生物物理学报2012年3月第28卷第3期: ACTA BIOPHYSICA SINICA Vol.28No.3Mar.2012:173-184 173-184———性质与功能黄波，陈畅中国科学院生物物理研究所，北京100101收稿日期：2012-01-16；接受日期：2012-02-08基金项目：“973”计划项目(2012CB911000)通讯作者：陈畅，电话：(010)64888406，E-mail：changchen@摘要：一氧化氮(nitric oxide，NO)是第一个被发现的参与细胞信号转导的气体信号分子。

NO参与的生命活动非常广泛，在神经、免疫、呼吸等系统中发挥着重要作用。

很久以来，一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）被认为是人体内合成NO的主要途径，其活性受到严格的调控。

直到最近，人们才发现亚硝酸盐（nitrite,NO2－）也可以参与体内NO的合成。

本综述总结NO的相关性质与功能，并简介亚硝酸盐的研究进展。

关键词：一氧化氮；一氧化氮合酶；亚硝酸盐；巯基修饰中图分类号：Q58DOI：10.3724/SP.J.1260.2012.20007引言一氧化氮(nitric oxide，nitrogen oxide，NO)是由氮和氧两个原子构成的非常简单的小分子。

在自然界中，NO产生于闪电、核爆炸等高能反应，也可通过汽车尾气排放。

1985年，人们第一次发现南极高空臭氧层存在空洞时，除了氯溴化物之外，NO也是破坏臭氧层的元凶之一。

过去，人们一直认为NO是一种大气污染物，其实，血管内皮细胞也产生NO，并具有与内皮细胞松弛因子EDRF(endothelium-derived relaxing factor)相同的生物活性[1]。

NO是第一个被发现的参与体内信号转导的气体信号分子，在神经系统、免疫系统、心血管系统等方面都发挥着重要作用。

1998年的诺贝尔生理学和医学奖就授予了三位研究NO生物学作用的先驱科学家。

NO的基本性质了解NO的物理化学性质对理解NO的生物学功能非常重要。

纯净的NO在常温常压下是一种无色的气体，熔点－163.7℃，沸点－151.8℃，在空气中可很快与氧反应生成棕色的NO2。

NO不带电，微溶于水(1.9mmol/L·atm，298K)，具有脂溶性(在疏水性溶剂中的溶解度是在水溶液中的70多倍)，是一种两性分子。

173anion，NO－)或亚硝酰基阳离子(nitrosyl cation,nitrosonium cation，NO+)的形式存在并发挥作用[2]。

NO可与NO2反应生成N2O3，也可以与超氧阴离子自由基O2·－反应生成过氧亚硝基ONOO－。

除了NO相关的氮氧化物衍生物外，NO还可以与其它分子生成不同的化合物，按照成键的类型可以分为以C-、N-、O-、S-及金属为中心的衍生物。

其中，与蛋白质相关的修饰包括蛋白质巯基的亚硝基化(Cys-NO，SNO)、色氨酸的亚硝基化(Trp-NO)和蛋白质酪氨酸硝化(Try-NO)。

此外，NO及其衍生物还能进行DNA氧化和脂肪酸修饰。

2NO的内源性生成哺乳动物体内NO的产生有几种途径，主要包括：通过一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS，EC1.14.13.39)催化产生NO，以及利用去氧血红蛋白或利用共生细菌中的亚硝酸还原酶(nitrite reductase，NiR)还原亚硝酸盐产生NO。

NOS介导的NO合成以L-精氨酸(L-arginine)为底物，在氧气(O)和NADPH存在下，由NOS催化，经2过中间产物鸟氨酸(L-ornithine)产生L-胍氨酸(L-citrulline)和NO。

NOSL-Arginine＋O2＋NADPH→L-Citrulline＋NO＋NADP＋哺乳动物体内的NOS有三种不同亚型：1)神经型NOS(NOSⅠ或nNOS)；2)诱导型NOS(NOSⅡ或iNOS)；3)内皮型NOS(NOSⅢ或eNOS)[3,4]。

除此之外，线粒体中含有的NOS被认为是一种新的NOS(mtNOS)，不过还没有找到确切的基因定位。

人源nNOS、iNOS和eNOS各自的基因依次定位于人12、17和7号染色体上。

nNOS和iNOS定位在胞浆，eNOS却存在于高尔基体膜和细胞质膜。

每种NOS都有组织特异表达的特性。

nNOS在非神经细胞中也有表达，比如呼吸道上皮细胞。

从功能上可把NOS分为组成型(cNOS：包括nNOS和eNOS)及诱导型(iNOS)两种。

cNOS是Ca2+和钙调蛋白依赖的酶，在特异的激动剂下，cNOS可在几秒内产生fmol(10－15mol)或pmol(10－12mol)水平的NO。

nNOS的表达受到不同生理和病理条件的动态调控。

nNOS mRNA的上调可能代表了神经元细胞对很多物理、化学条件及生物试剂(如热、电、光和过敏原)的一种普遍反应；nNOS表达的升高一般与转录因子(如c-jun和c-fos)的共诱导相关。

iNOS亚型是在翻译前被调控的，可被促炎症细胞因子〔如TNF-α(tumor necrosis factor-α)、IL-2、巨噬细胞移动抑制因子MIF(migration inhibitory factor)、INF-γ(interferon-γ)和IL-1β(interleukin-1β)等〕诱导，也可被IL-4、IL-10、PDGF(platelet-derived growth factor)、胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor1)、凝血酶(thrombin)、地塞米松(dexamethasone)、视黄酸和PKC抑制剂等抑制。

iNOS在被诱导后的几个小时内可释放大量的NO(nmol水平)，而且可174ACTA BIOPHYSICA SINICA｜Vol.28No.3｜Mar.2012NOS的活力受到包括底物、辅酶、激活剂、蛋白修饰和空间分布调节等在内的多层次精确调控，从而保证NO在细胞内适量、适时和适位地产生，进而精确地参与细胞功能的调控。

