从神经递质到体液调节：一氧化氮到底是不是神经递质

更新时间：2023-08-02T09:21:56 / 浏览：次

人教版普通高中教科书《生物学》（选择性必修１）2019年版（以下简称“新教材”）“稳态与调节”模块相对于人教版普通高中教科书《生物学》（必修3）2007年版（以下简称“旧教材”）“稳态与环境”，不仅模块名称发生了变化，而且内容也有了改动，特别是对一氧化氮（NO）功能的叙述做了较大的调整。

１    教材对照

旧教材（P19）中描述目前已知的神经递质种类很多，主要有乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、5-羟色胺、氨基酸类（如谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸等）、一氧化氮等。

新教材（P29）中描述目前已知的神经递质种类很多，主要有乙酰胆碱、氨基酸类（如谷氨酸、甘氨酸）、5-羟色胺、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素等。新教材（P57）除激素外，其他一些化学物质，如组织胺、某些气体分子（NO、CO等）以及一些代谢产物（如CO₂），也能作为体液因子对细胞、组织和器官的功能起到调节作用。

新教材中在列举神经递质种类时将NO删除，而在体液免疫中又将其加入，那么NO究竟是参与神经调节还是参与体液调节呢？

2    关于一氧化氮

2.1     NO的基本性质

常温常压下纯净的NO是相对分子质量小、结构简单、无色无味的脂溶性气体，微溶于水，易溶于疏水性溶剂，穿透膜的能力强。在NO分子形成过程中，N原子最外层有5个电子，O原子最外层有６个电子，N原子与O原子在形成共价键后，N原子在分子轨道上有１个未成对的电子，半衰期极短（1-5s），通过自由扩散方式进行运输，扩散速度快。

2.2     NO的内源性合成

在1992年美国《科学》杂志中称NO是一种新型生物信号分子，由NO合酶（NOS）催化L-精氨酸（L-Arg）而生成，具体过程：

迄今已发现NOS有4种亚型，即神经元型（nNOS）、内皮型（eNOS）、诱导型（iNOS）和线粒体NOS（mtNOS）。其中前两种NOS主要存在于神经元、骨骼肌、血小板以及血管内皮细胞中，无需刺激即可表达，几秒内可产生为fmol（10^-15mol）或pmol（10^-12mol）水平的NO。iNOS分布广泛，主要存在于吞噬细胞中，诱导后几个小时内可产生Nmol（10^-9mol）水平的NO，而且可持续几小时甚至几天，可诱导免疫反应机制，帮助机体抵御微生物的入侵。mtNOS存在于线粒体中，其与CCOX结合再与CCOX血红素a2结合，从而抑制线粒体的呼吸作用。

2.3     NO的生物学功能

NO化学性质十分活泼，具有多种生物学功能，具体如下：

2.3.1 NO在体液调节中的功能

NO在体液调节中，特别是心血管舒张中发挥着重要作用。血管神经末梢释放乙酰胆碱（ACH）作用于内皮细胞G蛋白偶联受体（GPCR），并激活磷脂酶C（PLC），磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP₂）在激活磷脂酶C的作用下水解生成二酰甘油（DAG）和三磷酸肌醇（IP₃）。IP₃在细胞质中扩散，激活IP₃受体通道，导致内质网中的Ca²⁺释放到细胞质中，Ca²⁺水平升高。DAG作为亲脂分子锚定在细胞膜上，激活钙调蛋白（CaM），当Ca²⁺与钙调蛋白结合后，刺激NOS催化L-精氨酸氧化形成L-瓜氨酸（LCCP），同时释放NO，NO通过扩散进入邻近平滑肌细胞，激活鸟苷酸环化酶（GC），刺激GTP生成cGMP。cGMP作为第二信使激活cGMP依赖的蛋白激酶G（PKG），这样使肌动肌球蛋白复合物信号通路受到抑制，从而导致血管平滑肌舒张（图１）。

2.3.2     NO在神经调节中的功能

NO作为脑内的气体分子神经递质，参与神经系统信息传递、发育及再生等过程。与一般的神经递质不同，NO并不储存于囊泡中，作为逆行信使参与突触间信号的传递，属于一种非典型的神经递质。神经递质的分类具体如表１。

