一氧化氮對線粒體信號的調(diào)節(jié)

李鵬飛,郭銘生,石達友,劉 念,唐兆新

(華南農(nóng)業(yè)大學獸醫(yī)學院,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(diào)節(jié)、免疫反應等[1-2]。NO發(fā)揮生理功能是通過與細胞膜上的受體結合,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)細胞代謝(降低胞內(nèi)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(diào)節(jié)來實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(nèi)皮細胞、呼吸道細胞、巨噬細胞、神經(jīng)細胞、中性粒細胞、肝細胞及部分腫瘤細胞。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)皮細胞的內(nèi)皮型NOS和存在于神經(jīng)細胞的神經(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(chǎn)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(nèi)呼吸鏈的影響

根據(jù)Mitchell提出的化學滲透學說,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)側電位為負,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(zhì)子梯度,從而減少ATP的生成。

2.2 NO調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(chǎn)生;②產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生更多的NO。產(chǎn)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(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(chǎn)物如羥自由基(OH°)、硝基和亞硝基等。OH°能快速與活細胞內(nèi)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(zhì)層碳水化合物、蛋白質(zhì)的化學改變,進一步引起損傷線粒體電子傳遞系統(tǒng)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(jīng)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(nèi)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(zhì)、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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(chǎn)熱的重新分配。進一步發(fā)現(xiàn),NO能直接調(diào)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(chǎn)生大量有細胞毒性的NO,但一般發(fā)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(chǎn)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(diào)節(jié)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(chǎn)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(fā)揮至最大。目前,臨床上對NO的應用主要是開發(fā)多種NO供體應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。并注意抑制其負面效應,比如其對神經(jīng)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?！澳贻p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(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(fā)揮其積極效應[18]。

[1] Pestana C R,Phelippin D P,Polizello A C,et al.Effects on mitochondria-induced nitric oxide release from a ruthenium nitrosyl complex[J].Nitric Oxide,2009,20(1):24-30.

[2] 楊學禮,馮 娟.一氧化氮的生物效應及其作用機制的研究-1998年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎工作介紹及研究進展[J].生理科學進展,2008,39(1):91-93.

[3] 蔣雪梅,鄭大利,林建銀.一氧化氮對肝癌細胞線粒體膜通透性和胞漿中細胞色素C含量的影響[J].中國醫(yī)學科學院學報,2004,26(5):519-523.

[4] Nagy G,Clark J M,Buzas E I,et al.Nitric oxide chronic inflammation and autoimmunity[J].Immunol Lett Direct,2007,11(1):1-5.

[5] Csordás A,Pankotai E,Snipes J A,et al.Human heart mitochondria do not produce physiologically relevant quantities of nitric oxide[J].Life Sciences,2007,80:633-637.

[6] 李鳳娜,陳曉安.一氧化氮對線粒體生物合成的積極影響[J].生物技術通報,2005(2):57.

[7] 劉麗華,熊 燕.一氧化氮與脂肪細胞能量代謝[J].國際病理科學與臨床雜志,2006,15(1):59-62.

[8] Brookes P S,Bolanos J P,Heales S J.The assumption that nitric oxide inhibits mitochondrial ATPsynthes is correct[J].FEBS Iett,1999,446(2):261-263.

[9] Navarro A,Boveris A.Mitochondrial nitric oxide synthase,mitochondrial brain dysfunction in aging,and mitochondria-targeted antioxidants[J].Advanced Drug Delivery Reviews,2008,60(13-14):1534-1544.

[10] 王 巖,李延忠,張慶慧.一氧化氮及P物質(zhì)在變應性鼻炎發(fā)病中的作用[J].山東大學學報,2007,45(1):55-58.

[11] 李曉紅,張團亭.腦組織中的一氧化氮與運動[J].科技信息,2009(31):246.

[12] 郭 兵,紹增務,聶 克,等.一氧化氮對兔纖維環(huán)細胞線粒體功能的影響及機制研究[J].中國中醫(yī)骨傷科雜志,2009,17(9):6-8.

[13] 胡 博,谷繼卿.一氧化氮的生物學作用及其臨床意義[J].工企醫(yī)刊,2007,32(1):54-57.

[14] Suhr F,Porten S,Hertrich T,et al.Intensive exercise induces changes of endothelial nitric oxide synthase pattern in humanery throcytes[J].Nitric Oxide,2009,20(2):95-103.

[15] 肖 娟,肖穎彬,陳 林,等.一氧化氮對心肌細胞線粒體生物合成相關基因表的的影響[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學進展,2008(8):1430-1432.

[16] 胡霄偉,孫 偉.一氧化氮吸入的藥理和毒理作用[J].國外醫(yī)學兒科學分冊,2002,31(3):134-137.

[17] 白 杰,李彥東.一氧化氮生物學特性研究進展[J].中國商界,2009(174):154-155.

[18] Trescher K,Bernecker O,Fellner B.Inflammation and post infarct remodeling:over expression of IkappaB prevents ventricular dilation via increasing TIMP levels[J].Cardiovasc Res,2006,69(3):746-754.