药理学教研室

《细胞信号转导与调控》

Ca2+介导的信号转导途径——以硝苯地平为例

首页注释：唐慧勤，广西中医药大学，通过上市药物硝苯地平的开发研究过程，深刻理解和掌握细胞信号与调控过程，通过分子层面了解药物的作用机制。本案例来源于文献报道，真实可靠。

   中文摘要及关键词：生物体内的细胞间通讯是实现生命活动的基础。细胞信号传导是一种通过生物分子进行信息交流的过程，包括上下游信息传递细胞内信息传递等多个方面。信号转导的机制和调控是细胞信号传导研究的基础和核心。Ca2+作为第二信使，在调节平滑肌收缩松弛过程中起关键作用。现代药理学认为，当神经冲动到达神经末梢时，产生动作电位使肌细胞膜去极化，此时细胞膜通透性发生改变，Ca2+内流。当细胞内Ca2+浓度增高时，Ca2+作为激活剂与钙调素（Calmodulium，CaM）结合，此复合体激活肌球蛋白轻链激酶（Myosinkinase），引起肌球蛋白轻链磷酸化，磷酸化的肌球蛋白与肌动蛋白结合，使平滑肌收缩；Ca2+水平下降时，磷酸化的肌球蛋白分子去磷酸化，平滑肌松弛。Ca2+拮抗剂又称钙通道阻滞药(calcium channel blockers)，能抑制跨膜Ca2+内流及细胞内的Ca2+释放，降低细胞内的游离Ca2+浓度及其利用率，抑制ATP酶的活性，降低心肌收缩力，使平滑肌松弛，血管扩张，降低外周血管阻力。临床上Ca2+拮抗剂主要用于治疗高血压、心绞痛、心律失常等。

关键词：Ca2+；细胞信号；第三信使；二氢吡啶类药物

   引言或开头：细胞信号转导是指细胞外因子通过与受体(膜受体或核受体)结合，引发细胞内的一系列生物化学反应以及蛋白间相互作用，直至细胞生理反应所需基因开始表达、各种生物学效应形成的过程。现已知道，细胞内存在着多种信号转导方式和途径，各种方式和途径间又有多个层次的交叉调控，是一个十分复杂的网络系统。在这一系统中，细胞或者识别与之相接触的细胞，或者识别周围环境中存在的各种信号(来自于周围或远距离的细胞)，并将其转变为细胞内各种分子功能上的变化，从而改变细胞内的某些代谢过程，影响细胞的生长速度，甚至诱导细胞的死亡。所以，阐明细胞信号转导的机理就意味着认清细胞在整个生命过程中的增殖、分化、代谢及死亡等诸方面的表现和调控方式，进而理解机体生长、发育和代谢的调控机理。

背景介绍：硝苯地平于1969年由德国拜耳公司研制成功，是第一个二氢吡啶类的钙拮抗剂，1975年用于治疗冠心病心绞痛，并取得了令人满意的疗效。1980年开始用于治疗高血压以来，也取得了显著疗效，为钙拮抗剂作为基本降压药奠定了基础，也为研制新一代钙拮抗剂立下了汗马功劳。是20世纪80年代中期世界最畅销的药物之一。硝苯地平进入中国的历史已经有20余年，确切的降压作用令数亿高血压患者受益终身。正是短效硝苯地平强势的降压作用，对危重的3级高血压患者发挥了至关重要的作用，因而被列入了《高血压防治指南》

内容：磷脂酶途径激活细胞膜上磷脂酶C(PLC)，催化质膜磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）水解，生成三磷酸肌醇（IP3）和甘油二酯（DG）。IP3促进肌浆网或内质网储存的Ca2+释放。Ca2+可作为第二信使启动多种细胞反应。Ca2+与钙调蛋白结合，激活Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶或磷酸酯酶，产生多种生物学效应。DG与Ca2+能协调活化蛋白激酶C（PKC）。硝苯地平是第一个二氢吡啶类的钙拮抗剂，能抑制跨膜钙内流及细胞内的钙释放，降低细胞内的游离钙浓度及其利用率，抑制ATP酶的活性，降低心肌收缩力，使平滑肌松弛，血管扩张，降低外周血管阻力。

