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第二章
發(fā)現(xiàn)健康信使
健康信使發(fā)現(xiàn)的艱難歷程
1980年，一位科學(xué)家完成了一個精巧設(shè)計的實驗，并據(jù)此發(fā)表了一篇論文,。這不是一件多么重大的事情，但對于一氧化氮來說卻是個轉(zhuǎn)折點,，雖然這一年科學(xué)界并不知道那種特別的物質(zhì)就是一氧化氮,。
這位美國藥理學(xué)家的名字叫做羅伯特·F。佛契哥特,，他在著名的《自然》(Nature)雜志上發(fā)表論文,，指出乙酰膽堿(ACh)的舒張血管作用依賴于血管內(nèi)皮釋放的某種可擴散物質(zhì)。隨后他們又發(fā)現(xiàn)緩激肽(BK)等多種物質(zhì)擴張血管的作用也是遵循類似的機理,，并將該物質(zhì)命名為血管內(nèi)皮舒張因子(EDRF),。
英國著名雜志《自然》周刊與美國的《科學(xué)》(Science)并列為世界最權(quán)威、最著名的科學(xué)雜志,，是自然出版集團(Nature Publishing Group,，NPG)的標(biāo)志性出版物。自1869年創(chuàng)刊以來,，始終如一地報道和評論全球科技領(lǐng)域里最重要的突破,。其辦刊宗旨是“將科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要結(jié)果介紹給公眾，讓公眾盡早知道全世界自然知識的每一分支中取得的所有進(jìn)展”,?！蹲匀弧冯s志每星期在全世界發(fā)行6萬份，大約1/4發(fā)行到圖書館和研究機構(gòu),。
佛契哥特發(fā)現(xiàn)有一種物質(zhì)可以舒張血管,，這并不是他的獨到之處，早在19世紀(jì)70年代,，人們就發(fā)現(xiàn)有機硝酸酯對缺血性心臟病有良好的治療作用,，但當(dāng)時并不了解其作用機理。19世紀(jì)末,，在諾貝爾以研制高性能炸藥(TNT)聞名和發(fā)跡的同時,，人們驚奇地發(fā)現(xiàn),，用于治療缺血性心臟病的硝酸甘油(GTN)竟是高性能炸藥的主要活性成分，人們對此困惑不已,。
既然這種舒張血管的發(fā)現(xiàn)并不特別,，那么佛契哥特的論文為什么會引起科學(xué)界的關(guān)注呢？原因就在于他用精巧設(shè)計的實驗證明了這種物質(zhì)的存在,。
表面上看來,，佛契哥特的研究與一氧化氮并無直接關(guān)聯(lián)，而是關(guān)于乙酰膽堿等血管活性物質(zhì)的作用機理,。1953年他發(fā)表了首篇關(guān)于乙酰膽堿和組胺致兔離體血管條收縮的論文,，這與當(dāng)時公認(rèn)的對整體動物靜注乙酰膽堿或組胺會引起血管舒張的觀點恰恰相反。但他堅持自己的實驗重復(fù)性良好,，且觀察無誤,，并在1955年發(fā)表的《血管平滑肌藥理學(xué)》綜述中提出假設(shè)，認(rèn)為猶如腎上腺素能有α和β兩種受體,，血管平滑肌上也同時含有運動性和抑制性兩種膽堿能受體——現(xiàn)在看來這一結(jié)論是錯誤的,，然而在當(dāng)時這一觀點一直被當(dāng)做權(quán)威而被認(rèn)可。
接下來的問題是,，為什么刺激內(nèi)皮細(xì)胞可引起血管平滑肌舒張,？這次似乎是單刀直入，他們首先想到的是血管內(nèi)皮細(xì)胞受刺激后會釋放某種物質(zhì),，該種物質(zhì)擴散至平滑肌并導(dǎo)致其收縮,。佛契哥特像是受到某種特殊的啟示，他回憶道：“那天早晨我剛醒來,，一個漂亮的實驗設(shè)計突然闖入我的腦海,。于是我來到實驗室，立即按照這一方案進(jìn)行了實驗,。”實驗結(jié)果被撰寫成論文發(fā)表于1980年的《自然》雜志上,，論文的名字是《內(nèi)皮細(xì)胞是乙酰膽堿誘發(fā)動脈平滑肌舒張的必需因素》。
