一氧化氮生物系统及其药理作用PPT课件

1 一氧化氮生物系统及其药理作用 第二节NO供体药物 2 一氧化氮 NO 是具有高度反应性的自由基 在体内经NO合酶催化 从L 精氨酸产生 NO作为细胞信使 介导环磷鸟苷 cGMP 生成的增加 发挥生物学作用 3 一 NO的生物学特性 一 NO的生成 第一步反应 NOS NO合成酶 接受NADPH提供的电子 使酶分子中的FAD FMN还原 在Ca2 CaM 钙调蛋白 和O2的协助下 使L 精氨酸末端胍氨基的氮原子羟化 形成中间产物N 羟基 L 精氨酸 NHA 第二步反应 NHA在NADPH和四氢蝶呤的协助下进一步氧化 生成NO和胍氨酸 图9 1 黄素单核苷酸 FMN 或黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 其中FMN以非共价键与蛋白质相连接 而FAD则可以共价键或以非共价键与蛋白质相连接 NADPH是一种辅酶 叫还原型辅酶 学名烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸 在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用 具有重要的意义 钙调蛋白只有在与Ca2 结合后才有活性 活性Ca2 CaM复合物可以通过与靶酶作用方式调控代谢过程 即Ca2 CaM复合物与靶酶 如磷酸二酯酶 蛋白激酶等作用 使靶酶构象发生变化 Ca2 作用结果 而活化 从而对代谢过程起调控作用 与钙结合后 CaM发生构型上的变化 成为一些酶的激活物 再与酶结合时 又引起酶的构型变化 使由非活性态转为活性态 CaM Ca2 成了这些酶作用时必不可缺的成分 CaM参与的生化反应很多 涉及不少关键性的酶 4 N 羟基 L 精氨酸 精氨酸 Arginine 的生理功能 精氨酸不仅是蛋白质合成的重要原料 同时也是体内多胺和NO等物质的合成前体 在动物体营养代谢与调控过程中发挥着重要作用 6 二 NO的代谢很快被氧化代谢 半衰期3 5s 代谢产物为硝酸根和亚硝酸根 NO还可与亚铁血红素和 SH键结合而失活 7 二 NO的信号转导机制 内皮 内皮依赖性血管舒张 乙酰胆碱组胺凝血酶三磷酸腺苷等 硝基血管扩张剂 平滑肌 心钠素 1 肌球蛋白 收缩 扩张 心房肽 心房肽又称心房利纳因子 一种内分泌激素 存在于心房肌细胞内的颗粒中 调节机体水平衡和影响血压 心纳素由21 28个氨基酸组成 分为I II III和人 心房肽 心房肽以无活性中心房肽原形或贮存于心房肌细胞颗粒中 当心房感受到钠量增加等刺激时 通过酶降解 生成具有生物活性的心房肽 心纳素的主要生物学作用有 作用于肾脏 有排钠 利尿作用 抑制肾上腺释放醛固酮 a1dosterone 松弛平滑肌 减少抗利尿激素的释放 激酶 P蛋白 P protein 即韧皮蛋白 位于筛管的内壁 当韧皮部组织受到损伤时 P 蛋白在筛孔周围累积并形成凝胶 堵塞筛孔以维持其他部位筛管的正压力 同时减少韧皮部内运输的同化物的外流 8 三 NO生成的调节 9 精氨酸 NO通路可被L 精氨酸拟似物及其他化合物抑制 最常用的NOS抑制剂为N 单甲基 L 精氨酸 N monomethyl L arginine L NMMA 拟似精氨酸胍基部分的非氨基酸化合物也能抑制NOS 