锂电池正极材料有哪些:诺贝尔奖成果探密－揭开明星分子一氧化氮的神秘面纱

一氧化氮
一氧化氮(nitric oxide, NO)是人们熟知的无机小分子化合物，是造成空气污染的主要污染源之一。但长期以来对其生理作用却知道不多。近年来发现一氧化氮广泛的分布于生物体内的各组织中，起着重要的生理作用。尤其是人们惊讶的发现血管内皮松弛因子(EDRF)的化学本质极有可能就是仅仅由一个氮原子和一个氧原子组成的一氧化氮时，一氧化氮的重要生物学作用得到了人们的普遍关注。1992年一氧化氮被美国的Science杂志评为年度明星分子。目前，对一氧化氮的生物和化学性质的研究已经成为一个非常热门的课题，每年都有超过4000多篇的关于一氧化氮的论文发表。

一、 一氧化氮的生物合成及其生物学作用
1．一氧化氮的生物合成
在人体中，NO由一氧化氮合成酶(NOS)以左旋精氨酸(L-arginine)、分子氧(O2)、还原型尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)为底物，FAD、FMN、血红素、四氢叶酸(BH4)以及钙调节蛋白(CaM)为辅基催化合成的 。NOS催化合成NO的机制目前还不十分清楚，一般认为它包括两个单氧化过程。首先，一分子氧和一分子NADPH和BH4反应生成中间产物N-羟基-左旋精氨酸(NHA)，然后在黄素酶的参与下NHA继续氧化生成L-胍氨酸和一氧化氮。目前已基本证实存在L-arginine~NO通路的组织和细胞有血管内皮细胞、血管平滑肌、血小板细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、脑细胞、肝细胞Kupffer细胞、非交感非胆碱能神经、肿瘤细胞等。NOS是NO生物合成的关键因素，它是一种分子量约为150000的蛋白质，目前已被纯化或克隆的NOS根据其活性的基本调控条件可大致分为原生酶和诱生酶两种类型。原生酶主要分布于内皮细胞、血小板和神经系统，溶于细胞质并依赖于CaM/Ca2+，引起较少和较短期的NO释放。原生酶诱导下的NO释放主要与内皮细胞调节、血小板阻聚和突触传递等要生理功能有关；诱生酶也溶于细胞质，目前在平滑肌细胞、肝细胞、星形角质细胞、胰腺b细胞和多种癌细胞中都发现了诱生酶的存在。诱生酶的活性不依赖于CaM/Ca2+调节，而需要四氢生物喋呤(BH4)等辅助因子，诱生型NOS一旦产生，其引起的NO释放是长时间和大量的。诱生酶催化下的NO释放主要与调节生物免疫反应等功能有关，NO通过与蛋白质金属络合、阻止DNA的合成等方式来阻止细胞繁殖并破坏、杀死细胞。NOS具有极强的选择性，多种L-arginine的取代产物如：NG-monomethyl-L-arginine(L-NMMA)，NG-nitro-L-argininemethyl ester (L-NAME)和NG,NG-dimethyl-L-arginine(asymmetric dimethyl-arhinine, ADMA)对于NOS的活性都有抑制作用。这种抑制作用普遍作用于原生酶和诱生酶，对二者的作用效果并无多大差别。NOS虽然具有极强的选择性，但是部分取代的L-arginine可以被催化水解为L-arginine从而被NOS
作用参与NO的生物合成。