值得一提的是,，在《自然》雜志上的這篇文章當(dāng)時還沒有明確提出內(nèi)皮舒張因子,，直到1982年，他們發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的關(guān)于緩激肽內(nèi)皮依賴性舒張血管作用的論文中,，才正式提出內(nèi)皮舒張因子這一名詞,。
這篇論文在學(xué)術(shù)界引起了廣泛關(guān)注，吸引了包括加州大學(xué)洛杉磯分校的伊格納羅(Louis J. Ignarro)教授在內(nèi)的許多科學(xué)工作者從事有關(guān)內(nèi)皮舒張因子的研究,。內(nèi)皮舒張因子是一種不穩(wěn)定的化合物,，能被血紅蛋白及超氧陰離子自由基滅活。長期研究亞硝基化合物的藥理作用的伊格納羅與佛契哥特合作，針對內(nèi)皮舒張因子的藥理作用以及化學(xué)本質(zhì)進(jìn)行了一系列實驗,，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮舒張因子與一氧化氮及許多亞硝基化合物一樣能夠激活可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(Soluble Guanylate Cyclase,，sGC)，一氧化氮主要通過環(huán)磷鳥苷(cGMP)途徑擴張血管,。
穆拉德博士的發(fā)現(xiàn)
20世紀(jì)50年代,，環(huán)磷鳥苷作為一種天然產(chǎn)物標(biāo)志在尿中發(fā)現(xiàn)，相關(guān)酶類包括作用于環(huán)磷鳥苷的合成的鳥苷酸環(huán)化酶(Guanylate Cyclase,，GC),、水解環(huán)磷鳥苷的磷酸二酯酶和選擇性地被環(huán)磷鳥苷激活的蛋白激酶。
穆拉德博士于1970年結(jié)束了在美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的訓(xùn)練后,，決定將更多的研究精力從環(huán)化腺核苷一磷酸(cAMP)轉(zhuǎn)移到環(huán)磷鳥苷,，并著力解決兩個問題：第一，激素類配基如何與它們的受體結(jié)合來調(diào)控鳥苷酸環(huán)化酶,？第二,，其分子偶合事件是什么？對受體鳥苷酸環(huán)化酶偶聯(lián)的了解,，有助于使用制劑或藥物來增強或抑制激素在某些臨床疾病中的影響,。
在得州大學(xué)醫(yī)學(xué)院，多年來一直獨立從事硝酸甘油擴張血管作用研究的藥理學(xué)家穆拉德博士早在1977年就發(fā)現(xiàn)硝基酯類藥物及外源性一氧化氮均可使環(huán)磷鳥苷的含量增高,，他們甚至提出硝基酯類藥物可能是通過形成一氧化氮或某種活性物質(zhì)來增加細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷鳥苷的含量，進(jìn)而使血管擴張和抑制血小板,。至此,，眾多研究匯聚到一個焦點——硝基類活性物質(zhì)。
早在20世紀(jì)70年代,，穆拉德博士與合作者就系統(tǒng)地研究了硝酸甘油及其他具有增強血管活性的作用的有機硝基化合物的藥理作用,，發(fā)現(xiàn)這些化合物都能使組織內(nèi)環(huán)鳥苷酸、環(huán)化腺核苷一磷酸等第二信使的濃度升高,。這類化合物有一個共同的性質(zhì),，可以在體內(nèi)代謝產(chǎn)生一氧化氮。1977年,，穆拉德博士發(fā)現(xiàn)硝酸甘油等必須代謝為一氧化氮才能發(fā)揮擴張血管的作用,，由此他認(rèn)為一氧化氮可能是一種對血液流通具有調(diào)節(jié)作用的信使分子，但當(dāng)時這一推斷還缺少實驗證據(jù),。
