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自然杂志
ZARAN ZAZHI
1999年 第21卷　第4期　Vol.21　No.4　1999

从硝酸甘油到一氧化氮

张墨英　倪静安　施敏　

关键词　一氧化氮　生物化学作用　药物

From Nitroglycerine to Nitrogen Oxide

Zhang Mo-ying^①, Ni Jing-an^②, Shi Min^③

　　①② Associate Professor, Wuxi University of Light Industry, Jiangsu 214036③ Pharmacist, Wuxi No.4 People's Hospital, Jiangsu 214036

　　Key words　nitrogen oxide, biochemical function, medicine

　　论了生命体系中传播信号的气体分子一氧化氮在血压生理调控、神经递质、旁分泌激素、免疫调节中所起的生物化学作用.

　　1998年度诺贝尔生理学、医学奖被授予美国药理学家Robert F.Furchgott,Louis J.Ignarro和Ferid Murad，以表彰他们发现了“一氧化氮是心血管系统中传播信号的分子”.这一发现使人们第一次认识到气体分子可以在生物体内发挥传递信号的作用，开辟了医学研究的一个完全崭新的领域——一氧化氮生物化学，并为深入研究探讨一氧化氮在调节血压、控制血流、抵御感染和传输心血管系统和神经系统信号方面的作用奠定了基础.在一氧化氮研究方面的成果正在深层次地向人们展示其重要的生物学意义.

一、一氧化氮的二重性

　　一氧化氮是人们早已熟悉的古老小分子，分子轨道式为［KK(σ2S)²(σ^*2S)²(σ2P_x)²(π2P_y)²(π2P_z)²(π^*2P_y)¹］,键级2.5，相当于一个稳定的自由基^［1］,具有顺磁性.其分子内的电子数为奇数，称为奇电子化合物.而NO与其他奇电子化合物不同，一般奇电子化合物分子皆有色，也不发生聚合作用，但气态NO为无色，虽然它在液态和固态时显蓝色，且在液态和固态时有双聚分子(NO)₂存在.这些特性表明NO的结构特殊.NO结构上的不饱和性使其具有高度的化学反应活性.它亦具有加合性，可作为配合剂与某些金属离子配位.
　　1772年普列斯特里首先用HNO₃与金属铜反应制得了NO.在通常的条件下，元素氮和氧不能直接反应生成NO.下列反应在1 200℃时才能发生：N₂＋O₂=2NO.1903年采用Birkeland-Eyde反应由空气中的N₂和O₂经电火花放电制得了NO.大气中闪电时会有部分NO生成转化为HNO₃随雨水降至地面，成为土壤氮的重要来源之一.人们采用氨催化氧化法使氨在高温高压和Pt-Rh催化剂的作用下大规模地氧化为NO，再转化制得HNO₃.NO而被广泛地应用于化肥工业，为人类作出了贡献.
　　然而，二重性的NO在造福人类的同时又严重地污染空气而给人类带来灾难.内燃机排出废气中的NO是空气污染的祸根之一.在空气中NO转变为NO₂，继而在日光下分解成NO和O，生成的O可以转化为强氧化剂O₃，对眼睛有腐蚀作用，危害呼吸系统.对流层中的NO能够与烯烃、醛类生成过氧自由基，形成危害极大的光化学烟雾.处于平流层的NO能与O₃作用，破坏臭氧层，对人类造成威胁.NO具有二重性.NO^－₂有致癌作用.在腌肉时加入的NaNO₂能产生NO，NO与由蛋白质中解离出来的S和Fe结合生成［Fe₄S₃(NO)₇］^-，具有抑菌、防腐作用.［Fe₄S₃(NO)₇］^-可被还原生成一种含Fe₂S₂环的化合物［Fe₂S₂(NO)₄］^2-，后者会转化为致癌的［Fe₂(SCH₃)₂(NO)₄］.

