一氧化氮對線粒體信號的調節

李鵬飛,郭銘生,石達友,劉 念,唐兆新

(華南農業大學獸醫學院,廣東廣州510642)

一氧化氮(nitric oxide,NO)是體內重要的信使分子和神經遞質,以自分泌和旁分泌形式作用于組織細胞,參與細胞間信號傳遞。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,如學習、記憶、血管調節、免疫反應等[1-2]。NO發揮生理功能是通過與細胞膜上的受體結合,激活鳥苷酸環化酶,生成第二信使環鳥一磷cGMP,調節細胞代謝(降低胞內游離鈣濃度,擴張血管等),其中很多是通過對線粒體的信號調節來實現的[3]。NO對線粒體具有雙重作用,當局部NO濃度低于生理濃度(1 μ mol/L)時,它可直接與許多分子結合而發揮生理功能,如促進血紅蛋白釋放氧氣,增加組織供氧;在病理情況下,局部NO濃度升高,NO就會發揮毒性作用,破壞線粒體正常功能,引起細胞凋亡。

1 機體NO的合成

合成NO的主要場所是血管內皮細胞、呼吸道細胞、巨噬細胞、神經細胞、中性粒細胞、肝細胞及部分腫瘤細胞。內源性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。機體內NOS存在3種不同的亞型。根據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,包括存在于內皮細胞的內皮型NOS和存在于神經細胞的神經型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胞的誘導型NOS,合成不依賴鈣的參與,一般在一些細胞因子或脂多糖的刺激下易產生表達[4-5]。

2 NO對機體線粒體活動的影響作用

2.1 NO對細胞內呼吸鏈的影響

根據Mitchell提出的化學滲透學說,質子的移動在線粒體內膜建立2個梯度,一個是電位梯度,另一個是質子梯度。第一個梯度使得內膜基質側電位為負,第二個梯度維持基質堿性。抑制線粒體電子傳遞鏈,可減小這兩個梯度。雖然細胞色素C氧化酶的氧氣(oxygen,O2)結合位點是特異性的,但NO和O2在化學上的一些共性使得NO能與O2競爭,結合到細胞色素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,藥理學上可以認為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,降低電位梯度和質子梯度,從而減少ATP的生成。

2.2 NO調節細胞色素C的釋放,誘導氧化應激

NO作為細胞色素C氧化酶的調節劑,不同于其他細胞色素C氧化酶抑制劑,具有以下特點:①通過特殊的酶以一定的速率產生;②產生的部位與效應部位十分接近;③它對呼吸的抑制是可逆性的。有關線粒體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]比導致的活性氧生成,而活性氧的生成將對細胞產生極為不利的影響[8]。

2.3 促進O2向周圍組織的擴散

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

2.4 NO介導自由基和神經損傷

研究發現,NO本身無毒,它所產生的神經毒性多是過氧化亞硝基陰離子(peroxynitrite,ONOO—)作用的結果。ONOO—等活性氧引發的氧化損傷是NO引起神經損傷的重要途徑。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氧化劑,它不僅自身有細胞損傷作用,還可與H+形成ONOOH,繼而迅速分解成許多毒性代謝產物如羥自由基(OH°)、硝基和亞硝基等。OH°能快速與活細胞內所有分子反應,并有很強的親和力,導致DNA單鏈或雙鏈的斷裂及脫氧核糖中嘌呤堿基、嘧啶堿基、膜脂質層碳水化合物、蛋白質的化學改變,進一步引起損傷線粒體電子傳遞系統的一系列反應,對特定的組織器官造成損傷[9-11]。

2.5 NO與細胞凋亡

NO能誘導心肌細胞、神經細胞、巨噬細胞、胸腺細胞、胰腺細胞、腫瘤細胞等的凋亡。在凋亡過程中,一氧化氮合酶信使RNA(NOS mRNA)表達顯著增強,NOS抑制劑除能抑制NOS mRNA表達及生成NO外,還能部分或全部抑制凋亡[12]。NO誘導細胞凋亡機制主要包括以下幾個方面:①影響線粒體的能量代謝。擴散進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細胞色素C的釋放,而胞漿內的細胞色素C可以活化Caspase依賴的細胞凋亡信號通路[13];③NO氧化形成ONOO—途徑。NO與O2結合生成ONOO—,能氧化損害蛋白質、脂類和核酸,破壞線粒體結構的完整性;④NO作用于細胞凋亡的信號通路。NO通過作用于細胞凋亡基因,啟動凋亡程序,調節凋亡相關基因等途徑誘導細胞凋亡。

2.6 NO對線粒體生物合成的積極影響

最初,NO被確認為血管擴張劑,其調節血液流動至組織,轉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熱的重新分配。進一步發現,NO能直接調控氧與血紅素的結合與釋放,而且以這種方式控制對線粒體的氧的供給[14],可誘導的有相似構成的NOS產生大量有細胞毒性的NO,但一般發生在炎癥早期。如果炎癥轉為慢性,那么健康的宿主細胞也有可能被NO殺死,這要歸因于引起炎癥的病理產物[15]。NO有細胞毒性,部分原因是它使病毒性的感染細胞、腫瘤細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,包括細胞色素氧化酶與氧的結合位點[16]。

3 結語

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

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