穆拉德博士在前期工作中發(fā)現(xiàn),，在不同組織勻漿中(包括高速離心上清液和勻漿顆粒部分)都能檢測到鳥苷酸環(huán)化酶的活性。但在這兩種組織制備中,，酶活性的動力學(xué)特征是不同的,，最顯著的特征就是勻漿顆粒部分對基質(zhì)三磷酸鳥苷(GTP)就活性呈現(xiàn)協(xié)同催化動力學(xué)，而可溶性鳥苷酸環(huán)化酶的活性被證實為典型的米曼氏動力學(xué)，這個發(fā)現(xiàn)提示可溶性鳥苷酸環(huán)化酶的活性代表一個三磷酸鳥苷的催化位點,。盡管推測鳥苷酸環(huán)化酶有不同的亞型,，但由于粗制備物也含有競爭底物或產(chǎn)物的核苷酸酶、磷酸酶和磷酸二酯酶而無法剔除不可靠的虛假數(shù)據(jù),，穆拉德花費了整整12年的時間純化,、驗證、克隆,、表達(dá)和再驗證這個酶,，才徹底解決了這個問題。
通過實驗,，穆拉德博士發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)包括疊氮鈉,、亞硝酸鹽和羥胺，能激活鳥苷酸環(huán)化酶,。在不同組織包括氣管平滑肌制備物中,，疊氮鈉、亞硝酸鹽和羥胺也能提高環(huán)磷鳥苷的水平,。這些環(huán)磷鳥苷水平的提高與平滑肌舒張有關(guān),，顯示為直線的劑量應(yīng)答關(guān)系。硝酸甘油,，一種從18世紀(jì)70年代起應(yīng)用于臨床心絞痛的藥物,，也可活化可溶性鳥苷酸環(huán)化酶，在不同的組織包括氣管平滑肌中提高環(huán)磷鳥苷的水平,，引起平滑肌舒張,。
穆拉德博士稱這些不斷增長的可溶性鳥苷酸環(huán)化酶激活劑名單中氣管、腸胃和血管平滑肌的弛緩劑為“硝基血管舒張劑”,，確信它們能被轉(zhuǎn)化為一氧化氮,，因為用化學(xué)法產(chǎn)生的一氧化氮能激活所有測試中的可溶性鳥苷酸環(huán)化酶制備物。這些一氧化氮前藥物質(zhì)的作用機制因此確定,。
穆拉德博士提出了一氧化氮能起到調(diào)控激素和藥物的細(xì)胞內(nèi)信使的作用的假說,，即一個自由基激活一個酶，且這個自由基是一個內(nèi)源信使分子,。由于被純化的可溶性鳥苷酸環(huán)化酶的激活作用發(fā)生在納摩爾濃度下,，并且由于一氧化氮及其氧化產(chǎn)物亞硝酸鹽和硝酸鹽的測定法不敏感，在一氧化氮分析測定的新技術(shù)發(fā)展后的七八年,，這個當(dāng)年遭到學(xué)術(shù)界懷疑的假說才被決定性地證實和接受,。
穆拉德博士表示，人體內(nèi)的一氧化氮有兩個來源：一為非酶生,，來自體表或者攝入的無機氮的化學(xué)降解與轉(zhuǎn)化,；一為酶生,，由一氧化氮合酶催化L-精氨酸脫胍基所產(chǎn)生。非酶生性的一氧化氮,，大部分來自硝基血管舒張劑家族,，包括硝普鹽、有機或無機亞硝酸鹽和硝酸鹽,、亞硝胺,、氮芥、聯(lián)氨等,。比如有名的硝酸甘油和硝普鈉的擴張血管,、治療心臟病的功能都是通過非酶生性產(chǎn)生的一氧化氮起作用的。酶生性的一氧化氮,，來自于一氧化氮的前體物質(zhì),，例如精氨酸,。攝入人體的富含精氨酸的食物,，在體內(nèi)通過酶生性產(chǎn)生一氧化氮并發(fā)揮其生理功能,。
酶生性一氧化氮產(chǎn)生機理(L-精氨酸在內(nèi)皮型一氧化氮合酶的作用下生成L-瓜氨酸并釋放一氧化氮)
