“ 一氧化氮（NO）是一种重要的信使，可能在地球早期的缺氧环境中促进了生命的起源。它是生物体获取氮的重要来源，细菌和植物通过化学反应将硝酸盐和亚硝酸盐转化为一氧化氮。在哺乳动物中，这种气体是通过L-精氨酸生成的，由特定的酶催化。研究发现，一氧化氮在调节血管舒张、免疫反应和神经传递等生理功能中扮演着关键角色。它的发现推动了对信号传导及其生理作用的深入研究，揭示了其在维持身体健康中的重要性。”
硝酸盐、亚硝酸盐和一氧化氮之间的关系很重要。我们通过饮食摄入的硝酸盐可以在体内循环，转化为一氧化氮和其他活性物质。当身体处于酸性或缺氧的环境中，硝酸盐和亚硝酸盐更容易产生一氧化氮，这就像一个备用系统，确保即使一氧化氮合成的正常功能出现问题，我们依然能够保有一氧化氮的活性。吃含硝酸盐的食物能为我们的身体带来很多好处，包括可能的疾病预防、治疗和提升运动表现。。[1]
自1980年罗伯特·弗尔戈特发现内皮舒张因子（EDRF）后，六年后这一物质才被确认是重要的信号分子一氧化氮（NO）。最初被视为环境污染物的NO，实际上却在体内调控重要的细胞功能。此发现引发了研究的爆炸性增长，尤其是对一氧化氮合酶（NOS）抑制剂的关注。NO的发现也促使了对内源性一氧化碳和硫化氢的研究，拓展了气体递质的概念。尽管早期对NOS抑制剂在脓毒症和炎症性疾病中的试验未能成功，但iNOS逐渐成为癌症治疗的新靶点。同时，sGC刺激药物的开发显示出希望，为未来的治疗带来了新的可能性。通过膳食改善NO信号传导也被视为促进心血管和代谢健康的一种有效策略。
一氧化氮合酶有三种主要类型，分别是内皮型、神经元型和诱导型。内皮型一氧化氮合酶（eNOS）主要存在于血管的内皮细胞中，当它们受到刺激时，会释放一氧化氮（NO），这会使血管平滑肌放松。神经元型一氧化氮合酶（nNOS）主要在神经细胞之间的连接处，帮助调节神经递质的释放。诱导型一氧化氮合酶（iNOS）在免疫反应中被激活，能长时间大量生成一氧化氮，对病原体具有毒性。这三种酶在不同的生理和病理过程中发挥重要作用。。[1]
01
—
NO生物合成
1）NO合酶
a. 哺乳动物中有三种类型的一氧化氮合酶（NOS），它们利用L-精氨酸和氧气生成NO。这种酶是由两个含血红素的部分组成，电子通过FAD和FMN流动，最终结合氧气生成NO。四氢生物蝶呤（BH4）作为第二种辅因子，参与电子传递和催化。尽管NOS生成的NO在体内有直接证据，但其释放机制仍不完全清晰。
b.研究发现，内皮一氧化氮合酶（eNOS）可以被激动剂刺激，通过注射不同的血管活性药物并测量呼气中的NO来验证这一点。乙酰胆碱和缓激肽等化合物显著影响NO释放，但会受到L-NAME的抑制。尽管已有证据显示这些化合物能激活eNOS，其生理作用仍需进一步探讨。磷酸化是调节eNOS的一个重要方式，但其功能与磷酸化并不总是直接相关。
c. 血流中的剪切应力是激活eNOS的关键因素，PIEZO1通道在其中起重要作用。内皮细胞中的PIEZO1对于eNOS的正常表达和维持毛细血管密度至关重要。快速剪切应力引发的NO信号在流量介导的扩张中尤为明显，有助于评估内皮功能。研究表明，使用NOS抑制剂后，血管对阻塞的反应减弱，而持续的血管剪切应力显著影响eNOS的基因表达。