二、硝酸甘油之功

　1864年， 诺贝尔将甘油与混合酸硝化制得了硝酸甘油，再与硅藻土混合后，获得了威力强大的新式炸药.炸药的发明，由此改变了人类文明的进程.雨果称诺贝尔因此也成了“欧洲最富有的人”.
　　晚年的诺贝尔患有心脏病，此时诺贝尔发明的硝酸甘油已被发现又是治疗心脏病的有效药物.但诺贝尔却拒绝服用医生开出的硝酸甘油.他在写给朋友的一封信中说：“医生竟让我服用硝酸甘油，这实在令人啼笑皆非”，“我坚决不服用医生建议的硝酸甘油”.因为他知道硝酸甘油虽能够减轻胸部疼痛，但同时也会引起头痛.
　　100多年来，硝酸甘油始终是医生用来有效扩张冠状动脉、治疗心绞痛的首选药物，它因此也拯救了无数人的生命而从另一个角度造福于人类.但是其药理作用的奥秘却一直未能为人们所揭示，科学家们始终在进行不懈的努力.

三、坚持不懈的探索

　　1936年出生的美国德克萨斯大学医学院教授Ferid Murad，在1977年领导弗吉尼亚州立大学药理学系的一个研究小组，系统研究了能够治疗心绞痛的硝酸甘油以及其他可扩张血管的硝酸盐类复合物的药理作用.他们发现这些药物都可以释放出一氧化氮气体分子，因而能够松弛血管平滑肌.他们设想，人体内也许用一氧化氮气体分子进行信号传递，进而推测身体内许多内源性物质如激素等可能也是通过一氧化氮而起作用的.Murad对一氧化氮分子在生物体内作用机理的研究作出了重要贡献.他发表了一系列重要的研究论文，但他的文章大多只发表在一般性的杂志上，而少见于生命科学界的《细胞》、《自然》和《科学》三大权威杂志中.他的研究工作的重要性只获得少数同行的欣赏，而生命科学界的大多数人却对他并不熟悉.因为，在相当长的一段时间内，科学界没有能提出更多的实验证据来支持他的大胆设想.
　　原任教于纽约州立大学布鲁克林分校的Robert F.Furchgott教授，现年82岁.在Murad作出上述重大发现的同时，他也正在致力于研究药物对血管的作用.他发现同一种药物有时能够引起血管收缩，但偶尔却又会使血管扩张.他设想这种现象可能与血管内皮细胞是完整的还是被损坏的有关.1980年Furchgott发现血管扩张起因于细胞内部生成的信号分子，实验室中一次小小的失误无意间将血管内壁表层细胞切除了，结果证实了乙酰胆碱只有在内皮完整的情况下才能扩张血管.他认为血管内壁表层细胞会产生一种不明的信号分子，使肌肉细胞放松.由此他大胆假设：血管扩张是由于内皮细胞产生了一种未知的被他称为EDRF——内皮细胞源松弛因子的信号分子.寻找这种神秘的松弛因子并弄清楚其作用机理的工作立即吸引了众多的科学家.
　　57岁的Louis J.Ignarro教授工作于加州大学洛杉矶分校.他与Furchgott合作或相对独立地进行了一系列极具创意性的实验.1986年Furchgott和Ignarro在学术会议上公开宣布了他们的研究成果，认定内皮细胞产生的导致血管扩张的信号分子──EDRF就是NO，从而在世界上首次确定一种气体是人体的信号分子.
　　1996年，Furchgott和Murad被授予为表彰在杰出的医学研究方面成就突出者而专门设立的美国腊斯克奖.三位科学家的杰出研究成果结合在一起，使一种新的生物学原理第一次被发现：气体可以作为机体的信息分子而调节细胞功能，这与已知的化学递质作用机理完全不同，其意义极为重大.以前，人们往往以为生物体内信息传递物质仅仅局限于蛋白质等相对分子质量较大的物质，三位科学家却预测并发现了人体内一氧化氮这样的气体物质也能起同样的作用.人们以为一氧化氮仅仅是细胞等低等生物产生的气体，对包括人类在内的高等生物不那么重要.如今人们发现许多种细胞会产生一氧化氮，其作用非同小可.“一氧化氮作为生命科学的信息分子在循环系统中的作用”的发现，改变了人们对一氧化氮的固有的传统看法，开辟了生命科学研究的一个崭新领域.这一发现也使三位科学家因为这一他们为之奋斗了一生的科学事业而达到了荣誉的峰巅.

