李鵬飛,郭銘生,石達(dá)友,劉 念,唐兆新

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院,廣東廣州510642)

一氧化氮(nitric oxide,NO)是體內(nèi)重要的信使分子和神經(jīng)遞質(zhì),以自分泌和旁分泌形式作用于組織細(xì)胞,參與細(xì)胞間信號傳遞。它幾乎對全身各組織器官均有影響,參與許多生理和病理過程,如學(xué)習(xí)、記憶、血管調(diào)節(jié)、免疫反應(yīng)等[1-2]。NO發(fā)揮生理功能是通過與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合,激活鳥苷酸環(huán)化酶,生成第二信使環(huán)鳥一磷cGMP,調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝(降低胞內(nèi)游離鈣濃度,擴(kuò)張血管等),其中很多是通過對線粒體的信號調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的[3]。NO對線粒體具有雙重作用,當(dāng)局部NO濃度低于生理濃度(1 μ mol/L)時,它可直接與許多分子結(jié)合而發(fā)揮生理功能,如促進(jìn)血紅蛋白釋放氧氣,增加組織供氧;在病理情況下,局部NO濃度升高,NO就會發(fā)揮毒性作用,破壞線粒體正常功能,引起細(xì)胞凋亡。

1 機(jī)體NO的合成

合成NO的主要場所是血管內(nèi)皮細(xì)胞、呼吸道細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、肝細(xì)胞及部分腫瘤細(xì)胞。內(nèi)源性NO合成的前體是左旋精氨酸(L-arg),L-arg末端胍基上的2個相同的氫原子之一在NO合成酶(nitric oxide synthase,NOS)的作用下生成NO。機(jī)體內(nèi)NOS存在3種不同的亞型。根據(jù)其對鈣離子的敏感性分為兩大類:一類為鈣依賴性NOS,即原生型NOS,包括存在于內(nèi)皮細(xì)胞的內(nèi)皮型NOS和存在于神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)型NOS,作用比較迅速;另一類為鈣非依賴性NOS,主要是存在于巨噬細(xì)胞的誘導(dǎo)型NOS,合成不依賴鈣的參與,一般在一些細(xì)胞因子或脂多糖的刺激下易產(chǎn)生表達(dá)[4-5]。

2 NO對機(jī)體線粒體活動的影響作用

2.1 NO對細(xì)胞內(nèi)呼吸鏈的影響

根據(jù)Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說,質(zhì)子的移動在線粒體內(nèi)膜建立2個梯度,一個是電位梯度,另一個是質(zhì)子梯度。第一個梯度使得內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)電位為負(fù),第二個梯度維持基質(zhì)堿性。抑制線粒體電子傳遞鏈,可減小這兩個梯度。雖然細(xì)胞色素C氧化酶的氧氣(oxygen,O2)結(jié)合位點(diǎn)是特異性的,但NO和O2在化學(xué)上的一些共性使得NO能與O2競爭,結(jié)合到細(xì)胞色素C氧化酶上,從而抑制了電子傳遞。這種抑制作用是可逆性的,且呈劑量依賴性,因此,藥理學(xué)上可以認(rèn)為NO是O2的頡頏劑[6-7]。在生理濃度下的NO就能抑制O2的消耗,降低電位梯度和質(zhì)子梯度,從而減少ATP的生成。

2.2 NO調(diào)節(jié)細(xì)胞色素C的釋放,誘導(dǎo)氧化應(yīng)激

NO作為細(xì)胞色素C氧化酶的調(diào)節(jié)劑,不同于其他細(xì)胞色素C氧化酶抑制劑,具有以下特點(diǎn):①通過特殊的酶以一定的速率產(chǎn)生;②產(chǎn)生的部位與效應(yīng)部位十分接近;③它對呼吸的抑制是可逆性的。有關(guān)線粒體NO最大的生理作用在于其對線粒體的呼吸并不象其他抑制劑一樣是阻斷作用,而是通過減緩呼吸鏈中的電子流來抑制呼吸的,這樣避免了完全的呼吸抑制和低[NO]/[O2]比導(dǎo)致的活性氧生成,而活性氧的生成將對細(xì)胞產(chǎn)生極為不利的影響[8]。

2.3 促進(jìn)O2向周圍組織的擴(kuò)散

線粒體NO的產(chǎn)生,有利于O2向周圍組織的擴(kuò)散。靠近血管的細(xì)胞能較周圍細(xì)胞獲得更多的L-精氨酸和O2,活化線粒體NOS,使之產(chǎn)生更多的NO。產(chǎn)生的NO反過來與細(xì)胞色素C氧化酶結(jié)合,抑制了O2的消耗,使更多的O2擴(kuò)散到鄰近組織。

