一氧化氮
    一氧化氮（Nitric oxide）是大家早已熟悉的一个小分子，长期以来，在生命科学中一直没有引起人们的注意。但是，80年代末，科学家发现，一氧化氮在各种生化过程中，起着关键的作用，具有神奇的生理调节功能。对一氧化氮的研究，迅速发展成为一门目前最活跃的生命科学前沿领域。

    近期的研究已表明，一氧化氮具有免疫调节、神经传递、血压生理调控和血小板凝聚的抑制等生理功能。在许多组织中，尽管其真正的释放量目前尚难于检测，但已确知会释放出不同浓度的一氧比氮，且浓度的变化与机体的生理机能紧密相关。许多疾病，包括基因突变（癌变，动脉硬化等）和生物机体中毒等，可能是一氧化氮的释放或调节的不正常引起的。进一步的研究还发明，一些药物可以通过新陈代谢来调节一氧化氮的生理机能，使其变成有益的分子，清除机体内有害的代谢物，鉴于一氧化氮的神奇生理调节作用，一旦其神秘的调节机理被科学家们所揭开，人们就可以开发与一氧化氮相关的药物，来治疗许多人类至今无法攻克的顽症，例如高血压、偏头痛、动脉硬化，甚至癌症。可见，与一氧化氮相关的药物，其潜在的价值是巨大的。现在许多国际上有名的药物生产厂家，竞相在这一研究领域，投入大量的人力物力，以期在激烈的竞争中，占领有利的位置。

    生命科学的迅速发展，主要标志是由宏观描述开始向分子水平和生命过程的研究，它的特点是学科交叉，正如诺贝尔奖获得者Arthur Kornberg教授谈到：“分子生物学己突破到细胞化学的边界，但缺少化学方法和训练是不可能打开这个穹窿的。”随着学科交叉的不断发展，化学成了生命科学强有力的工具，化学测量和方法是解析一氧化氮问题关键的一个组成部分。

    在生命体系中，细胞释放的一氧化氮量是很少的，平均每个细胞仅释放1～200attomol(1attomol=10-18mol)．如何现场定性和定量检测一氧化氮，向化学家们提出了艰巨而开拓性的任务，首先，Wennmalm等报导了把一氧化氮和牛血清白蛋白共价结合，然后用色谱柱分离，间接测量了一氧化氮的浓度。另外，化学荧光法、质谱、紫外－可见分光法等测量一氧化氮的报导也相继出现，然而，最引人注目的是采用电化学方法测量一氧化氮的报导，特别是卟啉修饰和1，2苯二胺修饰碳纤维微电极，就是该方法成功的两个例子。电化学方法测量一氧化氮具有许多优点，首先，使用的碳纤维电极直径小至2～6ｕｍ，可以对单细胞进行测量；其次，该方法有极高的灵敏度和强抗干扰能力，其检测下限可达到nM(1nM=10-9mol/L)，足于检测单细胞释放的一氧化氮；再次，该方法响应时间低于10毫秒，可以对细胞释放的一氧化氮进入连续、现场的退踪，且在测量中不会破坏细胞，这种方法已广泛的应用于组织和细胞中一氧化氮的研究，有力地推动了这一领域的研究进展。

    尽管某些一氧化氮的特殊功能已被确证。但是，科学家们对其神秘的生物化学特性却仍知之甚少，目前的研究已证明，一氧化氮有3种状态存在于生物体系中，包括阳离子形式（NO+）、自由基形式（NO．）和阴离子形式（NO-）。对生物体系中3种形式的不同性质和反应活性的深入研究，可以帮助人们理解其神奇的生理功能。一氧化氮容易和过渡金属离子，包括一些金属蛋白结合形成化合物。它与血红蛋白的相互作用，已得到广泛的研究。L-精氨酸在一氧化氮合成酶的催化下释放一氧化氮，其化学和生理过程十分复杂，值得人们更深入研究。

      总之，一氧化氮在生物体系中的许多特殊生理功能，已被科学家们所证实。尽管这一领域仍有许多问题等着人们更进一步的深入研究，但是，一氧化氮作为打开神秘生命科学大门的一把钥匙，为人类展示了十分美好的前景。

