一氧化氮神奇生物化學作用正在揭示中

__■???■■■■■■精誠凝聚=--=成就夢想__■???■■■■?? 一氧化氮神奇生物化學作用正在揭示中95年夏天在北京舉行的第27屆國際化學奧林匹克有一道以NO的生物化學功能為主題的競賽試題、反映了試題編制者們力求的先進性、趣味性和新穎性，受到廣泛歡迎。下面是有關這個曾被美國某雜志選為明星分子的小小無機分子神奇功能的一些新近報道的綜述，讀者通過閱讀本文也許還可以感受到，化學對生命的研究已經進步到什么地步。本文主要是根據CEN,MAY6、1996：38?42上一長篇報道改寫的。你也許知道有一種叫做硝酸甘油酯的藥物，已經用了100多年了，它可以用來治療突發(fā)的心絞痛。其實，這是利用了這種藥物在生理條件下釋放出的一氧化氮，它或許是一氧化氮作為藥物的最老應用，盡管是不自覺的，只是到了近年，人們才認識到一氧化氮對動物有著多種重要作用。例如，已經知道，它是神經脈沖的傳遞介質，有調節(jié)血壓的作用，能引發(fā)免癌功能等；如果人體不能及時制造出足夠的一氧化氮，會導致一系列嚴重的疾病：高血壓、血凝失常、免疫功能損傷、神經化學失衡、性功能障礙以及精神痛苦等等；使用釋放NO的新藥甚至可能對抑制癌癥有重要作用。對一氧化氮的認識首先要歸功于微量分析技術的發(fā)展，因為一氧化氮在生命體內的濃度是極低的，僅達微摩爾級甚至更低。而且、一氧化氮在細胞間存留的壽命也很短，因為NO是單電子分子，很活潑，一旦生成很快被反應掉。因此，測試太難，這就不難理解，這樣簡單的分子為什么這樣晚才被人有所認識。NO的生成一氧化氮分子在生命體中是在一氮化氮合成酶（下文用縮寫NOS）的催化作用下生成的。這種酶有多種存在形式，但其功能都是氧化精氨酸的兩個胍基氮之一生成瓜氨照亮人生■■■?■■■■鬻照亮人生■■■?■■■■鬻■???■■■■■■精誠凝聚=--=成就夢想■???■■■■??酸和一氧化氮。反應所需的電子來自輔酶II［即煙酰胺腺嘌吟二核甘酸磷酸（NADPH）］,后者同時被氧化。分子態(tài)氧是一氧化氮的氧源。NO在生物體里的主要反應在生物體內NO的攻擊目標首先是蛋白質輔基里的金屬離子，特別是血紅蛋白里的鐵，它與金屬原子形成亞硝酰加合物。第二個去處處0能與超氧離子（02-）反應生成過氧亞硝酸根（0N00-）,第三個去處是，跟蛋白質或肽里的硫醇基反應生成S—亞硝酰加合物。NO對NOS的自抑制作用96年3月在美國的一次全國會議上，有人描述了通過神經原的NOS的作用產生的一氧化氮如何快速地與酶本身的血紅素中心的亞鐵離子生成絡合吻的過程。該絡合物生成的速度極快，在酶合成第3個一氧化氮分子之前就使反應達到平衡。據報道，與NO分子快速反應的其他生物分子對該絡合反應的速率沒有影響，這證明，NO脫離酶的活性中心與其他分子反應前一直是鍵合著的。一旦生成亞鐵一亞硝酰絡合物，酶便不再具有活性。研究者使用可見光譜和拉曼光譜證實。甚至NO正在繼續(xù)合成時，70?90%的酶已經失去活性成為自抑態(tài)。研究者很驚奇：為什么酶會如此快地因自己的產物（NO）而失活？他們認為，可能酶的活性是組織中存在的氧量調節(jié)的。NO絡合物的生成容許神經原的NOS去合成NO,其速度則與氧的濃度成正比。NO是氧量傳感器照亮人生■■■?■■■■鬻照亮人生■■■?■■■■鬻■???■■■■■■精誠凝聚=--=成就夢想■???■■■■??NO結合血紅素里的亞鐵，一結合便與分子氧反應，生成硝酸根離子，并把血紅素鐵氧化成高鐵。研究者強調，NO—酶絡合物與氧的反應是阻抑酶再次進入生化合成歷程的唯一途徑。這就建立了一種不尋常的條件，使借助氧來分解亞鐵一NO絡合物成為穩(wěn)態(tài)下的催化劑的定速步驟，而決定速度的并非電子轉移、產物離去或任何其他通常決定生物合成反應的步驟，因而，通過生成亞鐵一NO絡合物，NOS事實上成為氧的“傳感器”，能迅速改變正被合成的NO的量，以反映組織中氧量的變化。