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． 2012年4月;33(7):829- 37,837a -837d。
doi: 10.1093 / eurheartj / ehr304。 Epub 2011年9月1日

一氧化氮合酶:调节和功能

乌尔里希Forstermann1， 威廉·C·塞萨
从属关系
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一氧化氮合酶:调节和功能

乌尔里希Forstermannet al。 Eur Heart J． 2012年4月．
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摘要

一氧化氮(NO)是已知的最小的信号分子，由三种形式的NO合成酶(NOS;EC 1.14.13.39)。它们都利用l-精氨酸和分子氧作为底物，并需要辅助因子还原烟酰胺-腺嘌呤-二核苷酸磷酸(NADPH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、黄素单核苷酸(FMN)和(6R-)5,6,7,8-四氢生物蝶呤(BH(4))。所有NOS结合钙调蛋白并含有血红素。神经元NOS (nNOS, NOS I)在中枢和外周神经元及其他一些细胞类型中均有组成性表达。它的功能包括中枢神经系统(CNS)的突触可塑性，中枢调节血压，平滑肌松弛，以及通过外周氮能神经扩张血管。氮能神经在海绵体松弛和阴茎勃起中尤为重要。磷酸二酯酶5抑制剂(西地那非、伐地那非和他达拉非)至少需要剩余的nNOS活性才能起作用。诱导性NOS (NOS II)可在多种细胞类型中表达，以响应脂多糖、细胞因子或其他因子。可诱导的NOS产生大量的NO，对寄生靶细胞有细胞抑制作用。 Inducible NOS contributes to the pathophysiology of inflammatory diseases and septic shock. Endothelial NOS (eNOS, NOS III) is mostly expressed in endothelial cells. It keeps blood vessels dilated, controls blood pressure, and has numerous other vasoprotective and anti-atherosclerotic effects. Many cardiovascular risk factors lead to oxidative stress, eNOS uncoupling, and endothelial dysfunction in the vasculature. Pharmacologically, vascular oxidative stress can be reduced and eNOS functionality restored with renin- and angiotensin-converting enzyme-inhibitors, with angiotensin receptor blockers, and with statins.

