《神奇的一氧化氮》第一篇第二章
第二章
发现健康信使
健康信使发现的艰难历程
1980年，一位科学家完成了一个精巧设计的实验，并据此发表了一篇论文。这不是一件多么重大的事情，但对于一氧化氮来说却是个转折点，虽然这一年科学界并不知道那种特别的物质就是一氧化氮。
这位美国药理学家的名字叫做罗伯特·F。佛契哥特，他在著名的《自然》(Nature)杂志上发表论文，指出乙酰胆碱(ACh)的舒张血管作用依赖于血管内皮释放的某种可扩散物质。随后他们又发现缓激肽(BK)等多种物质扩张血管的作用也是遵循类似的机理，并将该物质命名为血管内皮舒张因子(EDRF)。
英国著名杂志《自然》周刊与美国的《科学》(Science)并列为世界最权威、最著名的科学杂志，是自然出版集团(Nature Publishing Group，NPG)的标志性出版物。自1869年创刊以来，始终如一地报道和评论全球科技领域里最重要的突破。其办刊宗旨是“将科学发现的重要结果介绍给公众，让公众尽早知道全世界自然知识的每一分支中取得的所有进展”。《自然》杂志每星期在全世界发行6万份，大约1/4发行到图书馆和研究机构。
佛契哥特发现有一种物质可以舒张血管，这并不是他的独到之处，早在19世纪70年代，人们就发现有机硝酸酯对缺血性心脏病有良好的治疗作用，但当时并不了解其作用机理。19世纪末，在诺贝尔以研制高性能炸药(TNT)闻名和发迹的同时，人们惊奇地发现，用于治疗缺血性心脏病的硝酸甘油(GTN)竟是高性能炸药的主要活性成分，人们对此困惑不已。
既然这种舒张血管的发现并不特别，那么佛契哥特的论文为什么会引起科学界的关注呢？原因就在于他用精巧设计的实验证明了这种物质的存在。
表面上看来，佛契哥特的研究与一氧化氮并无直接关联，而是关于乙酰胆碱等血管活性物质的作用机理。1953年他发表了首篇关于乙酰胆碱和组胺致兔离体血管条收缩的论文，这与当时公认的对整体动物静注乙酰胆碱或组胺会引起血管舒张的观点恰恰相反。但他坚持自己的实验重复性良好，且观察无误，并在1955年发表的《血管平滑肌药理学》综述中提出假设，认为犹如肾上腺素能有α和β两种受体，血管平滑肌上也同时含有运动性和抑制性两种胆碱能受体——现在看来这一结论是错误的，然而在当时这一观点一直被当做权威而被认可。
接下来的问题是，为什么刺激内皮细胞可引起血管平滑肌舒张？这次似乎是单刀直入，他们首先想到的是血管内皮细胞受刺激后会释放某种物质，该种物质扩散至平滑肌并导致其收缩。佛契哥特像是受到某种特殊的启示，他回忆道：“那天早晨我刚醒来，一个漂亮的实验设计突然闯入我的脑海。于是我来到实验室，立即按照这一方案进行了实验。”实验结果被撰写成论文发表于1980年的《自然》杂志上，论文的名字是《内皮细胞是乙酰胆碱诱发动脉平滑肌舒张的必需因素》。
值得一提的是，在《自然》杂志上的这篇文章当时还没有明确提出内皮舒张因子，直到1982年，他们发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的关于缓激肽内皮依赖性舒张血管作用的论文中，才正式提出内皮舒张因子这一名词。