如氨基胍 aminoguanidine 这些抑制剂常被作为NO生物学研究工具药 其中对iNOS有选择性抑制作用的一些药物有临床应用前景 表9 3 10 表9 3常用NOS抑制剂与NO sGC汇抑制剂 11 表9 3常用NOS抑制剂与NO sGC汇抑制剂 续 12 表9 3常用NOS抑制剂与NO sGC汇抑制剂 续 13 表9 3常用NOS抑制剂与NO sGC汇抑制剂 续 14 一 NO的灭活 NO可被体内多种物质如超氧阴离子 血红素 各种含铁血红素酶巯基化合物灭活 半衰期仅数秒 故仅限于局部发挥作用 15 内源性NOS抑制物及其代谢酶系统 内源性抑制物 非对称二甲基精氨酸 asymmetricdimethylarginie ADMA 和N 单甲基 L 精氨酸 L N nitro argininemethylester L NAME 内源性抑制物在调节体内NO合成中起关键作用 16 代谢酶系统 蛋白精氨酸甲基转移酶 PRMT 催化 S 腺苷甲硫氨酸为甲基供体 催化蛋白或多肽中的精氨酸残基甲基化 最后经蛋白酶水解而产生ADMA PRMTI催化产生非对称二甲基精氨酸 ADMA PRMTII催化产生对称性二甲基精氨酸 SDMA SDMA不具抑制NOS生物活性 17 代谢酶系统 ADMA经二甲基精氨酸二甲胺水解酶 DDAH 水解成胍氨酸和二甲胺 18 图9 2细胞内NO合成调节系统 L 精氨酸O2 NOS NO ADMA L 胍氨酸和二甲胺 DDAH 19 二 NO的生物学作用及其机制 NO是具有高度反应性的自由基 在体内广泛存在 为一种细胞信号分子 20 一 作为化学介质调节心血管系统 NO生物学效应主要通过提高环磷鸟苷 cGMP 水平来实现 NO与其靶酶 可溶性鸟苷酸环化酶 sGC 上亚铁血红素的亚铁基结合 sGC变构激活 在Ca2 参与下 催化三磷酸鸟苷酸环化为cGMP 21 1 维持血管平滑肌紧张度 1 血管松弛 NO即为EDRF 在化学或血管张力剌激下 血管内皮生成NO 进入相邻的平滑肌细胞后 cGMP水平升高 激活下游蛋白激酶 最终引起肌球蛋白的轻链去磷酸化 引起血管平滑肌松弛 NO与内皮素 endothelins 保持动态平衡 若血管内皮受损或功能缺陷 eNOS活性低下 则NO合成减少 内皮素的缩血管作用相对占优势 22 2 控制血管有关的血流动力学特性 红细胞在肺中被氧化 血红蛋白亚硝基化 并在血流中循环 在动 静脉运输中释放NO基团 血红蛋白的这种变构和带电子性质 与调节血管 控制血压及高效地将氧送到组织有关 这种血红蛋白 NO 相关活性传递 显示S 亚硝基血红蛋白可能有治疗意义 23 3 调节离子通道开放 K 通道被NO打开 是心外膜较大冠脉舒张的主要原因 在基底动脉 NO可降低L 型Ca2 通道开放 从而控制血管紧张度 24 4 血管紧张素相互作用 在高血压大鼠 观察到NO通过两种方式与血管紧张素相互作用 一是在平滑肌水平抑制对方的直接作用 二是通过增加对方合成与释放 而间接增强对方的作用 从而控制血管紧张度及全身循环 25 2 抑制心肌收缩力 心肌中存在eNOS和iNOS 通过cGMP 激活蛋白激酶G 降低心肌L型钙电流 从而降低收缩力 改变心肌收缩蛋白对Ca2 的亲和力 激活cAMP磷酸二酯酶 降低细胞内cAMP水平 NO代谢为过氧亚硝基阴离子 