穆拉德博士的研究集中于由非酶生性產(chǎn)生的一氧化氮的化合物對于一氧化氮合酶的影響，這不僅闡明了一氧化氮在體內(nèi)擴張血管的作用機制,，而且也為新型的藥物和化妝品研發(fā)開辟了道路,。穆拉德博士所參與的生物科技公司所應(yīng)用的技術(shù)是一種能夠產(chǎn)生一氧化氮的組合，分別為氮劑和酸劑,，其中氮劑為亞硝酸鹽或富含亞硝酸鹽的植物提取物,，酸劑為維生素C、檸檬酸等足夠強度的有機或者無機酸,。使用時,，先清潔皮膚，涂抹適量的氮劑化妝品,，再涂抹酸劑化妝品，兩者緩慢反應(yīng)釋放出一氧化氮,，滲入皮膚,，提高毛細(xì)血管血流量，促進(jìn)膠原蛋白的合成,，從而改善膚質(zhì),。
值得一提的是，早在19世紀(jì)末,，德國學(xué)者格里斯(Griess)就研究和發(fā)表了亞硝酸鹽的檢測方法,，但當(dāng)時對其與一氧化氮的關(guān)系并不了解。由于亞硝酸鹽是一氧化氮在水溶液中進(jìn)行氧化代謝的終產(chǎn)物而相對穩(wěn)定,，改良后的格里斯法至今仍是實驗室間接檢測一氧化氮含量最簡單,、最常用的方法之一。
獲得諾貝爾獎
1992年一氧化氮被著名的《科學(xué)》雜志評選為“年度分子”，同時以“Just Say NO”為封面,、以“NO News is Good News”為題發(fā)表專論,，高度評價了一氧化氮的發(fā)現(xiàn)及其生物學(xué)意義。穆拉德和佛契哥特在1996年共同獲得被譽為“諾貝爾獎風(fēng)向標(biāo)”的美國醫(yī)學(xué)業(yè)內(nèi)的大獎拉斯克醫(yī)學(xué)獎,。國際上拉斯克獎的獲得者幾乎都能成為諾貝爾獎的獲得者,。
1998年10月12日，在諾貝爾本人出生的這個月,，瑞典羅林斯卡醫(yī)學(xué)院決定把1998年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎授予穆拉德,、佛契哥特及伊格納羅這三名美國科學(xué)家。他們發(fā)現(xiàn)一氧化氮是心血管調(diào)節(jié)血壓和血流的信號分子,，并提出了一個全新的可以通過細(xì)胞膜信號傳導(dǎo)氣體信號的系統(tǒng),。
獲獎時穆拉德博士表示，瑞典的諾貝爾獎評選委員會很樂意把這個獎頒給一氧化氮對心血管的作用這個研究領(lǐng)域,。因為大家都知道當(dāng)年諾貝爾拒絕服用硝酸甘油而心臟病發(fā)作去世,，如果諾貝爾本人預(yù)知他們的獎項，也許會服用硝酸甘油進(jìn)而延長壽命,。
值得一提的是,，科學(xué)界中的很多人為另一位英國科學(xué)家鳴不平。薩爾瓦多·蒙卡達(dá)(Salvador Moncada)是英國皇家學(xué)會會員,，美國科學(xué)院外籍院士,。與伊格納羅一樣，蒙卡達(dá)在1987年用一個很巧妙的實驗直接證明了內(nèi)皮舒張因子就是一氧化氮,。這樣一位很早就從事一氧化氮領(lǐng)域的研究,，而且成就及貢獻(xiàn)和伊格納羅相當(dāng)?shù)目茖W(xué)家，卻與諾貝爾獎無緣,，這不能不說是一件非常遺憾的事情,。
諾貝爾之死
阿爾弗雷德·伯納德·諾貝爾(Alfred Bernhard Nobel，1833.10.21—1896.12.10)是瑞典化學(xué)家,、工程師,、發(fā)明家、軍工裝備制造商和炸藥的發(fā)明者,。他曾擁有Bofors軍工廠,，主要生產(chǎn)軍火，還曾擁有一座鋼鐵廠,。在他的遺囑中,，他利用他的巨大財富創(chuàng)立了諾貝爾獎，各種諾貝爾獎項均以他的名字命名,。人造元素锘(Nobelium)就是以諾貝爾的名字命名的,。
