《第三章高原缺氧的细胞及分子机制final》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章高原缺氧的细胞及分子机制final（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高原缺氧的细胞反应及分子机制,第三章,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,2,代偿性反应,细胞对高原低氧的反应,知识回顾,损伤性变化,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,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、,3,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 a
2、nd systemic physiology, including : Redox state Energy metabolism Cardiovascular Respiratory Neuroendocrine function Hematopoiesis,3-22mmHg,Oxygen Gradients,Blood,Internal organs,110mmHg,100mmHg,40mmHg,氧降阶梯,Physiological oxygen concentration in vivo（Extracellular）,Large arterial,Small arterial,P02 3
3、0-40mmHg,P02 50-60mmHg,From Kerger H ,et al. Am J Physiol. 1996 Mar;270(3 Pt 2):H827-36,6,细胞内氧的利用（Intracellular）,细胞,线粒体,羟化酶等,氧合酶等,其它,90%,10%,7,Oxygen gradient around mitochondria,Intra-mitochondria: PO2: 3.8-22.5mmHg,PO22mmHg,inhibited PO21mmHg,blocked,8,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
4、氧与细胞坏死和凋亡,9,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：1H2O2、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。,10,第一节 低氧感知 Oxygen Sensing Under Hypoxia,11,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（Oxygen Sensing）,低氧感知的要素：,氧感知细胞 氧感知器
5、（分子水平） 信号传递途径 效应或效应分子,12,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,慢性反应：结构变化 所有细胞 基因表达的变化,Normal,Hypoxia,Normal,Hypoxia,Vascular remodeling,cardiac remodeling,13,1、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,一.氧感知细胞,机体缺氧反应体系,These O2 sensing tissues or cells seem to have two genera
6、l 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.”,14,1.氧感知
7、细胞的分布,15,气道神经上皮小体 （neuroepithelial body，NEB）,氧摄取系统氧感受细胞（A）,增强肺通气 维持肺通气-血流比例 增强心功能,缺氧,氧摄取能力增强,神经递质；肽类和胺类物质,肺动脉平滑肌 肺血管内皮细胞,氧摄取系统氧感受细胞（B）,维持肺通气-血流比例,缺氧,氧摄取能力增强,肺血管收缩,17,主动脉体 和颈动脉体,氧摄取系统氧感受细胞（C）,呼吸加深加快,缺氧 PO2下降,氧摄取能力增强,颈窦神经,呼吸中枢,CB:Carotid body,18,氧运输系统氧感受细胞,肾小管周间质细胞,EPO生成增多,造血系统,红细胞生成增加,缺氧,氧运输能力增强,19,氧
8、分配系统氧感受细胞（A）,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,缺氧,20,氧分配系统氧感受细胞（B）,肾上腺嗜铬细胞,儿茶酚胺分泌增多,调节血管舒缩状态,血液重新分配,缺氧,保证生命重要器官的氧供,21,氧利用系统氧感受细胞,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,缺氧,减少氧耗；提高氧的利用效率,22,皮肤能感知缺氧吗？,Frontier field,23,2. 氧感知细胞分类,主动脉体和颈动脉体，肾上腺嗜铬细胞，气道神经上皮细胞,快反应细胞,慢反应细胞,快,慢,整体或局部性,多为细胞自身,分泌神经递质或体液因子,基因表达的变化,举例,种类
9、,反应速度,影响,作用方式,机体的绝大多数细胞，如骨骼肌,根据缺氧对细胞膜电位的影响特性分类,24,二、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？,Oxygen sensor,O2,25,1. 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 ,26,1.1 血红素蛋白学说,27,1.1 血红素蛋白学说,血红素蛋白 一系列含有卟啉环配体的蛋白质，如血红蛋白、
10、细胞色素aa3、p450、含细胞色素b558的辅酶氧化酶（NADPH）等。 感受途径： 2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。,28,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: 1. The inhibition of Epo production at low partial pressures of oxygen by carbon monox
11、ide provides evidence that a heme protein is integrally involved in the oxygen-sensing mechanism. 2. Further support is the finding that when heme synthesis is blocked, hypoxia-, cobalt-, and nickel-induced Epo production are all markedly inhibited.,29,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
12、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？,30,1.2 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 oxidoreductases, specifically those acting on NADH or NADPH with oxygen as acceptor.,Six subunits:
13、 1. Rho guanosine triphosphatase (GTPase), usually Rac1 or Rac2 (Rac stands for Rho-related C3 botulinum toxin substrate) 2. Five “phox“ units. (Phox stands for phagocytic oxidase.) gp91-PHOX (contains heme)(Nox2) p22phox p40phox p47phox p67phox,31,1.2 NAD(P)H氧化酶复合物学说,Substrates: NADH, NADPH, H+, an
14、d O2 Products:NAD+, NADP+, and H2O2.,(1) Fe2+ + H2O2 +H+ Fe3+ + HO + H2O (2) Fe3+ + H2O2 Fe2+ + HOO + H+,Oxygen-dependent chemical reaction,Fenton reaction and free radicals,32,但是：,gp91-PHOX (contains heme)(Nox2) 突变，对颈动脉体缺氧反应性没有影响,33,1.3 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
15、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。,34,ETS抑制剂主要作用于细胞色素,1.3 线粒体学说,Cyt592：与O2的亲和力极低，其氧化还原转态对缺氧十分敏感。,35,但是：,0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。,1.保持缺氧刺激反应 2.保持缺氧刺激的HIF表达,线粒体DNA编码蛋白：,36,Corneille Heymans，Belgium,Heyman,1.4 氧敏感离子通道学说,1938年的诺贝尔奖,37,离子通道氧感受机制,缺氧,神经中枢兴
16、奋,神经递质释放,钙离子内流,电压门控Ca2+通道打开,膜去极化,抑制氧敏感 K+,调动心肺功能,1.4 氧敏感离子通道学说,Physiol Rev 2010; 90 :675-754,38,1.4 氧敏感离子通道学说,39,1.4 氧敏感离子通道学说,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,40,1.5 氨基酸羟化酶学说,缺氧诱导因子 Hypoxia Inducible Factor，HIF,41,42,脯氨酸羟化酶 (PHD),Am J Respir Crit Care Med, 2011,183:152-156,1.5 氨基酸羟化酶学说,43,氨基酸羟化酶FIH降低HIF-1转录活
