血管內皮细胞 ⑶颈动脉体和主动脉体
肾小管周间质细胞 血管平滑肌和内皮细胞 肾上腺嗜铬细胞 一般工作细胞
14
氧摄取系统氧感受细胞（A）
缺氧
气道神经上皮小体 （neuroepithelial body，NEB）
8
教学要求
了解：1.参与急、慢性缺氧反应的病理过程和反应方式； 2.氧感受器的本质和作用机制的几种假说。
理解：1．H2O2、Ca2+、蛋白激酶和HIF-1在低氧信号转导中的作用；
2．理解缺氧对细胞增殖的作用和缺氧时细胞增殖的机制； 3．理解缺氧诱导细胞凋亡和细胞坏死的触发因素和机制。
掌握： 氧感知、氧感知器、HIF-1和缺氧反应基因的概念 和种类。
1.哪个或哪种离子通道起主要作用？ 离子通道种类多：384？ 氧敏感的离子通道？
2.离子通道在不同细胞中表达种类均不同。 3.氧敏感钾离子通道是研究最多的，但其氧敏感的机制不清楚。
Proposed ion channel O2 sensing in NEB
39
1.5 氨基酸羟化酶学说
缺氧诱导因子 Hypoxia Inducible Factor，HIF
oxidoreductases, specifically those acting on NADH or NADPH with oxygen as acceptor.
Six subunits: 1. Rho guanosine triphosphatase (GTPase), usually Rac1 or Rac2 (Rac stands for Rhorelated C3 botulinum toxin substrate) 2. Five "phox" units. (Phox stands for phagocytic oxidase.)
胞
氧合酶等10%来自其它6Oxygen gradient around mitochondria
Intra-mitochondria: PO2: 3.8-22.5mmHg
PO2<2mmHg,inhibited PO2<1mmHg,blocked
7
本章教学内容
第一节 低氧感知 第二节 缺氧与基因表达 第三节 缺氧与细胞增殖 第四节 缺氧与细胞坏死和凋亡
神经递质；肽类和胺类物质
① 增强肺通气 ② 维持肺通气-血流比例 ③ 增强心功能
氧摄取能力增强
15
氧摄取系统氧感受细胞（B）
缺氧
肺动脉平滑肌 肺血管内皮细胞
肺血管收缩
维持肺通气-血流比例 氧摄取能力增强
Normal
Hypoxia
16
氧摄取系统氧感受细胞（C）
缺氧
PO2下降
主动脉体 和颈动脉体
CB:Carotid body
3
氧降阶梯
Air 150 mmHg 21% O2
Oxygen Gradients
3-22mmHg
Internal organs
Blood
Alveolar 110mmHg
Large arterial
100mmHg
Small arterial
Veins 40mmHg
Physiological oxygen concentration in vivo（Extracellular）
Fenton reaction and free radicals
(1) Fe2+ + H2O2 +H+ → Fe3+ + HO• + H2O (2) Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO• + H+
31
但是：
gp91-PHOX (contains heme)(Nox2) 突变，对颈动脉体缺 氧反应性没有影响
Cyt592：与O2的亲和力极低，其氧化还原转态对缺氧十分敏感。
34
但是：
ρ0细胞：去线粒体DNA的细胞
是指一类线粒体内DNA 缺失,无线粒体功能,依靠糖酵解存活的 细胞系。
线粒体DNA编码蛋白：
1.保持缺氧刺激反应
2.保持缺氧刺激的HIF表达
35
1.4 氧敏感离子通道学说
Corneille Heymans， Belgium
9
第一节 低氧感知 Oxygen Sensing Under Hypoxia
10
低氧感知（Oxygen Sensing）
指机体从器官、组织到细胞分子水平对低氧的感应及反应过程。
低氧感知的要素： 氧感知细胞 氧感知器（分子水平） 信号传递途径 效应或效应分子
11
急性反应和慢性反应
急性反应：快速反应体系 快反应细胞 功能变化，不伴随结构变化
Heyman 1938年的诺贝尔奖
36
1.4 氧敏感离子通道学说
离子通道氧感受机制
缺氧
抑制氧敏感 K+
膜去极化
电压门控Ca2+通道打开 钙离子内流
调动心肺功能
神经递质释放 神经中枢兴奋
Physiol Rev 2010; 90 :675-754
37
1.4 氧敏感离子通道学说
38
1.4 氧敏感离子通道学说
血红素蛋白 一系列含有卟啉环配体的蛋白质，如血红蛋白、细胞
色素aa3、p450、含细胞色素b558的辅酶Ⅱ氧化酶 （NADPH）等。 感受途径：
Ｏ2结合于血红素分子中央的Fe2+，引起血红素蛋白构 象变化发挥氧感受作用。
27
证据：
缺氧与 CoCl2、去铁剂处理之后， Hypoxia, cobalt chloride, and nickel chloride appear to stimulate Epo production through a common pathway:
40
41
1.5 氨基酸羟化酶学说
脯氨酸羟化酶 (PHD)
PHDs↓ HIFs↑
缺氧相关基因表达↑