2.4 NO介導(dǎo)自由基和神經(jīng)損傷

研究發(fā)現(xiàn),NO本身無毒,它所產(chǎn)生的神經(jīng)毒性多是過氧化亞硝基陰離子(peroxynitrite,ONOO—)作用的結(jié)果。ONOO—等活性氧引發(fā)的氧化損傷是NO引起神經(jīng)損傷的重要途徑。NO與超氧陰離子(O2—)相互作用形成ONOO—,后者是一種極其活躍的強(qiáng)氧化劑,它不僅自身有細(xì)胞損傷作用,還可與H+形成ONOOH,繼而迅速分解成許多毒性代謝產(chǎn)物如羥自由基(OH°)、硝基和亞硝基等。OH°能快速與活細(xì)胞內(nèi)所有分子反應(yīng),并有很強(qiáng)的親和力,導(dǎo)致DNA單鏈或雙鏈的斷裂及脫氧核糖中嘌呤堿基、嘧啶堿基、膜脂質(zhì)層碳水化合物、蛋白質(zhì)的化學(xué)改變,進(jìn)一步引起損傷線粒體電子傳遞系統(tǒng)的一系列反應(yīng),對特定的組織器官造成損傷[9-11]。

2.5 NO與細(xì)胞凋亡

NO能誘導(dǎo)心肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、胸腺細(xì)胞、胰腺細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞等的凋亡。在凋亡過程中,一氧化氮合酶信使RNA(NOS mRNA)表達(dá)顯著增強(qiáng),NOS抑制劑除能抑制NOS mRNA表達(dá)及生成NO外,還能部分或全部抑制凋亡[12]。NO誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡機(jī)制主要包括以下幾個方面:①影響線粒體的能量代謝。擴(kuò)散進(jìn)入線粒體的及自身合成的NO參與能量代謝,既能通過各種途徑降低ATP生成,又能促進(jìn)ATP消耗;②線粒體凋亡途徑活化。NO可通過線粒體膜電位降低直接介導(dǎo)細(xì)胞色素C的釋放,而胞漿內(nèi)的細(xì)胞色素C可以活化Caspase依賴的細(xì)胞凋亡信號通路[13];③NO氧化形成ONOO—途徑。NO與O2結(jié)合生成ONOO—,能氧化損害蛋白質(zhì)、脂類和核酸,破壞線粒體結(jié)構(gòu)的完整性;④NO作用于細(xì)胞凋亡的信號通路。NO通過作用于細(xì)胞凋亡基因,啟動凋亡程序,調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)基因等途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

2.6 NO對線粒體生物合成的積極影響

最初,NO被確認(rèn)為血管擴(kuò)張劑,其調(diào)節(jié)血液流動至組織,轉(zhuǎn)而控制氧的供給和線粒體的呼吸底物,以及這些線粒體所產(chǎn)熱的重新分配。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),NO能直接調(diào)控氧與血紅素的結(jié)合與釋放,而且以這種方式控制對線粒體的氧的供給[14],可誘導(dǎo)的有相似構(gòu)成的NOS產(chǎn)生大量有細(xì)胞毒性的NO,但一般發(fā)生在炎癥早期。如果炎癥轉(zhuǎn)為慢性,那么健康的宿主細(xì)胞也有可能被NO殺死,這要?dú)w因于引起炎癥的病理產(chǎn)物[15]。NO有細(xì)胞毒性,部分原因是它使病毒性的感染細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞和寄生蟲的線粒體呼吸鏈酶失活;另一個原因是它能激活凋亡的線粒體支路。在高濃度時,NO抑制呼吸鏈的許多成分,包括細(xì)胞色素氧化酶與氧的結(jié)合位點(diǎn)[16]。

3 結(jié)語

NO對線粒體很多信號的調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用,具有細(xì)胞保護(hù)和細(xì)胞毒性雙重作用。NO的產(chǎn)生不足或過量都將導(dǎo)致不良反應(yīng)。因此,NO就像是一柄雙刃劍,臨床上應(yīng)盡量將其有利作用發(fā)揮至最大。目前,臨床上對NO的應(yīng)用主要是開發(fā)多種NO供體應(yīng)用于人類各種疾病比如心血管疾病,神經(jīng)系統(tǒng)疾病,免疫系統(tǒng)疾病,腫瘤性病毒的治療。并注意抑制其負(fù)面效應(yīng),比如其對神經(jīng)的損傷,對呼吸鏈的影響,對健康細(xì)胞的毒性作用等[17]。但是,它還是一個非?！澳贻p的分子”,目前的研究主要停留于體外試驗(yàn)和動物試驗(yàn),臨床研究涉及極少,隨著人們對NO研究不斷的深入和發(fā)展,NO在疾病的臨床治療中必將有更好地發(fā)展前景并獲得更廣泛的應(yīng)用。需對NO的作用機(jī)制進(jìn)行更為深入的研究,從而打通這一路徑,以便采取更為有效的干預(yù)機(jī)制,更好地發(fā)揮其積極效應(yīng)[18]。

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