一氧化氮掀起人体营养革命   
一氧化氮？那不是污染物吗？是的，十年前一氧化氮（NO）留给人们的印象仅与硝酸类炸药相关，谁能想到它可以在体内产生化学作用，为人类健康带来福祉呢？然而，当1998年三位美国科学家由于发现一氧化氮作为人体中一种重要信号分子而获得诺贝尔医学奖之后，人们才逐渐相信，一氧化氮是身体中对健康最重要的化学分子之一。目前这项发现的重要性，尤其显现在治疗心脏疾病、休克、肺病、癌症、男性勃起功能障碍的新药研发，以及对血管健康的营养品开发上。

    在心血管系统方面，一氧化氮具有强大的松弛血管平滑肌的作用，它可以增加血流量，防止脂肪等沉积物黏附于血管壁，从而抑制血管壁增厚，减少血管堵塞的机会。同时，它还帮助维持健康血压，有效减轻心脏负担，从而达到预防心脏病的效果。

    在免疫系统方面，一氧化氮是对付细菌、病毒、肿瘤细胞等病原体的有效武器，它能够杀死多种病原体而保护机体，能提供一个强有力的体内防御系统。

    在神经系统方面，一氧化氮作为一种神经信号的传递物质，可以促进脑部的血流量，并可能与脑细胞的发育、脑细胞的学习和记忆过程、后脑垂体激素如血管加压素和催产素的分泌、保护脑细胞避免毒物的攻击及脑缺血时调整脑血供应等有关。

    美国著名的营养品企业康宝莱公司找到了当年的诺贝尔奖的获得者伊格纳罗博士，并将他的这一理论付诸实践，研发出一款营养型产品Niteworks（夜宁新），并迅速推向市场。

    在这款营养品中，伊格纳罗博士将其毕生的研究发现付诸实践，通过营养补充的方式，解决了如何才能促使自身体内产生一氧化氮的问题，那就是将精氨酸和瓜氨酸与某些抗氧化成分如维生素C和E结合起来，促进人体内一氧化氮的生成，并保持一氧化氮的稳定，防止它被氧自由基氧化破坏，延长一氧化氮在人体内发挥功效的时间。由于一氧化氮在心血管、免疫、神经等多个系统健康作用，使之成为保持青春活力、延缓衰老、提高生活质量的关键，夜宁新在中国的上市，不啻带来一场营养革命。其实，一氧化氮并不神秘，它可以在保证营养的前提下由人体产生。夜宁新的主要成分包括：L－精氨酸和L－瓜氨酸，天然维生素C和E，以及牛磺酸和叶酸等。L－精氨酸是产生一氧化氮的基础物质。但是，只有在L－瓜氨酸和几种关键的抗氧化剂特别配比（康宝莱和伊格纳罗博士研发特有专利配方）协同作用下，才能产生大量的一氧化氮。

一氧化氮与心血管疾病


路易斯J•伊格纳罗　

　　心血管疾病是因为生活方式不健康而引起的疾病，首要危险因素是体重超重，即使超重5公斤也不是好事。吸烟也很容易导致心血管疾病。另外，如果运动量很少，长期肥胖，可能会导致糖尿病，而糖尿病在绝大多数情况下都会引发心血管疾病，所以好的生活习惯就能帮助你预防疾病，即使你已经上了岁数，并且曾经吸烟，而且饮食结构
不合理，可以从现在开始做改变，坚持长期锻炼，就可以帮助你的身体抵御心血管疾病。

　　在25年前的研究过程中发现，一氧化氮在体内的运作可以避免心血管疾病。因为这个小分子，可以让细胞相互之间得以沟通，可以减少冠心病和脑中风症状发生的几率，还可以防止其他的细胞发生功能障碍。所以，如果有少量到中等程度的锻炼，就可以帮助我们增加一氧化氮的生成，一氧化氮可以保护我们的心血管系统，它在人体中生成的过程是非常复杂的过程。它实际上是由精氨酸共同生成的。我们所使用的蛋白质里都含有这个物质，如果有更多的精氨酸就有更多的一氧化氮生成。精氨酸是自然的产物，是一种来自蛋白质的氨基酸，有很多来源。