NO发挥作用的主要机制是谷氨酸（Glu）自突触前膜释放后，与突触后膜上的α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体和N-甲-基D-天冬氨酸（NMDA）受体结合，由AMPA激活而触发的去极化使阻塞于NMDA受体通道的Mg²⁺移出，通道打开，Na⁺和Ca²⁺内流，同时K⁺外流。高频刺激使突触后神经元Ca²⁺水平显著升高，低频刺激使Ca²⁺轻度升高。突触后神经元Ca²⁺显著升高可激活钙调蛋白依赖的蛋白激酶Ⅱ，后者可使AMPA受体通道磷酸化而增加其对Na⁺的通透性，促使贮存于细胞质中的AMPA受体转移到突触后膜上，同时Ca²⁺升高激活NOS促进NO合成。NO从突触后神经元作为逆行信使的角色扩散进入突触前神经元，引起谷氨酸长时程释放，形成长时间增强（LTP）（图2）。

2.3.3     NO在免疫调节中的功能

研究发现，当内毒素、LPS、IFN、IL和TNF等与巨噬细胞、中性粒细胞和肥大细胞上的受体结合后，被激活产生iNOS，进而合成NO。NO扩散到周围的细胞后，抑制细胞核内DNA合成以及线粒体内的三羧酸循环（TCA循环）和电子传递，从而杀伤肿瘤细胞、损伤组织细胞、杀伤病原微生物（图3）。同时会促进iNOS的合成进而催化产生大量·NO，此时单核巨噬细胞释放的大量O^-₂参与哈伯-韦斯反应产生·OH（具有杀伤微生物和肿瘤细胞的作用）。产生的O^-₂又和·NO发生反应，生成ONOO·。在酸性条件，ONOO·被分解生成氧化性更强的·OH和·NO₂，从而加强杀伤外来微生物和肿瘤细胞的能力。不仅如此，研究发现自身免疫性疾病患者体内NO含量增加，表明NO与自身免疫病具有相关性。

2.3.4     NO在其他方面的功能

除此之外，科学家发现NO在生殖系统、呼吸系统和消化系统中也具有调节作用。NO存在于下丘脑—垂体—性腺轴中的各部分中，能通过cGMP通路促进下丘脑分泌促性腺激素释放激素，也可以通过Ca²⁺依赖性机制作用于垂体刺激卵泡刺激素和促黄体生成素的分泌，对雌性和雄性动物均发挥重要作用。对于雄性动物而言，NO可促进阴茎勃起、参与睾酮分泌、调节精子的发生等生理过程；对于雌性动物而言，NO几乎参与所有的生殖活动，如性行为、卵泡的发育和排卵、分娩、妊娠等生理过程。NO也存在于肺部，保护气管不过度收缩，也可调节气管中的炎症反应，在临床中利用NO吸收法可以治疗肺高压疾病。NO在胃肠道也有分布，可以调节胃肠道蠕动、保护肝细胞、抑制胃肠粘膜损伤等。

3    调整意义

由于NO的体液调节机制研究得比较清晰，在临床上也被广泛应用，但其他生物学功能还未完全清楚，因此教材对NO相关内容的调整具有更强的生活实践指导意义。

3.１    树立生命意识

教师在教学过程中可以根据NO的物理、化学性质，帮助学生更深入地理解NO功能的多样性，理解生物体各个结构既独立又联系的相互关系，形成结构与功能观、生物物质观和系统观。

3.2    发展科学思维

基于NO的作用机制模式图，引导学生尝试运用模型与建模系统性思维探讨和阐释这一生命现象，运用批判性思维、平衡思维和多因素思维认识NO生物功能多样性和复杂性，从而形成生物学特有的科学思维。

3.3    深化科学探究

教师在教学过程中可以将新旧教材相结合，通过学习NO多种生物功能的科学发展史，培养学生发现问题、解决问题的能力，促进学生理解科学本质和研究思路，提升学生的思维能力和探究能力。

3.4    培养社会责任

NO在心血管疾病的应用中发挥着重要作用。目前治疗心绞痛药物主要为硝酸酯类（如硝酸甘油），其作用机制是根据其与体内特异性受体结合后形成的S—亚硝基化合物，之后释放出外源性NO分子，由于吸收快、起效快、低耐受性等特点，成为典型的血管扩张药。本知识点与现实生活贴切，通过学习可培养学生学以致用的能力，增强学生的社会责任感。

转自：枫梓生物，文章来源——从神经递质到体液调节：一氧化氮的“华丽转身”——新教材知识体系的编排更新举隅，《生物学教学》 ２０２２ 年（第 ４７ 卷）第 ２ 期 .72-74.作者：张淑萍

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