2．一氧化氮的生物学作用
关于一氧化氮的生理作用、病理作用以及其在临床上潜在的重要应用的研究现在已经成为生物学研究领域中最活跃的部分之一。最近几年，关于一氧化氮的生物活性与应用的文章潮水般的出现在各种科学杂志上。一氧化氮在生物体内的很多器官中(如：血循环系统，内分泌系统，肝脏，肾脏，胃，肠，生殖器等)都表现出了极重要的生理作用。人们甚至发现从远古时期有机体开始就已经依赖一氧化氮完成某些生理功能，例如马蹄蟹是一种具有五亿年历史的生物，是一种活的生物标本，其体内就依靠L-arg : NO过程来阻止血细胞的聚合。一氧化氮的基本生物学作用之一是细胞间信息递质，在大
多数组织细胞中NO作为信号的传递体通过激活鸟苷酸环化酶(GC)来发挥作用。NO合成释放后由于其亲脂性特点在邻近的细胞间迅速扩散并与其中含有GC的血红素基团(Heme)结合，形成NO-Heme-GC复合物，此为GC的活化形式，激活的GC使细胞内cGMP大量产生和堆积，从而发挥其松弛血管平滑肌，抑制血小板聚集及中枢神经传导等生理功能
1) 在血循环系统中的作用
一氧化氮有强大的松弛血管平滑肌的作用，因此具有强大的调节血压的作用。一氧化氮在10~100nmol/L的低浓度下就可以发挥其生理作用。与传统的认识不同的是，根据最新研究，一氧化氮可以通过扩张血管壁而引起阴茎的勃起。类似的，一氧化氮可以控制生物体中许多管腔的活动，其中包括食道和肠蠕动。众所周知，硝酸甘油是治疗心绞痛的药物，但其治疗机理多年来都不是很清楚，近年的研究发现，硝酸甘油和其它一些有机硝酸盐本身并无活性，它们在体内首先被转化为一氧化氮，是一氧化氮促使血管平滑肌舒张的。在生理状态下，当血管受到血流冲击、灌注压突然升高
时，一氧化氮作为平衡使者维持其器官血流量相对稳定，使血管具有自身调节作用。能够降低全身平均动脉血压，控制全身各种血管的静息张力，增加局部血流，因此一氧化氮是血压的主要调节因子。

2) 在神经系统中的作用
1988年Garthwaite首先提出中枢神经系统存在NOS活性，目前已知NO不仅是中枢神经系统的信使物质，而且在外周神经系统中也具有同样的功能。一氧化氮在神经细胞间起着神经递质的作用，据报道，一氧化氮与学习、记忆、睡眠、感觉疼痛、精神压抑等神经活动和感觉有关。虽然NO在生理条件下的半衰期只有3-5秒左右，使心血管药理学家感到遗憾，但由于NO能迅速在细胞间扩散且神经传递的路径又很短，因此对神经学家来说NO的半衰期与其它经典递质相比仍然是较长的，NO仍被认为是一种慢突触传递介质。其生物学意义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。在外周神经系统中也存在L-arginine?NO途径。NO被认为是非胆碱能、非肾上腺能神经的递质或介质，参与痛觉传入与感觉传递过程。另据报道，NO在胃肠神经介导胃肠平滑肌松弛中起着重要的中介作用，在胃肠间神经从中，NOS和血管活性肠肽共存并能引起非肾上腺素能非胆碱能(NANC)舒张。NO作为NANC神经元递质，在泌尿生殖系统中起着重要作用，成为排尿节制等生理功能的调节物质。现已证明在人体内广泛存在着以NO为递质的神经系统，它与肾上腺素能、胆碱能神经和肽类神经一样重要。若其功能异常就可能引起一系列疾病。

3) 在免疫系统中的作用和NO的细胞毒性作用
有证据表明NO具有免疫功能，其细胞毒性作用是非特异性宿主防御反应的组成部分。机体可以利用分泌的一氧化氮来杀死入侵的病毒、细菌、寄生物以及癌细胞。研究结果表明，NO可产生于人体内的多种细胞。人体免疫系统的重要成员巨噬细胞、成纤维细胞都可释放NO来杀死外来的病原体，肝细胞也有类似作用。巨噬细胞对细菌生长的抑制作用有赖于L-arginine，目前认为，经激活的巨
噬细胞释放的NO可以通过抑制靶细胞线粒体中三羧酸循环、电子传递和细胞DNA合成等途径，发挥杀伤靶细胞的效应；癌细胞在g-干扰素、肿瘤坏死因子等诱导下释放NO并在NO的作用下停止繁殖；细胞因子介导的对疟疾病原体的杀伤作用与血浆中的NO水平有关。另外，一氧化氮在免疫系统中还发挥着细胞间信息传递的作用，如巨噬细胞对脾T-细胞分裂的抑制作用就是NO依赖性的。
免疫反应所产生的一氧化氮对邻近的组织和能够产生NOS的细胞也有毒性作用。例如在脑细胞中，一氧化氮的少量释放可作为信使物质传递信息，而大量释放时又可杀死脑细胞。一些与免疫系统有关的局部或系统组织损伤，血管和淋巴管的异样扩张及通透性等，都可能与一氧化氮的局部含量有着密切关系。然而，令人奇怪的是释放大量一氧化氮的神经细胞本身却不受其害，一氧化氮的这一选择性神经毒性作用在某些病理过程中具有重要意义。病理情况下，由一氧化氮所造成的生物毒性作用可能与下列两个因素有关：
[1] 一氧化氮能与生物系统中产生的超氧阴离子相互作用生成强氧化性物质过氧亚硝基化合物(图三)，它是一种自由基并且足够稳定可扩散到其它细胞造成显著的细胞损伤；