Am J Respir Crit Care Med, 2011,183:152-156
42
1.5 氨基酸羟化酶学说
氨基酸羟化酶FIH降低HIF1α转录活性: 阻断p300的结合
32
1.3 线粒体学说
1.氧消耗的主要位点 2.ROS产生的场所 3.电子传递链（ETS）上有许多酶含 有血红素，如细胞色素 4.ETS抑制剂导致细胞缺氧 5.缺氧首先抑制线粒体电子传递链 功能，并引起内膜去极化，触发细 胞游离Ca2+增多和儿茶酚胺分泌增 多。
33
1.3 线粒体学说
ETS抑制剂主要作用于细胞色素
调节血管舒缩状态
血液重新分配
保证生命重要器官的氧供
20
氧利用系统氧感受细胞
缺氧
细胞
改变基因表达，如糖酵解增强 降低与细胞生存无关的机能活动
减少氧耗；提高氧的利用效率
21
Frontier field 皮肤能感知缺氧吗？
22
2. 氧感知细胞分类
根据缺氧对细胞膜电位的影响特性分类
种类
快反应 细胞
These O2 sensing tissues or cells seem to have two general features in common: (1) they have the capacity to directly transduce a hypoxic stimulus into a physiological response (2) there is little or no consensus regarding the actual mechanism that directly couples PO2 (or O2 concentration) to the initial effector response, i.e., the “O2 sensor.”
Large arterial
P02 50-60mmHg
Small arterial
P02 30-40mmHg
From Kerger H ,et al. Am J Physiol. 1996 Mar;270(3 Pt 2):H827-36
细胞内氧的利用（Intracellular）
线粒体
90%
羟化酶等 细
Normal
Hypoxia
慢性反应：结构变化 所有细胞 基因表达的变化
Normal
Hypoxia
Vascular remodeling
cardiac remodeling
12
一.氧感知细胞
机体缺氧反应体系 1、氧摄取系统：肺摄氧及肺血液氧合 2、氧运输系统：血液运载氧 3、氧分配系统：血流、血管的构型及功能状态 4、氧利用系统：细胞
Oxygen sensor
O2
24
1. 氧感受器 Oxygen sensor
1.1 血红素蛋白学说 1.2 NAD(P)H氧化酶复合物学说 1.3 线粒体学说 1.4 氧敏感离子通道学说 1.5 氨基酸羟化酶学说（脯氨酸羟化酶学说） 1.6 H2S ......
25
1.1 血红素蛋白学说
26
1.1 血红素蛋白学说
颈窦神经
呼吸中枢 呼吸加深加快
氧摄取能力增强
17
氧运输系统氧感受细胞
缺氧
肾小管周间质细胞
EPO生成增多 造血系统
红细胞生成增加
氧运输能力增强
18
氧分配系统氧感受细胞（A）
缺氧
血管平滑肌和内皮细胞
VEGF表达
血管增生 缩短氧的弥散距离
19
氧分配系统氧感受细胞（B）
缺氧
肾上腺嗜铬细胞 儿茶酚胺分泌增多
2. Further support is the finding that when heme synthesis is blocked, hypoxia-, cobalt-, and nickel-induced Epo production are all markedly inhibited.
反应 速度 快
慢
影响
整体或 局部性
多为细胞 自身
作用方 式
分泌神经递质或 体液因子
基因表达的变 化
举例
主动脉体和颈动脉 体，肾上腺嗜铬细 胞，气道神经上皮 细胞
机体的绝大多数细 胞，如骨骼肌
23
二、氧感受器与缺氧信号转导
氧感受器（Oxygen sensor）
讨论：作为Oxygen sensor，应该具备哪些特点？
1. The inhibition of Epo production at low partial pressures of oxygen by carbon monoxide provides evidence that a heme protein is integrally involved in the oxygen-sensing mechanism.
第三章
高原缺氧的细胞反应及分子机制
第三军医大学高原军事医学系 高原生理学与高原生物学教研室
谭小玲
知识回 顾
细胞对高原低氧的反应
代偿性反应
氧利用的能力增强：尽可能利用多一点氧 无氧酵解增强：尽可能产生多一点ATP 肌红蛋白增加：尽可能储备多一点氧 低代谢状态：尽可能多节约一点氧
损伤性变化
细胞膜损伤：膜蛋白功能障碍、细胞水肿 线粒体损伤 溶酶体损伤：广泛的细胞损伤、
gp91-PHOX (contains heme)(Nox2) p22phox p40phox p47phox p67phox
30
1.2 NAD(P)H氧化酶复合物学说
Oxygen-dependent chemical reaction
Substrates: NADH, NADPH, H+, and O2 Products:NAD+, NADP+, and H2O2.
