肖 軍 滕繼林

(山東省泰山學院生物與釀酒工程學院 泰安 271021)

20世紀80年代中期，內(nèi)源性氣體分子一氧化氮(NO)被發(fā)現(xiàn)是一種在機體中傳遞信息的活性分子，提出了“氣體信號分子”這一全新概念。20世紀90年代中期，科學家又陸續(xù)在機體中發(fā)現(xiàn)一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)等幾種氣體信號分子。近幾十年的研究表明：機體內(nèi)源性的NO、CO和H2S在信號調(diào)控網(wǎng)絡中扮演著重要角色，包括調(diào)節(jié)心血管和神經(jīng)系統(tǒng)的生理及病理活動等，具有廣泛的生物學效應。

1 內(nèi)源性氣體信號分子的合成代謝

1.1 NO的合成代謝 體內(nèi)NO是由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)蛋白家族在氧氣存在下催化L-精氨酸產(chǎn)生。NO沒有專門的儲存及釋放調(diào)節(jié)機制，靶細胞上NO的多少直接與NOS的活性密切相關，因此NOS是一種NO合成的限速酶。NOS存在三種同工酶[1]：腦或神經(jīng)元NOS(neuronal NO synthase，nNOS或NOS I)；誘導型NOS(inducible NO synthase，iNOS或NOS II)及內(nèi)皮NOS(endothelial NO synthase， eNOS或NOS III)。eNOS高表達于血管內(nèi)皮細胞，nNOS主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)中，合成和釋放NO的神經(jīng)元被定義為硝基能神經(jīng)元。eNOS和nNOS都能被細胞內(nèi)鈣離子濃度升高而激活，受鈣離子-鈣調(diào)蛋白(Ca2+-CaM)調(diào)控，持續(xù)表達產(chǎn)生低濃度的NO。iNOS最早被發(fā)現(xiàn)于巨噬細胞，后來發(fā)現(xiàn)其在血管平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞和成纖維細胞等細胞中也有分布。這些細胞在受到各種刺激因子,包括內(nèi)毒素(endotoxin)、白細胞介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosisfactor-α，TNF-α)、干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)等，作用后誘導激活，以非依賴于Ca2+-CaM調(diào)控的方式催化NO的快速合成。NO在細胞外極不穩(wěn)定，其半衰期只有2～30s，被氧化后以亞硝酸根(NO2-)和硝酸根(NO3-)的形式存在于細胞內(nèi)外液中，少量通過呼吸作用排出體外。

1.2 CO的合成代謝 在體內(nèi)存在著多個合成并釋放CO的生理代謝途徑，其中依賴于還原型輔酶-Ⅱ(NADPH)的血紅素加氧酶(heme oxygenase，HO)所催化的亞鐵血紅素分解生成CO是最主要的途徑。血紅素加氧酶存在三種同工酶[2]：血紅素加氧酶-1 (HO-1)屬于誘導型，可被內(nèi)毒素、低氧和氧化劑等誘導。HO-1廣泛分布于脾臟、肝臟和骨髓等代謝活躍的器官，對誘導刺激都十分敏感。血紅素加氧酶-2(HO-2)和血紅素加氧酶-3(HO-3)為結構型，是細胞生理狀態(tài)下的主要存在形式。HO-2主要分布于腦內(nèi)，在血管平滑肌和內(nèi)皮細胞中也有表達，腎上腺糖皮質(zhì)激素可上調(diào)HO-2的表達。HO-3主要分布于脾臟和肝臟等，其作用可能是調(diào)節(jié)依賴血紅素的基因表達，但活性較低。生理條件下，人體每小時生成的CO接近20mmol，體內(nèi)生成的CO大部分通過呼吸作用排出體外。

1.3 H2S的合成代謝 哺乳動物體內(nèi)H2S以含硫的半胱氨酸和同型半胱氨酸為底物，由胱硫醚-β-合酶 (cystathionine-β-synthase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)和3-巰基丙酮酸轉硫酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST)通過酶促反應生成。這些酶的分布具有組織特異性[3]。CBS高表達于神經(jīng)系統(tǒng)，CSE則主要分布在心肌和血管組織中，而在肝臟和腎臟兩者都有分布。3-MST主要分布于腦和紅細胞中。體內(nèi)的H2S大部分在細胞線粒體中被迅速氧化成硫代硫酸鹽或硫酸鹽。H2S的代謝產(chǎn)物在24h內(nèi)通過腎臟、腸道和肺被排出，因此，H2S在正常生理條件下很少蓄積[4]。

2 內(nèi)源性氣體信號分子的生物學效應

內(nèi)源性氣體信號分子對維持心血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)以及調(diào)節(jié)神經(jīng)活動和細胞凋亡起著十分重要的作用。

2.1 維持心血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) NO、CO和H2S這三種氣體信號分子均具有心血管效應，但其作用機制互不相同，并且三者之間存在一定的協(xié)同作用，對維持心血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著重要的作用。