[2] 一氧化氮可引起核酸的硝基化反应从而使DNA断裂，因此一氧化氮的慢性病理性合成可能是一个致癌性的细胞转化危险因素。
4) 一氧化氮在药物研究上的意义
一氧化氮广泛的参与生物体内的生理活动，因此有关一氧化氮的药物研究也具有着广泛的应用范围。抑制一氧化氮的药品、促进一氧化氮生成的药品以及可以释放一氧化氮的药品都分别在药理学上有着不同的意义。例如：抑制一氧化氮分泌的药品具有消炎的作用，可以治疗关节炎等疾病；而释放和促进释放一氧化氮的药品就具有着治疗心血管疾病、肺局部血压增高等疾病的作用。从长远的观点来看，有效的控制生物体内的一氧化氮的浓度或活性，对于治疗脑振荡、阿尔茨海默氏痴呆和帕金森氏病
都具有非常诱人的前景。现在研究的比较多的几类有关一氧化氮的药物主要有：
[1] 硝基扩血管物质(nitrovasodilator)
硝基扩血管药物已经被临床应用在治疗心绞痛等心血管疾病百余年了，但直至最近人们才认识到其作用机理与一氧化氮有关。这类药物都是在体内经过代谢可以生成一氧化氮而发挥作用。另据研究，其发挥作用与体内的游离活性巯基有关，硝酸甘油等药物必须在活性巯基存在下才能激活GC，从而发
挥舒血管作用。另外，实验发现一氧化氮还具有镇痛作用，因此硝基扩血管药物的抗心绞痛作用可能部分源于其镇痛作用。

[2] 左旋精氨酸
左旋精氨酸是一氧化氮合成的原料，大量动物实验表明L-arginine可以增加体内一氧化氮的合成。但是增加L-arginine的摄入量能否有效的改善一氧化氮的生成量还需进行进一步的研究，因为生物体内的L-arginine的水平很高，而且L-arginine也不参与一氧化氮合成的限速步骤。

[3] 一氧化氮合成酶抑制剂
通过使用一氧化氮合成酶抑制剂来抑制一氧化氮的合成，是治疗一些疾病的有效途径。动物实验表明，NOS抑制剂有着广泛的作用，例如：升高血压、调节免疫功能，保护NMDA诱发的癫痫发作、翻转
内毒休克时的低血压等。

[4] 一氧化氮合成酶辅助因子调节剂
四氢生物喋呤(BH4)是一氧化氮合成的辅助因子。氨甲喋呤可抑制二氢叶酸还原酶的活性，降低BH4的合成，从而可剂量依赖性的抑制一氧化氮诱生酶的活性。这一作用可能与其消炎和免疫抑制作用有
关。另外，BH4新生抑制剂，如：N-乙酰五羟色胺和2, 4-二氨基-6-羟基吡啶可以更为有效的降低NOS的活性。因此，抑制BH4的生物合成可作为降低NO诱生酶活性的有效途径，可能会具有重要的临床意义。

二．一氧化氮与生理作用相关的化学性质和化学反应
1. 一氧化氮的物理化学性质
一氧化氮之所以具有重要的生物学意义与其特殊的性质是密不可分的。众所周知，一氧化氮是无机小分子化合物，在常温下是无色的气体，熔点-163.6℃，沸点-151.8℃。一氧化氮在25℃、1atm大气压下饱和水溶液中的溶解度为1.8′10-3mol/dm-3 (PH=2~13)。一氧化氮具有脂溶性，这可能是它在人体内成为信使分子的原因之一，它不需要任何中介机制就可以快速扩散通过生物膜，将一个细胞产生的信息传递到它周围的细胞中，一氧化氮作用的主要的影响因素是它的生物半衰期。