ONOO 使心肌收缩蛋白硝基化 26 3 对心肌细胞凋亡的调控 促凋亡和抗凋亡双重作用 NO代谢为过氧亚硝基阴离子 ONOO 直接促进调亡 通过其他途径诱导凋亡 通过上调Bcl 2表达 抑制L型钙通道 阻止细胞色素C释放 caspasS 亚硝酰基化来阻止调亡发生 27 4 抑制血小板聚集和粘附 血管内皮持续合成NO至血管腔内表面 血小板本身也能合成NO 抑制血小板在血管内皮聚集和粘附 有抗血栓形成作用 NO的这种生物学效应 在不影响血压的生理浓度时就十分显著 具有临床应用前景 28 5 抑制血细胞黏附 NO能抑制P 选择素介导的中性粒细胞的黏附作用 抑制黏附分子CD1 CD18等的表达等 29 6 调节血管平滑肌细胞增生 NO能抑制血管内皮细胞合成胶原蛋白 抑制血管平滑肌细胞的增殖 故有抑制血管损伤初期的血管平滑肌过度增生作用 30 7 促进血管增生 NO在血管内皮生长因子 VEGF 下游介导其促血管生成作用 NO还在上游促进VRGF表达增强 31 8 清除氧自由基 3NO O2 H2O3NO 2H 当NO增多时 通过清除自由基而抑制细胞膜脂质过氧化 32 二 NO与心血管系统疾病 33 1 心脏发育不良 NO调控胚胎心脏发育 eNOS敲除小鼠模型易发生主动脉 二尖瓣畸形 34 2 动脉粥样硬化 危险因素使ADMA经二甲基精氨酸二甲胺水解酶 DDAH 减少 减少NO合成 O2 增加 损伤血管 35 3 高血压 高血压的形成是一个复杂的病理生理过程 一旦内皮细胞促进血管收缩的因子释放增加 如内皮素 AngII等 而NO不能相应增加时可能导致高血压的发生和发展 36 4 缺血再灌注损伤 再灌注时 O2 增加并和NO生成ONOO 产生细胞膜脂质过氧化 导致NO释放减少 引起血小板黏附 聚集 冠脉流量减少 缺血加重和收缩功能障碍 炎症时iNOS活化 产生过量NO 生成ONOO 而加重细胞膜损伤 37 三 eNOS和DDAH遗传多态性与心血管疾病 eNOS基因G894T和T786C突变以及4ab多态性与冠心病发生有关 二甲基精氨酸二甲胺水解酶 DDAH 基因也被认为是一个心血管疾病相关基因 38 四 NO与神经系统 39 1 中枢神经系统 中枢神经系统存在精氨酸 NO通路 主要分布在小脑 上下丘脑 嗅球的粒细胞层 大脑皮质 海马 垂体后叶和视网膜的自主神经纤维 脑血管和胶质细胞的eNOS和iNOS也生成NO 对脑血流及炎症反应起调节作用 40 NO在中枢所起的生物学作用主要有以下几个方面 1 NO作为一种神经信息传递物质 参与新的记忆形成 但不影响对记忆的保持 NO还是一种特异的逆行信使 强化突触前谷氨酸释放 在此处nNOS的活化 与N 甲基 D 天冬氨酸 NMDA 型谷氨酸受体有关 随着突触后NMDA受体的活化 激活Ca2 内流 从而激活nNOS 合成释放NO 产生的NO扩散至突触前末梢并活化sGC 使得cGMP水平升高 增加谷氨酸释放 这在海马和纹状体尤为明显 海马的长时程增强 long termpotentiation LTP 是一种长期突触调节形式 NO作为一种扩散信号 将LTP扩散至相邻神经元的突触 41 2 影响中枢神经递质的释放NO供体可诱导皮层神经原GABA或AChde释放在海马可促进去甲肾上腺素的释放在纹状体可增加多巴胺的基础释放 42 3 对NMDA N 甲基D 