这篇论文在学术界引起了广泛关注，吸引了包括加州大学洛杉矶分校的伊格纳罗(Louis J. Ignarro)教授在内的许多科学工作者从事有关内皮舒张因子的研究。内皮舒张因子是一种不稳定的化合物，能被血红蛋白及超氧阴离子自由基灭活。长期研究亚硝基化合物的药理作用的伊格纳罗与佛契哥特合作，针对内皮舒张因子的药理作用以及化学本质进行了一系列实验，发现内皮舒张因子与一氧化氮及许多亚硝基化合物一样能够激活可溶性鸟苷酸环化酶(Soluble Guanylate Cyclase，sGC)，一氧化氮主要通过环磷鸟苷(cGMP)途径扩张血管。
穆拉德博士的发现
20世纪50年代，环磷鸟苷作为一种天然产物标志在尿中发现，相关酶类包括作用于环磷鸟苷的合成的鸟苷酸环化酶(Guanylate Cyclase，GC)、水解环磷鸟苷的磷酸二酯酶和选择性地被环磷鸟苷激活的蛋白激酶。
穆拉德博士于1970年结束了在美国国立卫生研究院(NIH)的训练后，决定将更多的研究精力从环化腺核苷一磷酸(cAMP)转移到环磷鸟苷，并着力解决两个问题：第一，激素类配基如何与它们的受体结合来调控鸟苷酸环化酶？第二，其分子偶合事件是什么？对受体鸟苷酸环化酶偶联的了解，有助于使用制剂或药物来增强或抑制激素在某些临床疾病中的影响。
在得州大学医学院，多年来一直独立从事硝酸甘油扩张血管作用研究的药理学家穆拉德博士早在1977年就发现硝基酯类药物及外源性一氧化氮均可使环磷鸟苷的含量增高，他们甚至提出硝基酯类药物可能是通过形成一氧化氮或某种活性物质来增加细胞内环磷鸟苷的含量，进而使血管扩张和抑制血小板。至此，众多研究汇聚到一个焦点——硝基类活性物质。
早在20世纪70年代，穆拉德博士与合作者就系统地研究了硝酸甘油及其他具有增强血管活性的作用的有机硝基化合物的药理作用，发现这些化合物都能使组织内环鸟苷酸、环化腺核苷一磷酸等第二信使的浓度升高。这类化合物有一个共同的性质，可以在体内代谢产生一氧化氮。1977年，穆拉德博士发现硝酸甘油等必须代谢为一氧化氮才能发挥扩张血管的作用，由此他认为一氧化氮可能是一种对血液流通具有调节作用的信使分子，但当时这一推断还缺少实验证据。
穆拉德博士在前期工作中发现，在不同组织匀浆中(包括高速离心上清液和匀浆颗粒部分)都能检测到鸟苷酸环化酶的活性。但在这两种组织制备中，酶活性的动力学特征是不同的，最显著的特征就是匀浆颗粒部分对基质三磷酸鸟苷(GTP)就活性呈现协同催化动力学，而可溶性鸟苷酸环化酶的活性被证实为典型的米曼氏动力学，这个发现提示可溶性鸟苷酸环化酶的活性代表一个三磷酸鸟苷的催化位点。尽管推测鸟苷酸环化酶有不同的亚型，但由于粗制备物也含有竞争底物或产物的核苷酸酶、磷酸酶和磷酸二酯酶而无法剔除不可靠的虚假数据，穆拉德花费了整整12年的时间纯化、验证、克隆、表达和再验证这个酶，才彻底解决了这个问题。
通过实验，穆拉德博士发现某些物质包括叠氮钠、亚硝酸盐和羟胺，能激活鸟苷酸环化酶。在不同组织包括气管平滑肌制备物中，叠氮钠、亚硝酸盐和羟胺也能提高环磷鸟苷的水平。这些环磷鸟苷水平的提高与平滑肌舒张有关，显示为直线的剂量应答关系。硝酸甘油，一种从18世纪70年代起应用于临床心绞痛的药物，也可活化可溶性鸟苷酸环化酶，在不同的组织包括气管平滑肌中提高环磷鸟苷的水平，引起平滑肌舒张。
穆拉德博士称这些不断增长的可溶性鸟苷酸环化酶激活剂名单中气管、肠胃和血管平滑肌的弛缓剂为“硝基血管舒张剂”，确信它们能被转化为一氧化氮，因为用化学法产生的一氧化氮能激活所有测试中的可溶性鸟苷酸环化酶制备物。这些一氧化氮前药物质的作用机制因此确定。