d.解耦是指NOS活性与NO合成脱钩，这与超氧化物或过氧化氢的释放有关，降低了NO的生物利用率。解耦主要源于L-精氨酸或BH4的缺乏，这可能是其他酶对L-精氨酸的过度代谢或活性氧的影响所致。此外，像ADMA这样的化合物被认为对NO的形成有抑制作用。
2）硝酸盐-亚硝酸盐-NO途径
a.NO氧化为无机硝酸盐（NO3）和亚硝酸盐（NO2）是其快速失活的主要方式。尽管这些阴离子被认为是NO的最终氧化产物，但研究表明它们可以还原回NO。
b.硝酸盐的活化依赖于细菌，唾液腺摄取并浓缩硝酸盐，口腔中的共生细菌将其转化为亚硝酸盐，进而在酸性胃中生成NO。这个过程在低氧和酸性条件下加速，成为确保NO生物活性的备用系统。
c.研究显示，饮食中硝酸盐和亚硝酸盐在NO信号传导中扮演重要角色。使用抗菌漱口水会对相关生理产生影响，干扰NO信号路径。
02
—
NO信号转导和失活
NO是一种重要的信号分子，能够通过简单的扩散与靶细胞相互作用。这些靶细胞可能是同一细胞或附近的细胞。由于NO体积小且不带电荷，它可以轻松穿过细胞膜，从而参与旁分泌信号传递。在靶细胞内，NO与血红素中的铁结合，激活可溶性鸟苷酸环化酶（sGC），进而促进细胞内环磷酸鸟苷（cGMP）的合成。sGC由α和β亚基组成，其功能在不同组织中各有不同，主要亚型NO-GC1和NO-GC2在心血管和中枢神经系统中发挥重要作用。
cGMP的降解是这一信号传导路径的主要调控方式，由磷酸二酯酶（如PDE5、6和9）催化。此外，血小板反应蛋白-1通过结合CD47受体调节sGC活性，影响内钙流量，并抑制NO信号传导。这一过程的终止与NO的氧化反应有关，生成的硝酸盐在血浆中的浓度通常在10-50mM之间。尽管NO可以随机扩散，特定的亚细胞定位可能帮助提高信号传导的效率，显示出其调节机制的复杂性。
S-亚硝基化是指NO添加到硫醇基团的过程，低分子量的S-亚硝基硫醇（如S-亚硝基半胱氨酸和谷胱甘肽）具有明显的生物活性，能够扩张血管并参与细胞信号传导。这一过程通常发生在蛋白质的半胱氨酸残基上，影响其功能。尽管S-亚硝基硫醇的形成机制尚未完全明确，但其主要来源于一氧化氮合成酶及循环中的亚硝酸盐。尽管大多数S-亚硝基化被认为是非酶促的，其生理调节作用仍有待进一步研究。
一氧化氮（NO）是由一氧化氮合酶（NOS）产生的，能通过不同方式传递信号。它可以直接与金属结合，激活一种酶（可溶性鸟苷酸环化酶），并抑制线粒体中的另一种酶。这种结合方式称为亚硝基化，还可以影响其他靶标，如含铁的蛋白质。另一种方式是亚硝化，NO离子会与某些分子结合，改变蛋白质的活性。低分子硫醇也可能被亚硝化，作为信号传递的媒介。此外，硝化反应可以改变蛋白质的功能，影响细胞内部的信号传导。这些机制都表明一氧化氮在生物体内具有重要的调节作用。。[1]
03
—
NO在生理/疾病中的作用
1）心血管
剪切应力和血红蛋白在血管内一氧化氮信号传导中起着关键作用。内皮细胞的PIEZO1受体能感应血流产生的剪切应力，随后释放ATP，引发一系列反应，激活eNOS产生一氧化氮。这个一氧化氮扩散到血液中，但很快会被氧合血红蛋白转化为硝酸盐而失效。下方平滑肌所需的一氧化氮量则受到血红蛋白-α的调节。当Hb-α中的铁被还原时，一氧化氮会被清除，而氧化状态的铁则允许一氧化氮通过。这一过程还受细胞色素b5还原酶的调控。[1]