天门冬氨酸 N methyl D aspartate 受体通道的调解作用在中枢神经系统中 广泛存在着NMDA受体 NMDA受体的兴奋与抑制不仅与神经元本身的生长和突触的塑造有关 而且还与大脑的认知功能 大脑的发育以及中枢神经系统损伤时神经细胞的死亡或凋亡有关NO供体药物可使NMDA受体电流减少 43 4 对脑血流的调节作用维持脑血管的舒张状态脑局部区域血流量调节缺血时NO短暂增高 可对抗缺血损伤 44 5 参与一些行为调节 下丘脑是中枢最富含NOS的区域之一 其中室旁核中NOS的活性正常与否 与阴茎勃起及哈欠等行为有关 鉴于吗啡作用于室旁核 受体 可拮抗阿朴吗啡和缩宫素诱导的阴茎勃起和哈欠 表明吗啡的作用是由于下丘脑室旁核中NO的一种下调的活性所介导的 45 6 维持与强化痛觉脊髓浅表及背侧根神经节存在NOS 该处局部产生的NO与脊髓感受神经元对疼痛感觉过程有关 来自外周纤维记录痛觉和异位冲动发放 通过脊髓NMDA N methyl D aspartatereceptor 受体活化或延伸传人的输入 产生痛觉强化 46 7 对自主神经的作用通过参与前列腺素介导的交感神经的活化作用 中枢NO尚能抑制外周迷走神经引起的胃酸分泌作用 47 8 对神经原的细胞毒性作用在许多病理情况下 NO可造成或加重神经元的损伤和死亡 nNOS敲除小鼠在脑梗死模型中 脑梗死体积比正常小鼠下降40 48 2 外周神经系统 外周植物神经中 有一类能表达nNOS的非肾上腺素非胆碱 NANC 能神经 其突触前末梢合成释放的NO 作为神经递质可对许多NANC能神经支配的器官产生特殊的生理作用 49 1 调节胃肠道功能 胃肠道肠肌层NANC神经去极化 释放的NO作为神经递质 可产生与胃肠道蠕动有关的松弛 50 2 调节呼吸道功能 在人类呼吸道 NO作为一种抑制性递质 起着重要的调节作用 NANC能神经释放NO不仅能松弛气道平滑肌 还能抑制胆碱能神经释放乙酰胆碱 胆碱能神经过多释放乙酰胆碱是支气管哮喘中气道高反应性的重要机制之一 51 3 调节生殖泌尿道功能 分布至阴茎的盆神经丛含有高浓度的nNOS NO是调节阴茎勃起的NANC能神经递质 其机制是NANC能神经纤维Na 通道活化 释放NO引起阴茎海绵体松弛 血液流入而导致阴茎勃起 52 4 胰岛素分泌过程的重要调质 内分泌细胞和胰岛神经中有NOS活性 NO是胰岛素分泌的抑制性调质 体内S 亚硝基硫醇的形成 改变了 细胞关键的细胞内和 或膜巯基的平衡 生理量的自由基NO和H2O2决定着体内还原型和氧化型谷脱甘肤 GSH GSSG 比值降低或升高 在胰岛素分泌过程中起重要的调节作用 53 5 抑制嗜铬细胞释放儿茶酚胺 乙酰胆碱或去极化可引起嗜铬细胞释放儿茶酚胺及钙内流 肾上腺嗜铬细胞和内皮细胞间存在功能上的相互作用 并存在与之有关的NO 鸟苷酸环化酶通路 嗜铬细胞邻近的内皮细胞及神经末梢中的心房利钠肽和NO 能通过鸟昔酸环化酶活化 并抑制Ca2 经由电压活化的钙内流 介导cGMP 依赖性蛋白激酶 PKG 的活化作用 增进与递质释放有关的突触囊泡蛋白磷酸化 从而抑制乙酰胆碱或去极化等促进的儿茶酚胺释放 54 二 NO与神经系统疾病 1 脑缺血缺血后eNOS表达增多 具有调节局部血流 改善循环的作用 缺血时nNOS活性增加 与介导缺血早期神经元的坏死有关 55 2 