穆拉德博士提出了一氧化氮能起到调控激素和药物的细胞内信使的作用的假说，即一个自由基激活一个酶，且这个自由基是一个内源信使分子。由于被纯化的可溶性鸟苷酸环化酶的激活作用发生在纳摩尔浓度下，并且由于一氧化氮及其氧化产物亚硝酸盐和硝酸盐的测定法不敏感，在一氧化氮分析测定的新技术发展后的七八年，这个当年遭到学术界怀疑的假说才被决定性地证实和接受。
穆拉德博士表示，人体内的一氧化氮有两个来源：一为非酶生，来自体表或者摄入的无机氮的化学降解与转化；一为酶生，由一氧化氮合酶催化L-精氨酸脱胍基所产生。非酶生性的一氧化氮，大部分来自硝基血管舒张剂家族，包括硝普盐、有机或无机亚硝酸盐和硝酸盐、亚硝胺、氮芥、联氨等。比如有名的硝酸甘油和硝普钠的扩张血管、治疗心脏病的功能都是通过非酶生性产生的一氧化氮起作用的。酶生性的一氧化氮，来自于一氧化氮的前体物质，例如精氨酸。摄入人体的富含精氨酸的食物，在体内通过酶生性产生一氧化氮并发挥其生理功能。
酶生性一氧化氮产生机理(L-精氨酸在内皮型一氧化氮合酶的作用下生成L-瓜氨酸并释放一氧化氮)
穆拉德博士的研究集中于由非酶生性产生的一氧化氮的化合物对于一氧化氮合酶的影响，这不仅阐明了一氧化氮在体内扩张血管的作用机制，而且也为新型的药物和化妆品研发开辟了道路。穆拉德博士所参与的生物科技公司所应用的技术是一种能够产生一氧化氮的组合，分别为氮剂和酸剂，其中氮剂为亚硝酸盐或富含亚硝酸盐的植物提取物，酸剂为维生素C、柠檬酸等足够强度的有机或者无机酸。使用时，先清洁皮肤，涂抹适量的氮剂化妆品，再涂抹酸剂化妆品，两者缓慢反应释放出一氧化氮，渗入皮肤，提高毛细血管血流量，促进胶原蛋白的合成，从而改善肤质。
值得一提的是，早在19世纪末，德国学者格里斯(Griess)就研究和发表了亚硝酸盐的检测方法，但当时对其与一氧化氮的关系并不了解。由于亚硝酸盐是一氧化氮在水溶液中进行氧化代谢的终产物而相对稳定，改良后的格里斯法至今仍是实验室间接检测一氧化氮含量最简单、最常用的方法之一。
获得诺贝尔奖
1992年一氧化氮被著名的《科学》杂志评选为“年度分子”，同时以“Just Say NO”为封面、以“NO News is Good News”为题发表专论，高度评价了一氧化氮的发现及其生物学意义。穆拉德和佛契哥特在1996年共同获得被誉为“诺贝尔奖风向标”的美国医学业内的大奖拉斯克医学奖。国际上拉斯克奖的获得者几乎都能成为诺贝尔奖的获得者。
1998年10月12日，在诺贝尔本人出生的这个月，瑞典罗林斯卡医学院决定把1998年的诺贝尔生理医学奖授予穆拉德、佛契哥特及伊格纳罗这三名美国科学家。他们发现一氧化氮是心血管调节血压和血流的信号分子，并提出了一个全新的可以通过细胞膜信号传导气体信号的系统。
获奖时穆拉德博士表示，瑞典的诺贝尔奖评选委员会很乐意把这个奖颁给一氧化氮对心血管的作用这个研究领域。因为大家都知道当年诺贝尔拒绝服用硝酸甘油而心脏病发作去世，如果诺贝尔本人预知他们的奖项，也许会服用硝酸甘油进而延长寿命。
值得一提的是，科学界中的很多人为另一位英国科学家鸣不平。萨尔瓦多·蒙卡达(Salvador Moncada)是英国皇家学会会员，美国科学院外籍院士。与伊格纳罗一样，蒙卡达在1987年用一个很巧妙的实验直接证明了内皮舒张因子就是一氧化氮。这样一位很早就从事一氧化氮领域的研究，而且成就及贡献和伊格纳罗相当的科学家，却与诺贝尔奖无缘，这不能不说是一件非常遗憾的事情。