四、明星分子一氧化氮

　　自80年代以来，科学家们发现NO在各种生物化学过程中起着神秘的生理调节功能^［2］.NO的研究迅速成为生命科学目前最为活跃的前沿热点.1993年公开出版的有关NO的论文达1 000余篇，过去5年间总共已发表了18 000多篇论文.人们主要研究NO的生物合成对分子、细胞、组织以及机体的影响，从而为阐明NO生物学现象的机理并为治疗与NO生成有关的各种疾病提供有效的方法.NO成为叩开生命科学神秘大门的一把钥匙.美国权威杂志Science曾将NO选为“明星”分子^［3］.以NO的生物化学功能为主题的试题甚至出现在1995年举行的第27届国际中学生化学奥林匹克竞赛之中.
　　现在人们认识到，NO在血压生理调控、血液流量控制、神经信号传递、免疫调节和抵抗感染等方面均起重要作用.当一氧化氮由血管内皮细胞产生后，它很快透过细胞膜，传导至内皮下的肌细胞，就像开关一样使平滑肌停止收缩，从而使血管扩张.人们进一步证实了NO在循环系统中作为信号分子的关键作用，证实了哺乳动物的细胞能够自身合成NO，一年后又证实它可由精氨酸分解得到.人们确知，生物体内许多组织中会释放不同浓度的NO，且其浓度的变化与机体的生理机能密切相关.许多现代病、多发病，如高血压、心脑血管病、中风、糖尿病、老年性痴呆甚至癌症、毒瘾，以及记忆学习障碍等都与NO有关.这些疾病都可能是由于生物体内NO的释放与调节不正常而引起的.NO在所有这些病理过程中几乎都扮演极为重要角色.一旦NO神秘的生理调节机理被人们逐步揭示，人们就能阐明许多困扰人类已久的问题，开发与NO相关的药物来治疗人类至今无法攻克的顽症.

五、一氧化氮的生物学作用

　　NO在生命科学领域中的作用一直没有引起人们应有的重视，其实早在1916年Mitchell就发现了哺乳动物内源性生物合成硝酸盐的现象,但未能引起人们的足够重视.直到80年代初Green和Witler重新发现这一现象，人们才意识到哺乳动物体内可能存在另一条非常重要的尚未被了解的氮代谢途径.NO的生物合成在生命体中颇为普遍，在进化上具有保守性，除高等哺乳动物外，NO 的生物合成还在其他生物，如鱼类、鸟类、细菌、植物中被观察到.NO生物合成的研究近年来十分活跃^［4，5］.在体内，内源性NO在NO合成酶(NOS)的催化作用下由分子氧氧化L－精氨酸而来^［6］：

一氧化氮的生物学作用主要是Furchgott, Ignarro和Murad发现的“信号传递作用”，它作为信使分子广泛参与胞间与胞内的信号传递.生理浓度的NO作为胞间信使，表现为血管舒张的生理调节剂、神经递质和神经调质、免疫调节剂和旁分泌激素.作为胞内信使，NO主要是通过作用于细胞信号系统发挥作用.来源于其他细胞的NO作为胞间信使也是通过作用于细胞信号系统起作用的.NO以其特有的生物化学反应性和富含NO潜在作用位点(如血红素、非血红素金属离子、巯基、酪氨酸残基等)的蛋白质和酶作用，通过改变蛋白质和酶的构象而调节其活性，从而广泛地参与细胞信号网络系统.至今已发现G蛋白、sGC、Ⅰ型腺苷酸环化酶、蛋白激酶C、离子通道、离子泵、受体、ADP-核糖基转移酶、蛋白磷酸化酪氨酸磷酸酶等蛋白质和酶均受NO调节，参与细胞信号系统.NO不仅参与细胞信号网络系统，而且还影响遗传信息的保持，调节遗传信息的传递和表达.可见NO的信使作用具有多样性和复杂性以及调控的微妙性.人们已经认识到，没有蛋白质就没有生命，人们也正在认识到，没有NO参与细胞信号系统的调节，细胞生命活动恐怕也就无法正常进行.