蛛网膜下腔出血蛛网膜下腔出血后脑血管痉挛的发生率高达31 6 60 这种脑血管痉挛与血管外膜NOS缺乏 活性降低以及L 精氨酸减少有关 56 3 偏头痛偏头痛的发作过程中存在L 精氨酸 NO cGMP途径 NO供体硝酸甘油可诱发或加重偏头痛NOS抑制剂L NMMA可明显减轻偏头痛的发作 57 4 其它与NO相关的神经系统疾病阿尔兹海默病帕金森病癫痫亨廷顿病 亨廷顿病 OMIM143100 是一种常染色体显性遗传病 其发病率为1 10000 大部分患者发病年龄在二十多岁 典型的亨廷顿病的临床症状有 进行性舞蹈样徐动症 强直 痴呆 通常伴有癫痫 在舞蹈病出现大约十年前患者可表现为精神和行为异常 经X射线衍射可见尾状核特征性的萎缩 本病的分子基础是位于4p16 3的IT15基因编码区多态性位点CAG重复序列增加超过其正常变化范围所致 肌萎缩侧索硬化症 多发性硬化症 肌病 脑炎 脑脊髓损伤 58 三 NO供体的临床应用前景 NO对心血管系统及神经系统的作用 具有广泛的医用价值及开发前景 由于NO在体内半衰期极短 仅数秒钟 一般仅起局部作用 而且 吸入NO给药的途径不方便 故开发有临床实用价值的NO供体 既可作为一种NO体内的运输形式 又可作为一种贮存形式 明显延长半衰期 现已有几类不同结构的NO供体用于临床 在治疗多种疾病中起重要作用 59 一 NO供体药物的分类 NO供体是指具有能释放NO的不同结构的化合物 它们的化学活性取决于相关氮原子的氧化状态 它控制着生理性转化NO 一种 2价的氧化状态 的速率与程度 由于各类NO供体的化学结构和反应各不相同 它们要呈现生物学活性就需要种类各异的酶系统 表9 4 因此 产生的作用也不尽相同 例如 有机硝酸酯类为选择性降低心脏前负荷的静脉舒张剂 而硝普钠则对动静脉血管的舒张作用相等 该差异可能系血管不同部位酶活性表达不同 或由于体内硝普钠主要为非酶产生NO 因而更易均匀分布而致 60 表9 4NO供体药物的分类及特征 61 表9 4NO供体药物的分类及特征 续 62 表9 4NO供体药物的分类及特征 续 63 表9 4NO供体药物的分类及特征 续 a 结构中不含NO 经代谢后末端呈R N N O 64 二 NO供体药物的药理作用及临床应用前景 65 1 全身血液动力学作用 NO供体用于心血管疾病的治疗已有很长历史 目前硝酸甘油及其他有机硝酸酯类仍在心绞痛治疗占主要地位 各种可供临床使用的NO供体也可用于急性心肌梗塞 急慢性充血性心功能不全及外科血压控制 66 1 心绞痛控制 常用有机硝酸酯类 由于其在低剂量时以降低心脏前负荷占优势 因而选择性降低心室璧张力 缓解心舒期冠脉受压 增加心内膜下血流分布 而对心脏输出量几乎无影响 使其区别于其他NO供体 此外 硝酸酯类还可选择性扩张较大的冠脉交通支 故使血流更易流至心肌缺血区 并增加侧支循环 这种独特的作用可能与局部血管代谢生成NO的差异或辅助因子 巯基 丰富有关 67 2 急性心肌梗塞 不同的NO供体 由于其不同的血管活性 对治疗急性心肌梗塞也有较重要的血流动力学差异 硝酸甘油静脉给药 可获多种益处 如减小梗塞区 改善局部和左室功能 减少重建 降低医院内并发症和住院一年内死亡率 但硝普钠却仅通过降低后负荷而减少心肌耗氧量 故对伴有高血压和心肌缺血的患者可能获益 对血压正常患者 可因降低后负荷而促进冠脉 窃流