NOS并非唯一一種能夠反映NO受氧濃度變化影響的含血紅素蛋白質，血紅蛋白也具有這種性質［Nature,380,221,(1996)］。血紅蛋白結合或釋放氧或者與NO和氧反應生成硝酸根離子會引起整個血紅蛋白四聚體的變化。這些變化導致位于蛋白質半胱氨酸殘基的硫基結合或釋放NO。在血紅蛋白的筑基和血紅蛋白之間的相互反應是極其巧妙的，此中，血紅蛋白會發(fā)生一次變構，引起疏基釋放NO,該過程則既受配體的結合力的控制，又受血紅素的自旋態(tài)的控制。NO調節(jié)血壓這些研究者從而鬧清了一個長期未解的謎:NO一個重要的生物化學功能-調節(jié)血壓。血管內壁細胞含有它們自己的NOS,它們合成NO,合成的NO與鄰近的平滑肌細胞里的含血紅素的酶-鳥甘酸環(huán)化酶反應，使肌肉松馳，使血管擴張，但是研究者們感到困惑不解的是，以微摩爾量級計的NO是如何能夠到達肌肉的，因為血管本身所含的血紅蛋白的濃度達毫摩爾量級，足以清除和破壞這些NO。后來，這批美國Duke大學的科學家們發(fā)現NO在血紅蛋白的血紅素里是通過生成亞硝基硫醇而受到保護免于轉化為硝酸根的。最令人驚異的是這種亞硝基硫醇是NO跟血紅蛋白本身的半胱氨酸基反應生成的，每一個血紅蛋白的四聚體含有4個血紅素基團和兩個半胱氨酸基，每個半胱氨酸基照亮人生■■■?■■■■鬻照亮人生■■■?■■■■鬻■???■■■■■■精誠凝聚￡”=成就夢想■???■■■■??有一個硫醇基，可以結合一個NO分子。這些半胱氨酸在生物進化成鳥類和哺乳動物時得以保存，細胞生物學家長期以來就猜疑它們具有某種重要功能而一直未能得解。使用化學熒光技術能夠測量納摩級濃度的生物體系里的亞硝基硫醇。研究者們指出，NO既與血紅素鐵結合，又與半胱氨酸的巰基結合。在氧的存在下，亞鐵血紅素的上NO被氧化成硝酸根。血紅素鐵的氧化態(tài)的變化會影響半胱氨酸中結合著的NO,使它釋放NO。他們觀察到血紅細胞上的這一基團被轉移到一個小肽的硫氫基上，例如轉移到谷胱甘肽上，后者將把NO攜出細胞。當氧被結合到血紅素鐵上時，半胱氨酸會結合更多的NO。血紅蛋白結合氧會使整個四聚體的構型發(fā)生變化，由此會使半胱氨酸上的硫氫基更容易結合NO。研究者們測定由老鼠的動脈和靜脈取來的血液發(fā)現，當血液被輸送到肺部時，它既從血紅素中心取得氧，又從血紅蛋白的半胱氨酸殘基上取得NO,而返回到肺部的血液里的血紅蛋白則既耗盡了氧又耗盡了NO,研究者們指出。富氧血紅蛋白清除掉血管里的NO、但是卻使血壓發(fā)生顯著的變化，因為該分子立即使其他分子釋放NO,從而引起血管松弛。血紅蛋白運輸氧時同時也釋放NO,可能因此有助于擴充毛細管，使氧能夠被輸送到需要的細胞中去。另有人認為，NO的許多信號功能之一可能涉及NO從硫氫基釋放或與之結合。許多肽和蛋白質能夠形成亞硝基硫氫基，雖然S—亞硝酰血紅蛋白是第一個被證實的，還應當有許多蛋白質，例如組織的血纖維蛋白溶酶原的活化劑和N一甲基一D—天門冬酸酯的受體，也可能具有通過S—亞硝?；饔脕碚{節(jié)的功能，正如通過磷酸化調節(jié)的其他蛋白質一樣。但是這種說法與某些化學家的說法是相左的。后者提出動力學的論據來反對在生理條件下生成S—亞硝基硫醇。照亮人生■■■?■■■■鬻照亮人生■■■?■■■■鬻■???■■■■■■精誠凝聚=--=成就夢想■???■■■■??美國威斯康新大學的研究者們研究了可溶性鳥甘酸環(huán)化酶的調節(jié)機理，該酶與NO結合導致血管擴充。鳥甘酸環(huán)化酶也被卷入其他NO信號路徑，包括某些在中樞神經的神奇莫測的學習和記憶的形成中起作用的路徑，應用可見光譜和拉曼光譜，這些研究者研究了當NO結合時發(fā)生在鳥甘酸環(huán)化酶中的血紅素鐵的配位環(huán)境中的變化，據說。當NO結合時有一個組氨酸配體從血紅素中被置換掉了，結果生成了血紅素一亞硝酸絡合物，該絡合物不含任何來自蛋白質的配體。