诺贝尔之死
阿尔弗雷德·伯纳德·诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel，1833.10.21—1896.12.10)是瑞典化学家、工程师、发明家、军工装备制造商和炸药的发明者。他曾拥有Bofors军工厂，主要生产军火，还曾拥有一座钢铁厂。在他的遗嘱中，他利用他的巨大财富创立了诺贝尔奖，各种诺贝尔奖项均以他的名字命名。人造元素锘(Nobelium)就是以诺贝尔的名字命名的。
诺贝尔的一生有很多发明创造，他为科学技术作出了举世瞩目的贡献，给人类带来了巨大财富。其中，有一个具有戏剧性的发明与一氧化氮有关。1864年，诺贝尔发现极易挥发、爆炸性极强的硝酸甘油经硅藻土吸附后其稳定性大大增加，他根据这一发现成功研制出了安全炸药。安全炸药的工业化生产给诺贝尔带来了巨大的荣誉和财富，使他得以创立世界科学界的最高奖项——诺贝尔奖。诺贝尔晚年患有严重的心脏病，医生建议他服用硝酸甘油，但被诺贝尔拒绝了，因为早在研制炸药的过程中，诺贝尔就发现吸入过量的硝酸甘油蒸气会引起剧烈的血管性头痛。1896年，诺贝尔心脏病发作逝世。如果他当时听从医生的建议，及时服用硝酸甘油，他也许可以活更长时间，为人类创造更多财富。硝酸甘油可以有效地缓解心绞痛，但它的作用机理困扰了医学家、药理学家百余年，直到20世纪80年代才因为穆拉德、佛契哥特及伊格纳罗这三位美国药理学家出色的工作而得以解决：硝酸甘油及其他有机硝酸酯通过释放一氧化氮气体而舒张血管平滑肌，从而扩张血管。
人体中的健康信使
现在，广为人知的是，一氧化氮在人体内起着信使分子的作用，人体内生成的一氧化氮小分子，可以穿透任何细胞，到达任何组织，使信息从人体某一部分传到其他部分，行使着传输信号的功能。一氧化氮帮助控制血液流向人体的各个部位，使血管扩张，避免血管内出现血流速度变缓的现象，保持血管清洁、畅通，维持正常血压，有效减轻心脏负担。此外，一氧化氮还是对付细菌、病毒以及血液垃圾的有效武器，能够杀死多种病原体，从而很好地保护人体健康。因此，一氧化氮是人体内不可缺少的“健康信使”，是人体健康的重要元素。
血管内皮舒张因子
一氧化氮在体内的合成，是精氨酸在一氧化氮合酶的作用下合成一氧化氮，同时产生瓜氨酸。一氧化氮合酶大致分为三类：内皮型、神经型和诱导型。内皮型和神经型一氧化氮合酶为组成酶，在正常生理条件下存在；诱导型一氧化氮合酶为诱导酶，在特殊条件下经诱导才会产生。
在内皮中产生的一氧化氮，作为一个内皮舒张因子，其主要作用是使血管舒张、降低血管阻力、降血压、抑制血小板黏附和凝聚、抑制白细胞黏附和游走、降低平滑肌增殖、防止动脉粥样硬化和血栓形成。
在外周神经和大脑中产生的一氧化氮，作为肾上腺素和胆碱以外的神经递质，在血管、海绵体、胃肠道、泌尿道、气管肌、肛尾肌等外周输出神经抑制反应中起到非常重要的作用。
由诱导型一氧化氮合酶(iNOS)合成的一氧化氮，通过多条途径调节炎症，在调控免疫反应中起到很重要的作用。一氧化氮对细菌、真菌、寄生虫、肿瘤细胞有杀伤作用。同时，感染和类风湿性关节炎后的很多病理过程，包括休克、组织损伤、细胞凋亡等都与一氧化氮的过量表达有关。
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