2
Oxygen homeostasis
通过呼吸循环系统对氧的摄取和运输，哺乳动物细胞氧分压维持在一个狭 小
的范围内，称为氧平衡。
It impacts on many aspects of cellular and systemic physiology, including :
Redox state Energy metabolism Cardiovascular Respiratory Neuroendocrine function Hematopoiesis
28
问题是：
构像变化如何作为信号向下传递的? 缺氧时血红素蛋白的合成是下降的。 血红素合成抑制剂不能阻止细胞对缺氧的反应 血红素蛋白的种类很多，那一个或一类起关键作用？
29
1.2 NAD(P)H氧化酶复合物学说
NAD(P)H oxidase (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-oxidase) : a membrane-bound enzyme complex. This enzyme belongs to the family of
13
1.氧感知细胞的分布
部位
氧摄取系统
氧运输系统 氧分配系统 氧利用系统
细胞
⑴气道神经上皮小体 ⑵肺动脉平滑肌和肺血管內皮细胞 ⑶颈动脉体和主动脉体
肾小管周间质细胞 血管平滑肌和内皮细胞 肾上腺嗜铬细胞 一般工作细胞
14
氧摄取系统氧感受细胞（A）
缺氧
气道神经上皮小体 （neuroepithelial body，NEB）
8
教学要求
了解：1.参与急、慢性缺氧反应的病理过程和反应方式； 2.氧感受器的本质和作用机制的几种假说。
理解：1．H2O2、Ca2+、蛋白激酶和HIF-1在低氧信号转导中的作用；
2．理解缺氧对细胞增殖的作用和缺氧时细胞增殖的机制； 3．理解缺氧诱导细胞凋亡和细胞坏死的触发因素和机制。
掌握： 氧感知、氧感知器、HIF-1和缺氧反应基因的概念 和种类。
1.哪个或哪种离子通道起主要作用？ 离子通道种类多：384？ 氧敏感的离子通道？
2.离子通道在不同细胞中表达种类均不同。 3.氧敏感钾离子通道是研究最多的，但其氧敏感的机制不清楚。
Proposed ion channel O2 sensing in NEB
39
1.5 氨基酸羟化酶学说
缺氧诱导因子 Hypoxia Inducible Factor，HIF
oxidoreductases, specifically those acting on NADH or NADPH with oxygen as acceptor.
Six subunits: 1. Rho guanosine triphosphatase (GTPase), usually Rac1 or Rac2 (Rac stands for Rhorelated C3 botulinum toxin substrate) 2. Five "phox" units. (Phox stands for phagocytic oxidase.)
胞
氧合酶等10%来自其它6Oxygen gradient around mitochondria
Intra-mitochondria: PO2: 3.8-22.5mmHg
PO2<2mmHg,inhibited PO2<1mmHg,blocked
7
本章教学内容
第一节 低氧感知 第二节 缺氧与基因表达 第三节 缺氧与细胞增殖 第四节 缺氧与细胞坏死和凋亡
神经递质；肽类和胺类物质
① 增强肺通气 ② 维持肺通气-血流比例 ③ 增强心功能
氧摄取能力增强
15
氧摄取系统氧感受细胞（B）
缺氧
肺动脉平滑肌 肺血管内皮细胞
肺血管收缩
维持肺通气-血流比例 氧摄取能力增强
Normal
Hypoxia
16
氧摄取系统氧感受细胞（C）
缺氧
PO2下降
主动脉体 和颈动脉体
CB:Carotid body
3
氧降阶梯
Air 150 mmHg 21% O2
Oxygen Gradients
3-22mmHg
Internal organs
Blood
Alveolar 110mmHg
Large arterial
100mmHg
Small arterial
Veins 40mmHg
Physiological oxygen concentration in vivo（Extracellular）
Fenton reaction and free radicals
(1) Fe2+ + H2O2 +H+ → Fe3+ + HO• + H2O (2) Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO• + H+
31
但是：
gp91-PHOX (contains heme)(Nox2) 突变，对颈动脉体缺 氧反应性没有影响
Cyt592：与O2的亲和力极低，其氧化还原转态对缺氧十分敏感。
34
但是：
ρ0细胞：去线粒体DNA的细胞
是指一类线粒体内DNA 缺失,无线粒体功能,依靠糖酵解存活的 细胞系。
线粒体DNA编码蛋白：
1.保持缺氧刺激反应
2.保持缺氧刺激的HIF表达
35
1.4 氧敏感离子通道学说
Corneille Heymans， Belgium