1. 血压生理调控剂和血小板凝聚抑制剂

　　在心血管系统中，Furchgott和Ignarro发现NO和蕴NO物质(即那些能通过酶促和非酶促反应生成或释放NO的物质)如硝普钠(SNP)、亚硝酸酯、有机硝酸酯、S-亚硝酰青霉胺(SNAP)、3-吗啉代斯德酮亚胺(SIN)、羟胺以及L-Arg等能激活可溶性鸟苷酸环化酶(sGC).随后又以实验证实了内皮细胞源NO亦来自L-Arg.这样，内源性NO生物合成途径在心血管系统中的作用也首先被人们所认识.
　　在血管内皮细胞中，内源性的NO一旦形成，就能以NO^＋的形式与平滑肌内无活性的鸟苷酸环化酶中血红素部分基团中的亚铁配位结合，使其空间结构发生变化而激活该酶，催化平滑肌内的三磷酸鸟苷(GTP)转化成环鸟苷酸(cGMP)而提高后者的水平，在细胞内起调节代谢的作用^［10］，引发血管平滑肌松弛，导致血管舒张、血压下降.NO在大小动脉血管的内皮壁中释放出来，是维持血管紧张度的基本因素.心肌细胞中的NOS释放的NO能促进心肌的舒张与松弛，减弱心肌的收缩力.肺动脉血管内壁产生的NO对维持一定量肺血流及其相应的肺通气功能起重要作用.
　　血小板本身的NOS与细胞所释放的NO能抑制血小板及白细胞在血管内皮壁的凝聚和黏附，有抗血管壁血栓形成的作用.
　　人体如果不能及时制造出足够的NO，或存在NO的生成缺陷或NO的传递存在障碍，失去了血管壁产生的NO的基本作用，就有可能导致血压升高以及血管痉挛，心绞痛、高血压等疾病皆与此有关.

2. 神经递质和神经调质

　　一氧化氮是中枢神经系统中一个重要的神经递质.作为一种特殊的气体性生物信使分子，NO不仅在内皮细胞、巨噬细胞中可以合成，在脑中也可以合成.它通过升高环鸟苷酸水平，介导了兴奋性神经传导.
　　在神经系统中，1982年Deguchi和Yoshioka就认识到L-Arg是大鼠脑内sGC的内源性激活剂，并发现这种激活作用可以被血红蛋白所抑制.1988年，Garthwaite等应用谷氨酸(Glu)刺激脑组织切片时观察到一种具有NO特性的物质形成，才首次认识到NO可能作为神经递质在神经系统中具有重要作用.以后实验表明，兴奋性神经递质Glu作用于N－甲基－D－天门冬氨酸(NMAD)受体诱导生成的NO也来源于L-Arg.
　　运用神经染色法研究发现心血管、支气管树、泌尿道以及内脏的支配神经中均广泛含有NOS.研究发现在用电刺激脑细胞后，在神经突触及神经细胞分叉处产生NO.研究也发现，NO是中枢神经系统中的一个重要的神经递质，它通过升高环鸟苷酸水平，介导了兴奋性神经递导.NO是脑中储存记忆时的关键物质，能传导记忆的建立.人脑内海马中一些区域，在重复刺激后，可产生一种持续增强的突触效应，与长期记忆以及学习的技能有关.脑和神经原产生NO，可能参与神经系统中的信息传递，它可作为一个后放信息因子，从突触后细胞产生而反馈到突触前细胞的神经原.中枢神经细胞中NO的生物学作用表现为：(1) 长周期压抑的递质，能使神经原引起记忆，它能接受以前的信号.(2) 短周期皮质激活的递质，能引起中枢控制的警觉反应.(3) 疼痛知觉的递质^［11］.NO作为信使从突触后(接受信号)细胞反馈到突触前(发出信号)，告诉信号发出者增大信号发出.