哺乳动物体内的精氨酸酶(L-arginase，L-arginine amidinohydrolase，EC 3.5.3.1)可催化精氨酸水解为鸟氨酸和尿素。

L-arginase病理性的升高会导致NO的缺乏，进而导致动物出现气道高反应性[6]。

在组织中使用L-arginase抑制剂NOHA(Nω-hydroxy-L-arginine)预处理，可以抑制过敏原诱导的气道高反应性。

有意思的是，NOHA是NO生物合成的一个中间产物。

受脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)刺激的大鼠肺泡巨噬细胞可以产生大量的NOHA，而NOHA对L-arginase的抑制可以保证在活化的巨噬细胞中有NO的高产出，这对于杀死微生物是非常重要的。

另一方面，NO的高产出对细胞是有毒的，L-arginaseⅠ和线粒体L-arginaseⅡ可以阻止巨噬细胞自身由于过量产生NO而引起的细胞凋亡。

可见，L-arginase对NO的生理作用有重要调节作用。

作为氧化还原酶，NOS有5个具有氧化还原活性的辅基：FAD、FMN、Ca2+-钙调蛋白、血红素和四氢蝶呤(tetrahydrobiopterin，BH)[7]。

NOS与细胞色素P450还原酶具有同源4性，包括NADPH、FAD和FMN的共有序列。

NOS单体结合一分子的NADPH以及等量的FAD和FMN。

纯化的NOS可被一氧化碳(CO)抑制，这表明NOS中可能存在一个和细胞色素P450上一样的血红素。

NO自身也可以反馈性地抑制NOS，这可能通过NOS的血红调节。

素辅基来实现。

NOS也被BH4cNOS可以被Ca2+调节。

在脑中，谷氨酸这类神经递质刺激NAMDA受体后促进Ca2+内流，钙与钙调蛋白结合并激活NOS，产生NO。

在血管中，乙酰胆碱作用于内皮细胞的毒蕈碱受体，激活磷脂循环产生Ca2+，随后激活NOS产生NO。

所以，钙依赖的NOS激活是参与神经递质传递和血管舒张这些快速反应的重要步骤[8]。

NOS也可以被磷酸化调节。

nNOS、eNOS和iNOS中有可以被PKA激活的保守序列。

nNOS可以被蛋白激酶PKA、PKC、PKG及CaM蛋白激酶磷酸化，磷酸化导致酶活降低。

eNOS的磷酸化既调控它的酶活也调控它的定位，与大部分存在于胞浆的nNOS和iNOS不同，eNOS主要定位于质膜。

NOS的磷酸化可以控制NOS从质膜转位到胞浆，从而使NOS和精氨酸。

失去活性。

NOS的催化形式是二聚体，组装时需要血红素、BH4亚硝酸盐还原产生NO亚硝酸盐NO－在酸性条件下可以通过化学还原产生NO。

这个反应存在于哺乳动物胃2中或者植物体中。

通过研究发现，植物可以利用NAD(P)H依赖的亚硝酸还原酶(nitrite reductase，NiR)来还原NO2－产生NO。

动物体内具有NiR活性的蛋白质很多，大多是含有175｜ACTA BIOPHYSICA SINICA具体机制将在后面讨论。

NO的代谢根据NO的物化性质，在有氧条件下，NO可被快速氧化成NO－和NO3－。

在血液中，2有氧血红蛋白能够促进这一反应的进行。

NO与各种分子间的相互反应也是消耗NO的一个重要途径。

如NO与超氧阴离子(O·－)反应产生过氧亚硝基(peroxynitrite，ONOO－)，过氧2亚硝基是一个很强的细胞毒性分子。

此外，NO及其衍生物可以修饰蛋白质半胱氨酸自由巯基，生成亚硝基巯醇(S-nitrosothiols，SNOs)，这也是NO作用的重要机制。

GSNOR(S-nitrosoglutathione reductase)是内源NO供体GSNO(S-nitrosoglutathione)的特异还原酶，从细菌到人高度保守。

2001年，研究人员发现它是调控细胞内NO代谢和蛋白质巯基亚硝基化修饰的关键蛋白[9]。

GSNOR又称为谷胱甘肽依赖的甲醛脱氢酶(glutathione-dependent formaldehyde dehydrogenase，FDH)，属于乙醇脱氢酶III家族〔alcohol dehydrogenase(ADH)classⅢfamily〕，但其乙醇脱氢酶活性很低，主要活性是GSNO还原酶活性。

1998年，Jensen等首次报道GSNO是ADH3/FDH的特异性底物，能够在NADH和GSH存在的条件下将GSNO转变成氧合谷胱甘肽(oxidized glutathione，GSSG)和NH3。

GSNOR通过调控内源GSNO水平而调控蛋白质亚硝基化修饰，GSNOR表达升高，蛋白亚硝基化降低。

除GSNOR外，硫氧还蛋白/硫氧还蛋白还原酶、超氧化物歧化酶和γ谷氨酰转肽酶也可以调控SNO水平。