中性的一氧化氮具有一个不成对电子，是一个自由基，具有很高的化学活性，这正是一氧化氮能够在生物体内发挥重要生理作用的根本原因。NO有一个处于2p-p反轨道的单电子，NO失去这个电子形成NO+，而获得一个电子则生成NO-。它们的一些物理化学性质见。一氧化氮在O2及超氧阴离子的存在下，可迅速被氧化成NO2，以硝酸盐(NO3-)和亚硝酸盐(NO2-)的形式存在于细胞内、外液中从而失去其活性。一氧化氮在超氧化物歧化酶(SOD)和酸性条件下，化学性质稳定。

2. 一氧化氮参与的生物体氧化还原反应
NO是自由基，极易参与传递电子的反应，加入到机体中的氧化还原反应体系中。

1) 过氧亚硝基的生成
最近发现，多形核白细胞，内皮细胞和神经细胞等在某些病理条件下，可同时产生超氧负离子和一氧化氮自由基，超氧负离子在体内酶(SOD)催化下歧化分解的很快(109mol-1s-1)，很多生物分子可能不是它的靶细胞。然而，超氧负离子和一氧化氮自由基可以反应生成过氧亚硝基(OONO-)，反应速率常数为6.4′109mol-1s-1 ，和超氧负离子在SOD作用下的分解反应是一个数量级的。但由于超氧负离子和一氧化氮自由基是在同一细胞中产生的，因此应该首先生成过氧亚硝基。过氧亚硝基是一种氧化性极强的物质，它的半寿命在PH=7.4时为1.9秒，可扩散几个细胞的距离，氧化细胞膜脂和蛋白质的巯基，导致细胞损伤和疾病的发生。在碱性条件下过氧亚硝基是比较稳定的，一旦质子化，立即分解产生类羟基和NO2自由基。实验表明，很多病理条件下都发生此反应。过氧亚硝基能迅速的与维生素E反应生成一系列混合物。在甲醇中的主要产物是甲氧基生育酚；在乙氰中的主要产物是生育酚的醌式。在二者中检测到生成2%的酚氧自由基。过氧亚硝基氧化维生素E的历程是通过一个双电子反应进行的，这个双电子反应可能是同时的，也可能是连续的。当然，单电子反应历程产生的维生素E过氧化自由基只是一个副反应的次要产物。反应式如图五。细胞外介质中含量最丰富的组分是碳酸氢根离子，存在的浓度是25mM。HCO3-/CO2体系是血液中最重要的缓冲体系，而HCO3- 与碳酸也是快速平衡体系；虽然，在血浆和细胞液中的大部分以共轭酸的形式存在，但CO2在血浆中的浓度是1.3mM。HCO3 - 在自由基反应过程中并非惰性分子，能与羟基反应生成HCO3 -，该反应是二级反应，先前的研究明，过氧亚硝基与HCO3 -/CO2 的平衡体系反应；但近来的研究表明过氧亚硝基迅速的与二氧化碳反应，并且明显的观察到碳酸氢根离子存在下，过氧亚硝基诱导的鲁米诺化学荧光。另外，高浓度的碳酸根离子(5-30mM)也能抑制过氧亚硝基的杀菌杀寄生虫作用。同样，过氧亚硝基对苯丙胺酸的羟基化，硝基化也受到碳酸根离子(25mM)的限制。这些研究都表明HCO3 -/CO2共轭酸碱能够调节过氧亚硝基的强氧化性。

目前已有研究表明，茶多酚、槲皮素和维生素C等化合物对由过氧亚硝基所产生的毒害作用具有一定清除能力。文献报道中有以DMSO为模型底物，ONOO -氧化二甲基亚砜(DMSO)可产生甲基自由基，而往此体系中加入茶多酚、槲皮素、VC等可以对由过氧亚硝基氧化DMSO而产生的甲基自由基有清除作用，其中茶多酚的清除能力最强、槲皮素次之、维生素C最小。

2) 一氧化氮与一些具有生物活性的抗氧化物质的反应
一氧化氮可以与一些生物体内的抗氧化物质发生反应，也就是说一些抗氧化物质对一氧化氮具有清除作用。文献报道一氧化氮可以夺取一些抗氧化化合物的H，发生H转移，从而发生亚硝化反应或氧化反应。。在三叔丁基苯酚的SDS胶束中除氧后通入一氧化氮进行反应，在2.0G处可以检测出1:2:1的三重峰ESR信号，可确定是三叔丁基苯氧自由基信号。产物经鉴定分别为两种位置的亚硝化产物。由此可证明上机理。文献报道，维生素E类化合物也可发生类似的反应。