3. 旁分泌激素

　　在内分泌方面，NO能刺激生长素、胰岛素、胰多肽等的分泌，也能调节肾内环境的恒定和肾素的分泌，以保持肾血流量的恒定.通过炎症，也可刺激内皮型NO合成酶释放NO，使毛细管扩张、通透性增加，可使组织器官受到损伤.NO也有调节淋巴细胞的功能.

4. 免疫调节剂

　　Stuehr & Marletta的实验显示，E.coli(大肠杆菌)的脂多糖(LPS)可以激活小鼠巨噬细胞生成亚硝酸盐和硝酸盐.随之Marletta & Hibbs等分别提出这些氮氧化物最终来源于生理性底物L-精氨酸的推测.Hibbs等进一步通过实验发现巨噬细胞介导的肿瘤细胞抑制(Cytostasis)与L-Arg有关，并且N-甲基-L-精氨酸(NMA)——一种L-Arg类似物——是肿瘤细胞抑制和NO^-₂/NO^-₃生成的可逆的立体选择性抑制剂，从此初步阐明了L-Arg：NO途径在免疫系统中的作用.
　　小鼠实验已经证明，由诱导型NOS生成的NO可以激活人体抗御微生物入侵的巨噬细胞，这是宿主的重要防卫反应.巨噬细胞是机体在感染时遭受微生物内、外毒素、肿瘤坏死因子或白细胞介素等刺激后产生的.它可以大量合成高浓度的NO，对致病原，如病毒、细菌、寄生虫、某些真菌有抑制或杀伤作用.通过非特异性免疫反应，也能毒杀肿瘤细胞.对机体也有损伤作用.
　　NO在生理pH条件下可与体内细胞产生的超氧阴离子O^－₂反应生成过氧亚硝酸根阴离子：NO＋O^-₂→ONOO^-.该离子的半衰期为1～2 s左右，被认为是人体有炎症、中风、心脏病和风湿病引起大量细胞和组织毁坏的原因.它们在巨噬细胞里的受控生成是巨噬细胞能杀死癌细胞和入侵的微生物的重要原因.过氧亚硝酸根阴离子在生理条件下易于质子化，生成HOONO，再不均等地裂解成羟自由基(*OH)和NO₂，二者是细菌、致病原菌、肿瘤细胞的毒杀剂.NO对神经细胞的损伤作用是由羟自由基引起的.近几年研究显示NO的许多作用是通过HOONO实现的.HOONO能引起血管松弛并增加平滑肌中cGMP的浓度，这种作用比NO强50～1 000倍^［12］.怀俄明大学Wyoming University的研究者用生物拟态法合成了过氧亚硝酸的四甲基铵盐.用谱学方法和简单的反应来探讨过氧亚硝酸根阴离子的性质，包括构型、构型之间的转化以及与硝酸发生异构化反应的一系列基本机理.NO的抗肿瘤作用是抑制肿瘤代谢和封锁其生成，在免疫系统中发挥细胞间信息传递的作用.