数据

图1
图1
不同NOS亚型的重要功能。(上图)神经元NOS在中枢神经系统(CNS)的特定神经元中表达。它与突触可塑性有关(即长期增强和长期抑制等现象)。这些现象与学习和记忆的形成有关。神经元nos衍生的NO也参与血压的中枢控制。在周围神经系统(PNS)中，神经元nos衍生的NO作为一种非典型神经递质，介导肠道蠕动、血管舒张和阴茎勃起的放松成分。至少由nnos衍生的NO对海绵体中可溶性鸟苷酰环化酶的轻微刺激，以及随后形成少量的环GMP，是磷酸二酯酶5抑制剂西地那非(伟哥)促进勃起作用的先决条件®伐地那非(艾力达)®)和他达拉非(他爱力)®)．(中间图)几乎任何类型的细胞都可以通过细胞因子和其他因子诱导NOS的表达。这种情况最初已在巨噬细胞中得到证实(MΦ)。在MΦ中诱导可诱导NOS对于控制细胞内细菌如结核分枝杆菌 ，或者寄生虫利什曼虫．，然而，在各种类型的炎症疾病中，诱导性NOS也上调，该酶产生的NO介导了各种炎症症状。，最后，可诱导的nos衍生的NO是感染性休克中血管舒张和血压下降的主要介质。事实上，具有中断的可诱导NOS基因的小鼠可以免受感染性休克的许多症状的影响。(下图)内皮细胞nos衍生的NO是一种生理性血管扩张剂，但也可以通过多种方式传递血管保护。向血管腔释放的NO是一种有效的血小板聚集和粘附到血管壁的抑制剂。除了预防血栓形成，这也阻止了血小板衍生的生长因子的释放，刺激平滑肌增殖及其基质分子的产生。内皮细胞NO也控制动脉粥样硬化相关基因的表达。NO可降低趋化蛋白MCP-1和一些表面粘附分子的表达，从而阻止白细胞粘附到血管内皮和白细胞迁移到血管壁。这对动脉粥样硬化形成的早期阶段提供了保护。此外，内皮细胞通透性降低、脂蛋白流入血管壁的减少以及低密度脂蛋白氧化的抑制可能有助于内皮细胞nos衍生的NO的抗动脉粥样硬化特性。最后，NO已被证明可以抑制DNA合成、有丝分裂、血管平滑肌细胞的增殖以及平滑肌细胞的迁移，从而防止动脉粥样硬化的后期发生。 Based on the combination of those effects, NO produced in endothelial cells can be considered an anti-atherosclerotic principle (for review, see Li and Förstermann).
图2
图2
功能性NOS的结构及催化机理(一个NOS单体能够将电子从还原的烟酰胺-腺嘌呤-二核苷酸磷酸(NADPH)转移到黄素-腺嘌呤-二核苷酸(FAD)和黄素-单核苷酸(FMN)，并具有有限的将分子氧还原为超氧化物(O2 −•)．，，单体和孤立的还原酶结构域可以结合钙调蛋白(CaM)，从而增强还原酶结构域内的电子转移。NOS单体不能结合辅因子(6R-) 5、6、7,8-tetrahydrobiopterin (BH4)或底物 l-精氨酸，不能催化NO的产生。，（B血红素存在时，NOS可形成功能二聚体。，血红素是黄素域间电子转移到相反单体血红素的关键。，由于钙调素结合域的差异，钙调素升高2 +钙调蛋白是nNOS和eNOS中钙调蛋白结合(从而产生催化活性)所必需的，而钙调蛋白与可诱导的NOS具有高亲和力，即使在缺乏钙2 +．当底物充足时 l精氨酸( l-Arg)和辅因子BH4存在时，完整的NOS二聚体将血红素和O2还原到合成NO(全功能NOS)。 l瓜氨酸( l-Cit)作为副产物形成。为清晰起见，电子流仅从一个单体的还原酶域显示到另一个单体的加氧酶域。NOS酶进行两个独立的氧化步骤，一个是形成N ω羟基- l-精氨酸和第二个将中间体转化为NO。所有的NOS异构体都含有一个锌离子(Zn)，在二聚体界面上与一对CXXXXC基序协调成四面体构象。这个位置对于黑洞的结合是非常重要的4和 l精氨酸。还原酶结构域的电子转移(*)使NOS铁(Fe3 +)血红素束缚O2形成亚铁(Fe2 +) -dioxy物种。该产物可能优先从BH获得第二个电子(**)4或者从还原酶区域。由此产生的氧化BH的性质4已被确定为trihydrobiopterin自由基(BH3. •)或三水蝶呤自由基在N5 (BH3. •H+)．黑洞3. •自由基(或自由基阳离子)可循环到BH4NOS本身(利用黄素提供的电子)。或者，有证据表明还原剂，如抗坏血酸(AscH，存在于细胞中，浓度为毫摩尔)可以减少BH3. •自由基回到BH4(Asc·，抗坏血酸自由基)。
图3
图3
细胞内钙对内皮细胞NOS活性的调控2 +和磷酸化。细胞内钙含量增加2 +导致钙调素(CaM)与酶的结合增强，这反过来取代了自抑制环，促进了电子从还原酶域的NADPH流向加氧酶域的血红素。在人类内皮细胞NOS中已确定的功能重要的磷酸化位点是Ser1177和Thr495。在静息内皮细胞中，Ser1177通常不磷酸化。当细胞暴露于雌激素、血管内皮生长因子(VEGF)、胰岛素、缓激肽或流体剪切应力时，磷酸化被诱导。负责磷酸化的激酶(绿色六边形)取决于主要刺激。雌激素和血管内皮生长因子通过激活丝氨酸/苏氨酸激酶Akt诱导Ser1177磷酸化。到目前为止，Akt1是唯一被证明可以调节内皮细胞NOS功能的激酶在活的有机体内(绿色六边形框)。胰岛素可能同时激活Akt和amp活化蛋白激酶(AMPK)，缓激肽诱导的Ser1177磷酸化是由Ca介导的2 +/钙调素依赖性蛋白激酶II (CaMKII)，剪应力主要通过蛋白激酶A (PKA)导致内皮细胞NOS磷酸化。Ser1177残基的磷酸化增加了通过还原酶结构域的电子通量，从而增加了酶活性。人内皮细胞NOS的Thr495残基倾向于在内皮细胞中被组成性磷酸化。Thr495是一个负调控位点，其磷酸化与电子通量和酶活性的降低有关。磷酸化内皮细胞NOS Thr495的组成活性激酶最有可能是蛋白激酶C (PKC，黄色六边形)。Thr495的磷酸化降低了内皮细胞NOS活性(黄色块箭头)。去磷酸化Thr495的磷酸酶似乎是蛋白磷酸酶1 (PP1，带黑色方块箭头的黑旗)。
图4
图4
心血管危险因素导致氧化应激和内皮细胞NOS解耦的潜在机制。（一个在许多类型的血管疾病中，NADPH氧化酶在血管壁中上调并产生超氧化物(O2 −•)．在实验性糖尿病和血管紧张素ii诱导的高血压中，这已被证明是由蛋白激酶C (PKC)介导的。，血管疾病中内皮细胞NOS的表达也增加。H2O2为O的失调产物2 −•可以通过转录和转录后机制(SOD，超氧化物歧化酶)增加内皮细胞NOS的表达。此外，蛋白激酶C激活可增强内皮细胞NOS的表达，蛋白激酶C抑制剂可降低血管疾病中内皮细胞NOS的表达水平。NADPH氧化酶和内皮细胞NOS、O2 −•和NO·，迅速重组生成过氧亚硝酸盐(ONOO−)．这可以氧化内皮细胞NOS的必需辅因子(6R-) 5、6、7,8-tetrahydrobiopterin (BH4)转变为trihydrobiopterin自由基(BH .3. •)．，黑洞3. •是否与喹诺酮类药物6,7-[8H]- h不成比例2生物蝶呤(黑洞2)．结果，氧还原和O2内皮细胞NOS的减少与NO不耦合·形成，功能性NOS转化为功能失调的O2 −•一种产生血管氧化应激的酶内皮细胞NOS表达的增强(见上文)加重了这种情况。（B) BH的氧化4到无生物活性的产品，如BH3. •自由基或BH2也降低了底物的亲和力 l精氨酸( l-Arg)转化为NO, NOS催化O的不耦合还原2，导致O2 −•(也可能是H2O2)．
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