心血管系统被称为“典型的NO系统”，因为NO是在血管内皮中首次被发现的，而硝酸甘油是第一种心绞痛的NO供体。内皮型一氧化氮合酶（eNOS）产生的NO在调节血流、控制血管结构及保护内皮方面起着重要作用。研究表明，内皮功能受损与NO水平降低之间存在紧密联系，这可能会增加心血管疾病的风险。因此，未来的研究将重点放在改善NO信号以预防和治疗心血管疾病。
虽然NO在血管功能中的作用得到了确认，但其在心脏的具体功能仍不明确。心肌细胞中的eNOS和神经型一氧化氮合酶（nNOS）在不同位置的发现表明，它们可能在心脏功能中扮演不同角色。eNOS的激活可促进心肌细胞的舒张，而NO在心脏收缩力方面的作用仍存在争议。此外，nNOS通过刺激钙释放来增强心脏的收缩力，并影响线粒体呼吸及自主神经信号调节，这显示NO在心脏功能调节中的复杂性。
目前，心力衰竭的研究主要集中在NOS-NO-cGMP-sGC途径，尤其是sGC刺激剂vericiguat已获得临床批准。未来可能会有更多sGC刺激剂用于不同疾病。研究显示，NO在心肌缺血再灌注损伤中具有显著保护作用，而eNOS的过表达及NO供体能够有效地保护心肌。然而，对eNOS缺失小鼠的反应不均匀。NO通过调节线粒体功能和降低氧化应激等机制，改善心脏的损伤，尽管动物实验结果良好，但人体研究尚未显示明显效果。
2） 代谢
NO在调节线粒体呼吸中发挥着关键作用，主要通过抑制细胞色素c氧化酶。它在高电子流情况下与还原血红素争夺氧气，而在低电子流和氧化铜条件下，则形成铜-亚硝酸盐复合物，无法与氧反应。这意味着在缺氧环境中，NO的抑制效果更为突出，但同时会降低NO合酶（NOS）的活性。研究表明，低浓度的NO可显著提高氧的亲和力，进而影响呼吸能力。此外，线粒体也能通过还原无机亚硝酸盐来生成NO，从而调节呼吸。
NO抑制细胞色素氧化酶的机制还存在多种理论。一种观点认为，它会导致细胞内氧的重新分配，影响酶的活性，同时减少HIF-1α的降解。NO的生成可能导致超氧化物的产生，影响生理信号传导。此外，高水平的iNOS生成的NO会导致细胞氧化酶的不可逆抑制，与脓毒症中的线粒体功能障碍可能有关。
线粒体的生物发生会因运动和热量限制而适应，主要通过eNOS-cGMP途径进行，这一过程在小鼠模型中得到了验证。然而，不同组织和NOS亚型的研究结果有所不同。NO在不同状态下对代谢的影响复杂，可能促进或抑制胰岛素分泌，对糖尿病及心血管健康有重要影响。整体而言，NO的水平变化与代谢状况密切相关。
3）神经传递
NO在神经系统信号传导中扮演着关键角色，调节运动、能量、学习和睡眠等多项功能。nNOS这种亚型主要分布于小脑、嗅球和海马等区域，促进神经元间的信号传递，同时影响周围血管的功能。其活性与谷氨酸释放密切相关，过度活跃可能导致中风和癫痫，因此，调节nNOS的活性对脑健康至关重要。
NO在突触功能中起主导作用，影响记忆和可塑性。它通过扩散到突触间隙，增强神经递质的释放，从而增强信号传导。此外，NO还调控脑血流以应对高碳酸血症和缺氧等情况。研究表明，神经血管耦合（NVC）依赖于NO，它不仅提供营养，还清除神经元废物，与早期痴呆的表现密切相关。
NO的稳态变化与众多脑部疾病紧密相连，包括创伤性脑损伤和精神疾病。尽管最初对NO信号传导的治疗寄予厚望，但由于缺乏有效的特异性抑制剂，进展缓慢。总之，NO在各种生理和病理过程中发挥着重要作用，影响着从勃起功能到脑部健康的多个方面。