2.1.1 NO的作用機制 Rapopon等提出NO可以激活可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylyl cyclase，sGC)、升高環(huán)鳥苷酸(cGMP)而發(fā)揮擴血管作用。Wu LY等發(fā)現(xiàn)NO還可以作用于平滑肌細胞膜上大電導型鈣依賴性鉀通道(big-conductance calcium-activated K channel，BKca)的β亞單位，增加其開放概率，促使細胞膜超極化，導致血管平滑肌舒張。Xie等認為心臟中的NO促使心肌舒張，降低耗氧量，其作用機制可能與NO抑制線粒體呼吸有關。Hare等發(fā)現(xiàn)NO還可以拮抗β-腎上腺受體的正性肌力作用，導致心率減慢、心輸出量減少。

2.1.2 CO的作用機制 與NO相似，CO也通過激活sGC提高細胞內(nèi)cGMP水平，進而舒張血管平滑肌。兩者對細胞內(nèi)cGMP水平的調(diào)節(jié)在不同的生理及病理條件存在微妙的平衡關系[5]。Wu LY等提出平滑肌細胞胞膜上BKca是NO和CO的另一共同分子靶點，CO作用于BKca通道的α亞單位，同樣導致血管平滑肌舒張。Chen等研究發(fā)現(xiàn)，低氧能誘導心臟HO-1的表達上調(diào)，促進CO的合成增多，后者通過擴張血管而增加心臟血流供應、發(fā)揮心臟保護作用。研究表明CO供體能減輕心肌細胞和離體大鼠心臟的缺血再灌注損傷。Shi等的研究表明，NO可以通過上調(diào)HO的表達促進CO產(chǎn)生；而CO則通過抑制NOS的活性和NOS mRNA的表達與NOS競爭輔酶等多種方式抑制NO的產(chǎn)生。

2.1.3 H2S的作用機制 內(nèi)源性的H2S誘導的血管舒張有別于NO 和CO通過sGC-cGMP 通路只作用于平滑肌，其舒張效應可以通過不同的機制既作用于平滑肌細胞，也作用于內(nèi)皮細胞[6]。H2S作用于內(nèi)皮細胞，可促進血管舒張因子(例如，NO和eNOS抑制劑)的釋放而顯著舒張血管。Hosoki等的研究發(fā)現(xiàn)，H2S 單獨擴張平滑肌的作用較弱，而在與 NO 共存的情況下，兩者的協(xié)同舒張效應就大大提高。H2S作用于平滑肌，可抑制細胞外Ca2+內(nèi)流，降低細胞內(nèi)游離鈣水平；或作用于平滑肌細胞上的KATP通道，使KATP通道開放，細胞膜超極化而順次關閉電壓門控Ca2+通道，同樣使細胞內(nèi)游離鈣水平降低，直接導致血管平滑肌舒張，且這種舒張效應不依賴于內(nèi)皮細胞。

2.2 調(diào)節(jié)神經(jīng)活動 在神經(jīng)系統(tǒng)中通過酶促反應生成的NO、CO和H2S氣體信號分子作為神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，對神經(jīng)系統(tǒng)正常生理功能的維持起著重要的作用，并與神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病密切相關。

2.2.1 NO的作用機制 nNOS是神經(jīng)系統(tǒng)中NO合成的主要酶。研究表明NO作為逆行信使從突觸后膜釋放，彌散至突觸前末梢，刺激突觸前膜的興奮性氨基酸——谷氨酸遞質(zhì)的不斷釋放，從而誘導海馬CA1區(qū)(hippocampus 1區(qū))的長時程增強( long-term potentiation，LTP)，參與調(diào)節(jié)學習、記憶及神經(jīng)再生等功能。在動物模型中抑制NOS能夠損傷學習能力、導致記憶缺失。NO還參與血壓的中樞調(diào)節(jié)，例如在髓質(zhì)和下丘腦抑制nNOS活性會導致系統(tǒng)性高血壓。外周神經(jīng)系統(tǒng)中，很多平滑肌組織受硝基能神經(jīng)元的支配，這些神經(jīng)元表達nNOS，生成的NO被視為是一種特殊的神經(jīng)遞質(zhì)，在其效應細胞中能激活NO敏感的sGC，從而降低各種類型平滑肌的緊張度，發(fā)揮舒張血管作用。

2.2.2 CO的作用機制 CO 與NO一樣是LT P的逆行信使，調(diào)節(jié)記憶和認知功能。CO亦參與腦細胞的能量代謝，可激活腦浦肯野神經(jīng)元中的sGC，促進 cGMP的生成增加，進一步激活蛋白激酶G(PKG)，引起α3-Na+-K+-ATP 酶活性增加。CO 還可調(diào)節(jié)下丘腦促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin releasing hormone，CRH) 和促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone ，GnRH)的釋放。另外，CO通過調(diào)節(jié)孤束核傳入神經(jīng)介質(zhì)谷氨酸的突觸后作用，影響壓力感受器活性，抑制CO合成，降低突觸后傳遞，反射性升高動脈血壓。