1.       二氢吡啶类药物的结构特点

2.       其他类拮抗剂药物

还有苯基烷胺类，如普尼拉明(prenylamine)、维拉帕米(verapamil);苯并硫卓类，如地尔硫卓(diltiazem);哌嗪类，如桂丙齐特(cinpropazide)等也均选择性的阻滞心肌细胞膜上Ca2+载体，阻止Ca2+进入胞质，减慢心率和降低心肌耗氧量，已成为一类高效低毒的冠心病防治药物。

    3. Ca2+增敏剂

目前除发现抗菌药物A23187具有Ca2+载体性质外，还设计合成了一系列离子载体多环化合物，它们均具有多氧原子排成一定空间骨架的分子，这种骨架由于其空间大小和极性离子吸引力，选择性地将一定的阳离子包裹起来，借助于外周的非极性，可使离子透过类脂物质的细胞膜。已经药理试验的Ca2+载体如X-537A由于促进Ca2+进入心肌细胞，可增加心排血量，具有强心作用，也可用于某些金属中毒的急救。

    小结：Ca2+内流。当细胞内Ca2+浓度增高时，Ca2+作为激活剂与钙调素（Calmodulium，CaM）结合，此复合体激活肌球蛋白轻链激酶（Myosinkinase），引起肌球蛋白轻链磷酸化，磷酸化的肌球蛋白与肌动蛋白结合，使平滑肌收缩；Ca2+水平下降时，磷酸化的肌球蛋白分子去磷酸化，平滑肌松弛。根据不同的疾病，调控Ca2+的进出，研发不同的药物。

案例教学指导手册

《调控Ca2+对细胞信号的影响》

一、教学目的与用途

1.适用课程：《细胞信号转导与调控》

2.适用专业：中药学专业硕士

3.教学目标：掌握调控Ca2+对细胞信号的影响。

二、                      教学内容：

1.细胞通讯的分子基础

2.主要细胞信号转导途径

3.细胞信号转导过程的基本规律

4.Ca2+在钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径中的功能

5.对调控Ca2+进出的思考

三、启发思考题：

1. 二氢吡啶类药物对Ca2+是直接作用还是间接作用？

2. 二氢吡啶类药物的结合位点在细胞膜外侧还是内侧？这与它的什么性质有关？

3. 二氢吡啶类药物为什么对血管的抑制作用强，而对心脏的抑制作用弱？与苯基烷胺类、苯并硫卓类进行比较。

四、建议课堂计划： 

本教学案例设计选取真实药物开发案例，将二氢吡啶类药物的开发过程真实还原到课堂教学过程中，让学生在课堂中仿佛参与药物的筛选、优化过程，从专业型硕士研究生的思维进行药物作用机制的分析，从而掌握相关细胞信号转导与调控的知识点。过程如下：

1.课前教师可通过网络教学平台向学生发布学习任务，要求学生首先课前预习课本《细胞信号转导与调控》的概论部分，其次通过查阅文献，以思维导图的形式归纳细胞信号转导的途径，尤其以钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径做重点详细的描述。

2.课中,教师授课时可使用配套的案例幻灯片或相关视频进行教学，第一部分为基础知识学习部分，以展示和问题为主导，帮助学生建立细胞信号转导的基本知识体系，引导学生思考细胞信号的改变对机体生理病理的影响，由老师解读细胞信号调控的意义。第二部展示调控Ca2+的药物二氢吡啶类开发的背景与过程，并提出问题引发同学们思考：①二氢吡啶类药物对Ca2+是直接作用还是间接作用？②二氢吡啶类药物的结合位点在细胞膜外侧还是内侧？这与它的什么性质有关？③二氢吡啶类药物为什么对血管的抑制作用强，而对心脏的抑制作用弱？与苯基烷胺类、苯并硫卓类进行比较。随后学生分组讨论分析，对问题作出解答。由老师对学生的答案做出评价，并总结西地那非对细胞信号转导途径影响的意义。第三部分为案例延伸讨论与答疑:①二氢吡啶类药物药效的强弱和毒副作用与什么有关②对细胞信号转导与调控过程进行逆向思维，Ca2+增多会引起什么生理或病理变化?③促进Ca2+内流的药物有哪些临床应用?引导学生进行逆向思考。

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