諾貝爾的一生有很多發(fā)明創(chuàng)造,，他為科學(xué)技術(shù)作出了舉世矚目的貢獻(xiàn)，給人類帶來了巨大財富,。其中,，有一個具有戲劇性的發(fā)明與一氧化氮有關(guān)。1864年,，諾貝爾發(fā)現(xiàn)極易揮發(fā),、爆炸性極強的硝酸甘油經(jīng)硅藻土吸附后其穩(wěn)定性大大增加，他根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)成功研制出了安全炸藥,。安全炸藥的工業(yè)化生產(chǎn)給諾貝爾帶來了巨大的榮譽和財富,，使他得以創(chuàng)立世界科學(xué)界的最高獎項——諾貝爾獎。諾貝爾晚年患有嚴(yán)重的心臟病,，醫(yī)生建議他服用硝酸甘油,，但被諾貝爾拒絕了，因為早在研制炸藥的過程中,，諾貝爾就發(fā)現(xiàn)吸入過量的硝酸甘油蒸氣會引起劇烈的血管性頭痛,。1896年，諾貝爾心臟病發(fā)作逝世,。如果他當(dāng)時聽從醫(yī)生的建議,，及時服用硝酸甘油，他也許可以活更長時間,，為人類創(chuàng)造更多財富,。硝酸甘油可以有效地緩解心絞痛，但它的作用機理困擾了醫(yī)學(xué)家,、藥理學(xué)家百余年,，直到20世紀(jì)80年代才因為穆拉德、佛契哥特及伊格納羅這三位美國藥理學(xué)家出色的工作而得以解決：硝酸甘油及其他有機硝酸酯通過釋放一氧化氮氣體而舒張血管平滑肌,，從而擴張血管,。
人體中的健康信使
現(xiàn)在，廣為人知的是,，一氧化氮在人體內(nèi)起著信使分子的作用,，人體內(nèi)生成的一氧化氮小分子，可以穿透任何細(xì)胞,，到達(dá)任何組織，使信息從人體某一部分傳到其他部分,，行使著傳輸信號的功能,。一氧化氮幫助控制血液流向人體的各個部位，使血管擴張,，避免血管內(nèi)出現(xiàn)血流速度變緩的現(xiàn)象,，保持血管清潔,、暢通，維持正常血壓,，有效減輕心臟負(fù)擔(dān),。此外，一氧化氮還是對付細(xì)菌,、病毒以及血液垃圾的有效武器,，能夠殺死多種病原體，從而很好地保護(hù)人體健康,。因此,，一氧化氮是人體內(nèi)不可缺少的“健康信使”，是人體健康的重要元素,。
血管內(nèi)皮舒張因子
一氧化氮在體內(nèi)的合成,，是精氨酸在一氧化氮合酶的作用下合成一氧化氮，同時產(chǎn)生瓜氨酸,。一氧化氮合酶大致分為三類：內(nèi)皮型,、神經(jīng)型和誘導(dǎo)型。內(nèi)皮型和神經(jīng)型一氧化氮合酶為組成酶,，在正常生理條件下存在,；誘導(dǎo)型一氧化氮合酶為誘導(dǎo)酶，在特殊條件下經(jīng)誘導(dǎo)才會產(chǎn)生,。
在內(nèi)皮中產(chǎn)生的一氧化氮,，作為一個內(nèi)皮舒張因子，其主要作用是使血管舒張,、降低血管阻力,、降血壓、抑制血小板黏附和凝聚,、抑制白細(xì)胞黏附和游走,、降低平滑肌增殖、防止動脈粥樣硬化和血栓形成,。
在外周神經(jīng)和大腦中產(chǎn)生的一氧化氮,，作為腎上腺素和膽堿以外的神經(jīng)遞質(zhì)，在血管,、海綿體,、胃腸道、泌尿道,、氣管肌,、肛尾肌等外周輸出神經(jīng)抑制反應(yīng)中起到非常重要的作用。
由誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)合成的一氧化氮,，通過多條途徑調(diào)節(jié)炎癥,，在調(diào)控免疫反應(yīng)中起到很重要的作用,。一氧化氮對細(xì)菌、真菌,、寄生蟲,、腫瘤細(xì)胞有殺傷作用。同時,，感染和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎后的很多病理過程,，包括休克、組織損傷,、細(xì)胞凋亡等都與一氧化氮的過量表達(dá)有關(guān),。