2.2.3 H2S的作用機制 內(nèi)源性H2S在腦內(nèi)的濃度可達50～160 μmol·L-1，表明它對大腦功能的調(diào)節(jié)具有一定的生理功能。研究發(fā)現(xiàn)，H2S選擇性易化N-甲基-D-天冬氨酸受體( N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)而促進LTP效應，當封閉NMDA時，H2S 的LTP 易化效應消失，提示H2S可能不像NO和CO一樣充當逆行性信使[7]。H2S還可調(diào)控下丘腦-垂體-腎上腺軸，例如，Navarra P等發(fā)現(xiàn)增加下丘腦H2S的水平，可控制CRH釋放。Lee、Zhang、Bindu等的研究表明，H2S在神經(jīng)退行性疾病如帕金森病(PD)、阿爾茲海默病(AD)、亨廷頓舞蹈病(HD)中發(fā)揮重要但的作用，這與其抗氧化應激和抗炎作用有關。

2.3 調(diào)節(jié)細胞凋亡 諸多研究證實NO、CO和H2S對細胞凋亡的調(diào)節(jié)作用都呈現(xiàn)為促進或抑制的雙重調(diào)控，即對不同細胞及同一種細胞的不同分化階段或不同疾病的凋亡作用有異質(zhì)性。在體內(nèi)，氣體信號分子促進還是抑制細胞凋亡取決于其濃度、氧化還原的環(huán)境及細胞內(nèi)的保護機制[8]。

2.3.1 NO的作用機制 NO誘導細胞凋亡的途徑有多種，其中最重要的是其與超氧陰離子反應生成的過氧亞硝酸根(ONOO-)所引起的DNA損傷和突變，并進一步導致多聚ADP-核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase，PARP)的激活和ATP的消耗，直接影響線粒體結構和能量代謝。而NO抑制細胞凋亡則可通過抑制半胱天冬酶(caspase)以及細胞保護蛋白質(zhì)(例如，熱休克蛋白HSP32和HSP70)的活性，直接抑制Caspase級聯(lián)反應，遏制凋亡信號的傳導；NO還可調(diào)控線粒體的結構和線粒體膜的通透性，阻止細胞色素C的釋放，從而延緩細胞的凋亡。

2.3.2 CO的作用機制 杜軍保等的研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)皮細胞上低濃度的CO通過p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)-核轉錄因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號通路，抑制TNF-α導致的內(nèi)皮細胞凋亡。在低氧性肺動脈高壓(hypoxic pulmonary hypertension，HPH)中，CO表現(xiàn)為促進肺動脈平滑肌細胞低氧性凋亡，是緩解肺血管結構重建機制的重要組成部分；在動脈粥樣硬化發(fā)病中，CO抑制細胞因子(IFN-γ、TNF-α和IL-1β)誘導的主動脈平滑肌細胞凋亡[9]。

2.3.3 H2S的作用機制 閆輝等研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性H2S可抑制血管平滑肌細胞異常增殖并促進其凋亡。H2S可能下調(diào)凋亡抑制因子B-細胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)及NF-κB水平，最終激活Caspase-3達到促進平滑肌細胞凋亡、緩解血管結構重構的效應。Henderson、Kang等研究發(fā)現(xiàn)：H2S在體外能顯著減少由缺血-再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury, IRI) 引起的細胞凋亡，從而為缺血-再灌注損傷提供組織生存力。徐霞等進一步研究發(fā)現(xiàn)，H2S活化p38 MAPK抑制劑(SB203580)誘導的大鼠肝星狀細胞(hepatic stellate cells，HSCs) p38MAPK的磷酸化途徑，進而激活Caspase-3引起HSC-T6的凋亡。Yin等實驗表明：H2S能通過補充丟失的線粒體膜電勢及減少胞內(nèi)活性氧簇(reactiveoxygen species，ROS)來保護細胞由甲基-4-苯基吡啶離子引起的細胞凋亡。

3 小結

三種氣體信號分子有著相似的作用性質(zhì)，且相互調(diào)控，它們的合成、儲存和釋放的模式與經(jīng)典的神經(jīng)遞質(zhì)、激素和生長因子等信號分子大不相同。更重要的是，它們發(fā)揮生物學效應的途徑也與其他化學信號存在很大的差異。但是，細胞信號轉導重要的特征之一是多種信號通路通過復雜的“交叉對話”(cross talk)構成信號網(wǎng)絡系統(tǒng)，以整合調(diào)控的模式精確控制細胞活動。氣體信號分子與其他類型信號分子之間以及氣體信號分子之間復雜的相互調(diào)節(jié)作用尚待進一步合理解釋和科學的論證。