4）宿主防御和炎症
iNOS的发现与内皮衍生的舒张因子（EDRF）的确认过程是相对独立的。研究发现，LPS激活的小鼠巨噬细胞能够生成硝酸盐和亚硝酸盐，这一过程依赖于L-精氨酸，NO是生成的关键中间体。iNOS在NO释放和调节上与其他NOS类型存在显著差异，主要通过表达水平调节，并在钙的依赖性较低的情况下，能够长时间大量产生NO。
尽管iNOS普遍存在于有核细胞中，但最初是在免疫细胞如巨噬细胞和T细胞中发现的。它们在细菌和炎症因子刺激下产生NO。虽然啮齿类动物能高效表达iNOS，但人类检测其活性却较为困难。上皮细胞在炎症或感染时能更容易地产生NO，尤其是气道和大肠中。健康人的鼻旁窦上皮也能持续表达iNOS并产生NO，这挑战了以往iNOS仅在炎症刺激下被诱导的观点。
NO在宿主免疫防御中扮演重要角色，调节免疫反应以帮助抵御感染。iNOS在结核病中主要通过抗炎作用来保护宿主，而非直接杀菌。缺乏iNOS可能导致病原体增长更容易。在感染金黄色葡萄球菌时，iNOS能够促进粒细胞聚集，提高防御能力。然而，虽然研究揭示了iNOS在炎症中的多种作用，具体影响仍不清晰，并且iNOS抑制剂的临床试验结果未能达到预期，表明其治疗应用仍需进一步探索。
5） 癌症
NO既能扩张血管，也能刺激新血管生成，但在癌症中它的角色非常复杂。NO的作用受到产生时机、来源细胞、浓度以及周围环境的影响。低浓度的NO主要通过一种酶增强信号，促进血管生成，而高浓度的NO则可能干扰细胞呼吸，影响癌症相关信号通路。研究表明，NO的浓度变化可能关系到肿瘤的生长和扩散，对癌症的治疗具有重要意义。
研究发现，胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）中iNOS表达增加，与患者生存期缩短相关。抑制iNOS可减缓小鼠胶质瘤生长，而GSCs的生长和致瘤性也因iNOS抑制而降低。细胞周期抑制因子CDA1和NO的促血管生成作用可能是其机制。在某些癌症中，iNOS和COX2的合作可能增强肿瘤生长，联合使用iNOS抑制剂和非甾体抗炎药具有潜在治疗价值。调节NO信号可改善肿瘤脉管系统，增强药物疗效。
N-亚硝胺是一个常见的亚硝化物，通常在长期吸烟、环境污染或食用加工肉类后生成。它们可能转化为具有致突变性的物质，对细胞造成损害。反过来，活化免疫细胞产生的NO可以靶向癌细胞，诱导其死亡。研究显示，某些药物可以直接影响肿瘤生长，增强治疗效果。尽管NO在体内很重要，对癌症治疗的调控仍面临挑战。新开发的纳米递送系统提供了一个稳定的方式来释放NO，有助于改善治疗效果和改变肿瘤微环境。
6）饮食
关于饮食与体内NO的关系，可以从以下几个方面来理解：
a.硝酸盐与亚硝酸盐的作用：研究发现，膳食中的硝酸盐和亚硝酸盐与癌症的关系并不明确。尽管早期研究提示它们可能有风险，但国际机构表示，蔬菜中的硝酸盐与癌症并无明显关联。其他成分如维生素C和E可能降低癌症风险。
b.L-精氨酸的影响：L-精氨酸被关注为可能增强NO生成的氨基酸。虽然其效果在理论上有限，但有研究表明它能改善血管功能。近期建议使用L-瓜氨酸，以提高L-精氨酸水平，但目前临床试验结果不一，缺乏确凿证据。