　　在水果、蔬菜当中包含很多的抗氧化物，吃的越多，身体摄入的抗氧化物越多，一氧化氮破坏的几率越小，还有鱼、黑巧克力、红酒、果汁都有很强的抗氧化物。所以抗氧化物能够综合掉氧自由基，保护一氧化氮。

　　锻炼造成的血液流动加快，也会刺激一氧化氮形成。因为一氧化氮能够扩张血管，这就使得更多的血流进你的血管。一氧化氮不但是加速血液流动，从长期来讲，能够保护心血管系统免受疾病的困扰，这样能够激活那些能够生成一氧化氮的酶，这就叫内皮核酶。可以利用精氨酸制作一氧化氮，研究人员还发现，如果你经常锻炼或者重复某一种锻炼，还能调节内皮一氧化氮和酶，因为能调节基因，这样使得持续不断地产生一氧化氮。所以通过这样的合成，能够持续合成更多一氧化氮。不断地锻炼也可以产生一些能够限制氧化自由基基因，能降低那些会导致氧化应激的基因，可以保护你身体上已经形成的一氧化氮。所以这又能够增加体内的一氧化氮。

　　运动的时候，骨骼、肌肉处在不断运动当中，可以给周围的组织和细胞组织带来营养物，进一步加速组织的恢复。同时，新陈代谢也会加快。所以，在运动健身习惯之后，你的腿和胳膊就不疼了。但是，必须不断运动，一星期锻炼一天可能就会疼，因为一氧化氮的生成不够。正因为上述原因，锻炼身体是非常有好处的。

　　我们认为锻炼身体能够减缓动脉硬化的发展，同时精氨酸也能减少动脉硬化。如果把一氧化氮和精氨酸结合在一起，会大大减缓动脉硬化的发展。所以，不光是在心血管疾病方面，在中央神经系统里，一氧化氮对于作为神经传输也就是在脑的运作方面能发挥重要的作用。

　　一氧化氮能抑制炎症，知道这一点很重要。如果哪个器官发生炎症，一氧化氮就能够抑制炎症，能够生成白血球。在肠胃系统，一氧化氮也是很重要，使食物加速运动，因为它能释放出肌肉的放松剂，使肠胃系统正常运作。在肺系统，一氧化氮能够降低空气进入的阻力，使大家的呼吸更加顺畅。一氧化氮对于膀胱的运作也是非常重要的，也就是使得膀胱能够储存更多的尿液，同时对于男性的生殖系统也很重要。

一氧化氮与1998年诺贝尔生理/医学奖
作者：卫涛涛 忻文娟 赵保路    转贴自：生物物理学报 

1864年，诺贝尔(Alfred Nobel)发现极易挥发、爆炸性极强的三硝酸丙三醇酯(硝酸甘油）经硅藻土吸附后稳定性大大增加，并根据这一发现研制出了安全炸药。安全炸药的工业化生产给诺贝尔带来了荣誉和金钱，使他得以创立科学界的最高奖项——诺贝尔奖。诺贝尔晚年患有严重的心脏病，医生曾建议他服用硝酸甘油以缓解心绞痛的发作，但诺贝尔拒绝了，因为早在研制安全炸药的实验过程中，诺贝尔就发现吸入硝酸甘油蒸汽会引起剧烈的血管性头痛。1896年，诺贝尔因心脏病发作而逝世。硝酸甘油可以有效地缓解心绞痛，它见效快，通过口腔粘膜吸收后可以在几分钟内扩张冠状动脉、改善心脏供血，因此在一百年后的今天，硝酸甘油仍是心脏病患者的常备药物，但它的作用机理这一困扰了医学家、药理学家百余年的问题直到八十年代才因为Robert F. Furchgott、Louis J. Ignarro及Ferid Murad这三位美国药理学家的出色工作而得以解决：硝酸甘油及其它有机硝酸酯通过释放一氧化氮气体而舒张血管平滑肌，从而扩张血管。由于这一发现，Robert F. Furchgott、Louis J. Ignarro及Ferid Murad获得了1998年诺贝尔生理学医学奖。下面，对这三位科学家的主要研究工作以及一氧化氮的生物合成及其生理作用作一简要介绍。