9
第一节 低氧感知 Oxygen Sensing Under Hypoxia
10
低氧感知（Oxygen Sensing）
指机体从器官、组织到细胞分子水平对低氧的感应及反应过程。
低氧感知的要素： 氧感知细胞 氧感知器（分子水平） 信号传递途径 效应或效应分子
11
急性反应和慢性反应
急性反应：快速反应体系 快反应细胞 功能变化，不伴随结构变化
Heyman 1938年的诺贝尔奖
36
1.4 氧敏感离子通道学说
离子通道氧感受机制
缺氧
抑制氧敏感 K+
膜去极化
电压门控Ca2+通道打开 钙离子内流
调动心肺功能
神经递质释放 神经中枢兴奋
Physiol Rev 2010; 90 :675-754
37
1.4 氧敏感离子通道学说
38
1.4 氧敏感离子通道学说
血红素蛋白 一系列含有卟啉环配体的蛋白质，如血红蛋白、细胞
色素aa3、p450、含细胞色素b558的辅酶Ⅱ氧化酶 （NADPH）等。 感受途径：
Ｏ2结合于血红素分子中央的Fe2+，引起血红素蛋白构 象变化发挥氧感受作用。
27
证据：
缺氧与 CoCl2、去铁剂处理之后， Hypoxia, cobalt chloride, and nickel chloride appear to stimulate Epo production through a common pathway:
40
41
1.5 氨基酸羟化酶学说
脯氨酸羟化酶 (PHD)
PHDs↓ HIFs↑
缺氧相关基因表达↑
Am J Respir Crit Care Med, 2011,183:152-156
42
1.5 氨基酸羟化酶学说
氨基酸羟化酶FIH降低HIF1α转录活性: 阻断p300的结合
32
1.3 线粒体学说
1.氧消耗的主要位点 2.ROS产生的场所 3.电子传递链（ETS）上有许多酶含 有血红素，如细胞色素 4.ETS抑制剂导致细胞缺氧 5.缺氧首先抑制线粒体电子传递链 功能，并引起内膜去极化，触发细 胞游离Ca2+增多和儿茶酚胺分泌增 多。
33
1.3 线粒体学说
ETS抑制剂主要作用于细胞色素
调节血管舒缩状态
血液重新分配
保证生命重要器官的氧供
20
氧利用系统氧感受细胞
缺氧
细胞
改变基因表达，如糖酵解增强 降低与细胞生存无关的机能活动
减少氧耗；提高氧的利用效率
21
Frontier field 皮肤能感知缺氧吗？
22
2. 氧感知细胞分类
根据缺氧对细胞膜电位的影响特性分类
种类
快反应 细胞
These O2 sensing tissues or cells seem to have two general features in common: (1) they have the capacity to directly transduce a hypoxic stimulus into a physiological response (2) there is little or no consensus regarding the actual mechanism that directly couples PO2 (or O2 concentration) to the initial effector response, i.e., the “O2 sensor.”
Large arterial
P02 50-60mmHg
Small arterial
P02 30-40mmHg
From Kerger H ,et al. Am J Physiol. 1996 Mar;270(3 Pt 2):H827-36
细胞内氧的利用（Intracellular）
线粒体
90%
羟化酶等 细
Normal
Hypoxia
慢性反应：结构变化 所有细胞 基因表达的变化
Normal
Hypoxia
Vascular remodeling
cardiac remodeling
12
一.氧感知细胞
机体缺氧反应体系 1、氧摄取系统：肺摄氧及肺血液氧合 2、氧运输系统：血液运载氧 3、氧分配系统：血流、血管的构型及功能状态 4、氧利用系统：细胞
Oxygen sensor
O2
24
1. 氧感受器 Oxygen sensor
1.1 血红素蛋白学说 1.2 NAD(P)H氧化酶复合物学说 1.3 线粒体学说 1.4 氧敏感离子通道学说 1.5 氨基酸羟化酶学说（脯氨酸羟化酶学说） 1.6 H2S ......
25
1.1 血红素蛋白学说
26
1.1 血红素蛋白学说
颈窦神经
呼吸中枢 呼吸加深加快
氧摄取能力增强
17
氧运输系统氧感受细胞
缺氧
肾小管周间质细胞
EPO生成增多 造血系统
红细胞生成增加
氧运输能力增强
18
氧分配系统氧感受细胞（A）
缺氧
血管平滑肌和内皮细胞
VEGF表达
血管增生 缩短氧的弥散距离
19
氧分配系统氧感受细胞（B）
缺氧
肾上腺嗜铬细胞 儿茶酚胺分泌增多
2. Further support is the finding that when heme synthesis is blocked, hypoxia-, cobalt-, and nickel-induced Epo production are all markedly inhibited.