3) 一氧化氮与辅酶NADH的反应
辅酶NAD/NADH广泛参与生物体内的氢转移氧化还原反应，据最近研究NAD/NADH同时也参与一些其它的官能团的转移反应[26]。例如，在一种被称为单ADP核糖基化作用mono-(ADP-ribosylation)的官能团转移代谢反应中，ADP-核糖从NAD转移到目标蛋白质中，同时释放出烟酰胺。一氧化氮或其它一氧化氮释放剂对这类反应的进行具有一定的诱导作用。探索这类反应的机理，对于彻底理解一氧化氮怎样作用于cGMP从而发挥其生物作用具有重要意义。一氧化氮释放剂诱导的吡啶核苷酸依赖蛋白质修饰反应具有改变蛋白质功能的作用。人们目前对于这类反应的机理仍然只是进行了一系列推测。比较公认的反应历程大概是：生物体中的游离活性巯基首先与亚硝化试剂发生亚硝化反应，生成相应的亚硝化巯基蛋白质(protein-S-NO)。紧接着，亚硝化巯基蛋白质与NADH发生反应，一分子NO转移到NADH的烟酰胺的N上，生成亚硝化的NADH + ；或者NO转移到NADH的烟酰胺的C-5上生成C-亚硝基-NADH+。在第一种情况下，蛋白质硫醇负离子会进攻N-亚硝基-NADH + 的核糖基的C'-1位，从而用一氧化氮亚硝基化反应置换下NADH的核糖基，生成mono(ADP-ribose)-protein，这个反应在水溶液中更容易发生；在第二中情况下，蛋白质硫醇负离子会进攻NADH烟酰胺的C-6位，从而生成一种经修饰的NADH的蛋白质加成物。
可以看的出来，此反应的历程关键取决与NADH与亚硝化巯基蛋白质发生的亚硝化反应，但不论是哪种情况，NADH在发生电子转移反应后，都不再保持其吡啶核苷酸基辅酶的结构了。

对于以上机理合理性的证明，关键是要证明NADH是一种亚硝化反应的底物。目前，关于生物体内亚硝化试剂到底是什么形式的问题还没有定论。但普遍认为一氧化氮本身并不是一种亚硝化试剂，而
只是多种具有生物氧化还原能力的物质的前体。近期的研究我们的实验认为N2O3可能是生物体内亚硝化反应的一种亚硝化试剂。实验证明，NADH在与一氧化氮在PH=7.4的条件下并不表现出亚硝化反应底物的性质。值得注意的是，ONOO - 作为一氧化氮的衍生物，具有很强的细胞毒性作用。同时过氧亚硝基也可以促进吡啶核苷酸依赖蛋白质修饰。过氧亚硝基是一种强有力的亚硝化试剂，它可以间接的通过单电子氧化反应把NO氧化为NO + 或其它方式来影响生物体内的亚硝化反应。实验表明，在PH=7.4的有氧条件下，过氧亚硝基可以把NADH氧化为NAD。

3. 一氧化氮与生物体内蛋白质过渡金属形成配合物的反应蛋白质金属和含有Fe-S中心的蛋白质都是生物体内一氧化氮作用的一种重要的目标分子。一氧化氮与蛋白质的金属中心发生络合后就相应的改变了蛋白质的生物功能。一方面这与大多数一氧化氮生物毒性机理有关。另一方面这种作用也与一氧化氮的正常生理作用有着密切的联系，例如：一氧化氮与血红素铁和非血红素铁都有极高的亲合力，它们形成分子配合物在鸟苷酸环化酶的活化作用中发挥着重要的作用。一氧化氮与蛋白质的金属中心的络合产物大都具有顺磁性，可以用ESR来检测。这个性质已被广泛的应用在了一氧化氮的自旋捕截研究中，如使用二价铁的血红素结构能捕获NO生成HbFe2+-NO，使用二硫代氨基甲酸钠的衍生物与二价铁形成的铁硫型配合物来捕获一氧化氮也是近年来颇具新意的研究工作。

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