1 一氧化氮生理功能的发现过程 　　自七十年代起，美国弗吉尼亚大学的Ferid Murad教授及合作者系统研究了硝酸甘油及其它具有扩张血管活性的有机硝酸酯的药理作用，他们发现硝酸甘油等有机硝酸酯都能使组织内cGMP、cAMP等第二信使的浓度升高，而这类有机硝酸酯具有一个共同点：它们在体内都能代谢为一氧化氮。1977年，Murad发现硝酸甘油等有机硝酸酯必须代谢为一氧化氮后才能发挥扩张血管的药理作用，由此他认为一氧化氮可能是一种对血流具有调节作用的信使分子，但当时这一推测缺乏直接的实验证据。与此同时，纽约州立大学的Robert F. Furchgott教授在研究乙酰胆碱等物质对血管的影响时发现在相近的实验条件下，同一种物质有时使血管扩张，有时对血管没有明显的作用，有时甚至使血管收缩。Furchgott及合作者对此作了深入地研究，他们在1980年发现乙酰胆碱对血管的作用与血管内皮细胞是否完整有关：乙酰胆碱仅能引起内皮细胞完整的血管扩张[1]。由此Furchgott推测内皮细胞在乙酰胆碱的作用下产生了一种新的信使分子，这种信使分子作用于平滑肌细胞，使血管平滑肌细胞舒张，从而扩张血管，Furchgott将这种未知的信使分子命名为内皮细胞松弛因子(endothelium－derived relaxing factor, EDRF)。这篇论文在学术界引起了广泛关注，吸引了包括加州大学洛杉矶分校的Louis J. Ignarro教授在内的许多科学工作者从事有关EDRF的研究。EDRF是一种不稳定的化合物，能被血红蛋白及超氧阴离子自由基灭活，有科学家认为它可能是花生四烯酸的代谢中间产物，但这一推测很快被实验结果所推翻。长期研究亚硝基化合物的药理作用的Ignarro教授与Furchgott教授合作，针对EDRF的药理作用以及化学本质进行了一系列实验，发现EDRF与一氧化氮及许多亚硝基化合物一样能够激活可溶性鸟苷酸环化酶(soluble guanylate cyclase, sGC)、增加组织中的cGMP水平。由于Ignarro教授与Furchgott教授在长期的研究中积累了大量宝贵的经验，同时由于他们具有敏锐的洞察力，Ignarro教授与Furchgott教授在1986年作出了大胆的推测：EDRF是一氧化氮或与一氧化氮密切相关的某种(某类)化合物[2]。这篇摘要立即在药理学界引起了轰动，随后(1987年)英国科学家Salvador Moncada及其合作者通过实验证明EDRF就是一氧化氮[3]。六个月后，Ignarro也报道了同样的实验结果[4]。此后，一氧化氮在生物体内的生理及病理作用引起了广泛的关注，进一步的研究表明一氧化氮除了具有调节血流、血压的作用外，还是一种神经信使分子，并在免疫防御中起重要作用。

2 一氧化氮的生物合成 　

　　生物体内，在NADPH和O2存在下，一氧化氮通过一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)催化L－精氨酸氧化而生成[5]：


一氧化氮合酶有三种同功酶：主要存在于内皮细胞中的eNOS (endothelial nitric oxide synthase)，存在于神经细胞中的nNOS (neuronal nitric oxide synthase)，以及存在于巨噬细胞、胶质细胞中的可诱导型一氧化氮合酶iNOS (inducible nitric oxide synthase)。eNOS和nNOS均为构成型酶，统称为cNOS (constitutive nitric oxide synthase)。 　　一氧化氮是一种亲脂性的小分子化合物，因此一氧化氮在细胞内产生后，可以透过生物膜自由扩散进入周围的靶细胞，通过修饰重要蛋白质的含铁辅基、巯基、酪氨酸残基而执行信号分子的功能[6]。当一氧化氮的产生失衡时，就会导致包括高血压、心脏病、休克、哮喘、某些癌症以及阳痿等在内的多种疾病。