六、释放一氧化氮的新药

　　NO的产生过量与不足，均与疾病的发生与发展有关.调节NO生成通路的物质，有可能作为药物被应用于临床.一些蕴NO物质在NO的早期研究中为确立NO的生物学功能、阐明一些抗高血压药物的作用机理起到重要作用，至今仍作为NO的供体而广泛使用，如硝酸甘油C₃H₅(ONO₂)₃、硝普钠Na₂［Fe(CN)₅(NO)］H₂O等硝基血管扩张剂药物用于治疗心绞痛、心肌梗塞等疾病已使用100多年了.它们也是通过非酶促途径与体内半胱氨酸及谷胱甘肽反应，产生不稳定的S-亚硝基硫醇，它自行分解释放适量外源性NO，达到缓解病情的作用.但连续使用会造成人体供应的还原剂巯基的一时匮乏，导致冠状动脉和静脉产生耐受性，而降低药效.开发新型蕴NO物质作为新药，吸引了众多科学家的投入.
　　90年代初Keefer等开发出的药物NONOate，在固态时十分稳定，溶解时将以非酶促方式自发释放NO，显示出良好的应用前景^［13］.
　　美国辉瑞(Pfizer)制药公司研制的抗阳痿药“伟哥”(Viagra)就是NO研究成果的副产品.90年代初，发现该药可促进体内产生NO，扩张心血管治疗心绞痛.不久，研究人员发现该药能扩张阴茎血管，治疗阳痿效果更佳.但是伟哥尚未获准进入我国.同时注意切勿盲目迷信，因为服用该药引起的一系列副反应已经引起人们的密切注意.
　　新近研究成功的新药Diazeniumdiolates，溶解时发生如下分解：

改变有机基团X可以合成一系列具有不同性能的药物.在生理调节下其半衰期从3 s到20 h不等.该类NO给体可用于治疗多种威胁生命的疾病，其正在研究的应用之一是用于心脏冠状动脉扩张术，手术中该药所产生的NO可阻抑因打开冠状动脉而导致的平滑肌细胞增生和血小板凝聚.早期的研究曾指出释放NO的药物有助于通过循环系统在败血症引起的休克时保护肝脏.该类化合物会攻击分离的血管中的癌细胞，有可能降低癌转移的风险.
　　有趣的是，诺贝尔发明的硝酸甘油拯救了许多人的生命，在经历了漫长100年后，硝酸甘油又导致了造福人类的新发现，正是它释放出NO气体信号分子，叩开了生命科学的神秘大门，再次与诺贝尔结下了不解之缘.这似乎只是偶然的巧合.但是这一发现恰恰符合诺贝尔的遗嘱，把荣誉与奖金授予做出了最有益于人类的重大发现的科学家.

注释:张墨英　副教授，无锡轻工大学，江苏 214036
倪静安　副教授，无锡轻工大学，江苏 214036
施敏　药剂师，无锡市第四人民医院，江苏 214036

作者简介:张墨英　倪静安 无锡轻工大学， 施敏　 无锡市第四人民医院

参考文献

　1　Beckman J.S.,et al.Am.J.Physiol.,1996；271:1424-1437
　2　Torres J.,et al.In:Packer L.Methods in Enzymology,ed.San Diego:Acad.Press,1996：3-171
　3　黄佩丽.化学教育，1998；2：46
　4　Knowlse R.G.,et al.Biochem.J.,1994;298:249
　5　Griffith O.W.,et al.Annu.Rev.Physiol.,1995;57:707
　6　Carl N.,et al.J.Biochem.,1994；269：13725-13728
　7　Iyengar R.,et al.Proc.Natl.Acad.Sci.，USA,1987；84:6369
　8　Bredt D.J.,et al.，Nature,1991；351:714
　9　肖希龙，毛晋哲，周宗灿.科学，1998；6：56
　10　Yang X.C.,et al.Circ.Res.,1994；74：318
　11　冯群先，沈士弼.生命的化学，1996；16(1)：25-27
　12　Tarpey M.M.,et al.F.EBS.Lett.,1995;364:314-318
　13　Maragos C.M.,et al.J.Med.Chem.,1991；4：3242-3247

收稿日期　1999－1－12