c.硝酸盐的运动与心血管健康：研究显示，膳食硝酸盐能提高运动能力和氧气利用率，尤其对快速抽搐肌肉有效。此外，它对代谢综合征和2型糖尿病有积极影响，能改善葡萄糖耐受性。然而，目前在糖尿病患者中的效果尚未得到验证，后续研究仍需进行。总的来说，膳食中无机硝酸盐的健康影响仍在讨论中，特别是在特定饮食模式下的潜在益处尚需进一步确认。
7）红细胞和血小板
血红素-一氧化氮信号假说关注的是一氧化氮（NO）的作用。NO是一种微小且不带电的气体，可以轻松穿透细胞膜，进入其他细胞，最终与可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）结合，激活它，产生一种叫cGMP的物质。尽管这一机制被广泛认可，但仍有疑问：NO是如何从一氧化氮合酶（NOS）释放的，以及它在细胞间扩散时是如何选择性影响sGC的。最近提出的新理论认为，其实不需要游离的NO，而是一个由血红素和NO组成的复合物直接从NOS释放。这个理论还有待进一步验证，但早期研究表明，这个复合物能更有效地激活sGC，其结合强度也比单独的NO更高。这意味着血红素-NO复合物可能会更安全、有效地传递信号，并可能参与其他信号传递过程。这项新发现为我们理解细胞间的信息传递提供了新的思路。[1]
红细胞在NO的生物学中发挥着重要作用，能够失活NO并传递其生物活性。血红蛋白在氧合作用下迅速将NO转化为硝酸盐，导致血液中几乎没有游离的NO。然而，在低氧条件下，红细胞能够释放NO以促进血管舒张，满足组织的氧气需求。这一过程是通过复杂的调控机制实现的，确保血流量与组织需求相匹配。
虽然关于红细胞释放生物活性NO的能力曾存在争议，但最新研究表明红细胞确实可以释放NO。研究发现，内源性一氧化氮合酶（eNOS）在红细胞中发挥关键作用，参与心脏保护。通过特定小鼠模型的研究，科学家揭示了红细胞在调节心脏功能中的作用，尽管其释放NO的确切机制仍不完全清楚。
此外，血红蛋白中的β93半胱氨酸可能具有多种功能，包括保护血红素铁免受氧化。最近研究强调了内皮细胞和红细胞中eNOS对血管功能和血压调控的重要性，缺失eNOS会导致血压升高，而重新引入该基因能恢复正常血压。红细胞被视为释放NO的重要来源，同时在某些情况下，可能会加剧氧化应激和内皮功能障碍，影响血小板的活化，对血栓形成也有重要影响。
已批准的NO相关治疗和诊断方法已有150年的历史。最初使用有机硝酸盐，如硝酸甘油，来释放NO，从而帮助减轻心脏病患者的心绞痛。这些药物通过扩张冠状血管来减轻心脏负担。同时，吸入纯NO气体也被批准用于治疗新生儿的呼吸困难和肺动脉高压。它的优点在于仅扩张通气良好的肺部血管，提高了氧气的利用效率。最近，还批准了一种新药，将青光眼药物与有机硝酸盐结合，有助于改善眼内液体的排出，增加疗效。此外，在哮喘监测中，测量呼气中的NO水平也成为了一种有效的方法。对于原发性纤毛运动障碍患者，NO水平较低，这一检测用以诊断此遗传性疾病。还有一些新药被批准用于心力衰竭和肺动脉高压患者，其作用机制就是通过NO来改善血流。[1]
参考文献：【1】Lundberg JO, Weitzberg E. Nitric oxide signaling in health and disease. Cell. 2022 Aug 4;185(16):2853-2878. doi: 10.1016/j.cell.2022.06.010. PMID: 35931019.