3 一氧化氮的生理及病理作用

3.1 一氧化氮在心血管系统中的作用 　　在一氧化氮众多的生理功能中，人们最先了解的是一氧化氮具有调节血流及血压的作用。血管内皮细胞及心肌细胞均可通过eNOS产生一氧化氮，保持适当的一氧化氮水平对于维持正常的血流、血压十分重要，高血压、某些类型的心脏病等心血管系统疾病以及阳痿都与内皮细胞产生一氧化氮不足有关。一氧化氮主要通过cGMP途径扩张血管，根据这一原理，美国辉瑞(Pfizer)制药公司研制出了新药昔多芬(Sildenafil Citrate)，即“伟哥”(Viagra)。昔多芬是五型cGMP特异磷酸二酯酶(cGMP－specific phosphodiesterase type 5, PDE5)的抑制剂，可以防止一氧化氮引发的细胞内cGMP信号快速消失，因此可以维持血管平滑肌细胞舒张、增加血流量。伟哥对心脏病有一定疗效，尤其对阳痿有特效。一氧化氮产生不足会影响心血管系统的正常功能，但另一方面，过量的一氧化氮又会导致心脏损伤。在心肌缺氧条件下，eNOS水平代偿性地增加，从而增加一氧化氮的产生，一氧化氮继而松弛血管，改善心脏供血，但同时一氧化氮又与缺血/再灌注过程中生成的超氧阴离子自由基协同损伤心肌[7]。在这一病理生理条件下，一氧化氮呈现出典型的“双刃剑”效应，既具有保护作用，又能引起损伤。

3.2 一氧化氮在神经系统中的作用 　

　　1988年，Garthwaite及合作者发现N－甲基－D－天冬氨酸(N－methyl－D－aspartate, NMDA受体活化后产生EDRF，并由此推测EDRF可能是一种神经信使分子[8]。此后，许多实验证实一氧化氮作为神经信使分子执行包括学习、记忆在内的多种重要生理功能，并且具有调节脑血流的作用。在中枢神经系统突触后神经末梢，谷氨酸等兴奋性氨基酸通过NMDA受体引发钙离子内流，从而激活cNOS产生一氧化氮，继而通过cGMP等途径传递信号[9]。在一些外周神经系统非肾上腺素能非胆碱能神经元(non－adrenergic non－cholinergic neuron, NANC神经元)中，一氧化氮起神经递质的作用，从而调控肠、胃等器官的功能。 　　在神经系统中，一氧化氮除了具有重要的生理功能外，还具有神经毒性。在脑缺血状态下，cNOS很快激活，从而在一定程度上减轻缺血；但同时缺血引发多种细胞因子的释放，诱导产生iNOS，产生大量一氧化氮，对神经系统造成损伤[10]。

3.3 一氧化氮在免疫中的作用

　　一氧化氮是免疫系统对付细菌、病毒、肿瘤细胞等病原体的有效武器。细菌细胞壁脂多糖等内毒素或γ－干扰素等细胞因子能够诱导巨噬细胞等吞噬细胞表达iNOS，继而产生大量的一氧化氮[11]。同时，吞噬细胞呼吸爆发产生大量的超氧阴离子自由基，一氧化氮与超氧阴离子自由基发生快速反应，生成过氧化亚硝基： NO＋O2－→ONOO－ (k≥6.7×109L.mol－1.s－1) 　　过氧化亚硝基具有强氧化性，能够杀死多种病原体而保护机体。近期的研究表明，植物也通过产生一氧化氮而抵御病毒等病原体的入侵[12]。 　　除了以上生理功能外，一氧化氮还在呼吸系统、内分泌系统中起重要作用。 　　总之，Robert F. Furchgott、Louis J. Ignarro及Ferid Murad通过深入研究硝酸甘油这种早在Alfred Nobel时代就已用于治疗心脏病的药物，发现一氧化氮是一种具有重要生理作用的信使分子，取得了举世瞩目的成就。他们创建了全新的研究方向，吸引了大批药理学家、生物化学家、神经生物学家从事有关一氧化氮的研究工作。至今，人们对一氧化氮的生理病理作用已经有了一定的了解，并根据一氧化氮对机体的调控机制发现了一些有效的药物(如昔多芬)。但直到目前，一氧化氮的生理及病理作用仍然有许多问题有待更加深入地研究。进一步研究一氧化氮的生理功能及病理作用，必将使人类加深对许多生理现象以及疾病本质的了解，并为设计、合成治疗有关疾病的新药指明方向。

作者单位：中国科学院生物物理研究所 北京 100101