一氧化碳也能夠結合血紅素鐵，但是后者不置換組氨酸配體，也不會使酶活比。為了確定置換組氨酸是否使鳥昔酸環(huán)化酶活化的重要條件，研究者們用其他具有不同配位優(yōu)選性的金屬卟琳來替換該酶的血紅素基團。例如，Co(II)卟琳比起血紅素更不喜歡同時結合NO和組氨酸。研究發(fā)現，跟天然的酶一樣，含Co(II)卟琳的類似物在結合NO時也被活化。相反Mn(II)卟琳的類似物能夠同時結合NO和組氨酸，不能因結合NO而被活化。鳥甘酸環(huán)化酶結合NO后的形體在隔絕空氣時十分穩(wěn)定，但是在空氣中漸漸失活。失活是跟被結合的NO氧化成硝酸根和亞鐵血紅素氧化成高鐵血紅素有關。這意味著，這個反應可能使酶在體內失效。NO分子在昆蟲吸血時的作用在阿里桑那大學的一批研究者報告說、至少有一類血紅蛋白可以可逆地結合和釋放NO。吸血昆蟲在吸血時用這類酶擴張其獵物的血管。這些蛋白質的血紅素里的鐵是高鐵而不是亞鐵。它對NO的結合常數遠小于亞鐵血紅素。因此在生理條件下NO能夠從絡合物里解離出來。同一大學的昆蟲化學家則發(fā)現在兩類不同的昆蟲臭蟲和錐鼻蟲的唾液里發(fā)現一類叫做Nitrophorin的化合物。在pH為5.5(唾液值)時，NO結合牢固。當pH為6.35(其獵物的血液值)時NO結合松馳。pH值改變引起NO結合與釋放的現象有照亮人生■■■?■■■■鬻照亮人生■■■?■■■■鬻■???■■■■■■精誠凝聚=--=成就夢想■???■■■■??助于確保昆蟲得到足夠的血。鑒于這兩類昆蟲的蛋白質相去甚遠，因此它們可能彼此無關地用同一種方法來增加它們吸血的效率。NO和超氧離子的反應NO的另一重要生物學反應是它與超氧離子02-反應，反應的可能產物是過氧亞硝酸根離子0N00-。在生理pH值下，該離子的半衰期1-2秒，因此從未在細胞間檢出該產物。過氧亞硝酸棍離子被認為是人體有炎癥、中風、心臟病和風濕病引起大量細胞和組織毀壞的原因。它們在巨噬細胞里的受控生成是巨噬細胞能夠殺死癌細胞和入侵的微生物的重要原因。懷俄明大學的研究者用生物擬態(tài)法合成了過氧亞硝酸的四甲基銨鹽。合成反應是計量的，在液氨里進行，以保證超氧離子在溶液中存在，并可避免生成亞硝酸根和硝酸根的副產物。研究者們正用譜學方法和簡單的反應來探究過氧亞硝酸根離子的基本性質。例如它的基態(tài)究竟是順式的還是反式的，這兩種構型之間轉化的能閾有多大，以及它和硝酸根的異構化反應等。例如，他們發(fā)現，當標記的過氧亞硝酸根在180標記的水中分解時，生成的硝酸根有關11%180。由此可見，該反應絕不是簡單的異構化反應。正在試驗中的釋放NO的新藥盡管像硝酸甘油這樣的給出NO的藥物已經用了一百多年，至今仍然沒有一種完美的藥物。例如，用于治療心絞痛的硝酸甘油必須經還原產生NO。因連續(xù)使用硝酸甘油會造成人體供應的還原劑的一時匱乏而降低藥效。又例如手術時用于控制血壓的一種金屬亞硝?；衔?硝普鹽會釋放出有毒的副產物鼠離子，新近研究的新藥照亮人生■■■?■■■■鬻照亮人生■■■?■■■■鬻■???■■■■■■精誠凝聚￡”=成就夢想■???■■■■?■Diazeniumdiolates可能是一類較好的NO給體，可用于多種威脅生命的疾病。該陰離子以固態(tài)存在時是穩(wěn)定的，當溶解時則釋放出2個摩爾的NO,如下式所示：通過改變該陰離子的有機基團X可以合成的這類藥物的種簡直是無限的。所有已經合成的藥物溶解釋放NO分子的反應均為一級反應。在生理條件下，溶解后的分子的半衰期為3秒至20小時不等。該新藥正在研究的應用之一是用于心臟冠狀動脈擴張術，在手術中打開的冠狀動脈會導致平滑肌細胞增生和血小板聚集。NO可將兩者阻抑住。一個試驗是手術時在老鼠的冠狀動脈血管外壁敷以含該新藥的膠。發(fā)現在手術兩周后組織的增生明顯受到抑制。還有一則試驗是將該新藥注射到豬的心包內?？疾焓欠衲軌蛟谙喈旈L的時間內明顯阻抑組織