临床投资杂志。2005年3月1日；115(3): 509–517.
衰竭心脏和心血管系统中的NO/氧化还原失衡
1和2
约书亚·M·黑尔
1约翰斯·霍普金斯大学医学院，美国马里兰州巴尔的摩。2美国北卡罗来纳州达勒姆杜克大学医学院医学和生物化学系霍华德·休斯医学院。
乔纳森·斯坦勒
1约翰·霍普金斯大学医学院，美国马里兰州巴尔的摩。2美国北卡罗来纳州达勒姆杜克大学医学院医学和生物化学系霍华德·休斯医学院。
1约翰·霍普金斯大学医学院，美国马里兰州巴尔的摩。2美国北卡罗来纳州达勒姆杜克大学医学院医学和生物化学系霍华德·休斯医学院。
- 补充资料
补充数据
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摘要
越来越多的证据表明，活性氧和氮的产生和/或时空分布的改变在衰竭的心脏和血管树中产生了氧化和/或亚硝化应激，这导致了表征衰竭心血管系统的异常心脏和血管表型。这些综合系统水平上的紊乱可以从细胞和分子水平上解释，即对心脏、血管系统和血液中支持心脏和血管内稳态的信号元件的不利影响。
细胞损伤与信号故障
活性氧和/或活性氮物种（RNS）的细胞生成改变是人类疾病的普遍特征。多年的研究始于超氧物的发现(1)和超氧化物歧化酶(2)，提供了对这些药物损伤脂质、DNA和蛋白质的多种化学机制的深入理解，并且通过对病变组织的分析，揭示了病理生理背景，显示了氧化和硝化应激的化学足迹(三——6). 因此，人们普遍认为，直接化学（氧化和亚硝化）损伤是细胞和亚细胞结构-功能受损或破坏的主要因素，这是此类病理情况的典型表现。然而，这一假设的一个主要困难在于理解化学损伤的显著特征是如何构成慢性病的多种病理生理学基础的，而化学损伤在器官系统中很常见。此外，不可逆的氧化损伤与某些类别的抗氧化剂对心血管功能的急性恢复不易调和（参见参考文献。7例如）。因此，目前尚不清楚RNS和ROS造成的损伤在多大程度上促进了疾病的发病。
人们很早就认识到NO和/或相关同源物在信号转导中具有功能，在过去十年中，额外的氧化还原活性物种可能具有信号作用的观点得到了加强(8——13). 虽然RNS和ROS调节细胞信号转导的分子机制尚不完全清楚，但普遍认为半胱氨酸残基是氧化还原调节的主要位点(10,13,14). ROS-和RNS调节途径之间的串扰可能发生在化学相互作用水平(15,16)通过它们对靶蛋白的协同作用(17,18); 这反映在人们越来越认识到RNS和ROS可能承担共同的信号作用。对几个这样的例子的分析(17——22)已经表明秒-亚硝基化（NO与半胱氨酸硫醇的共价连接）可能起主要效应作用，而氧和其他ROS可能控制对秒-亚硝基化（就像活性氧一样，通过抑制磷酸酶来控制磷酸化信号的强度；参考文献。11). 本文阐述了ROS和RNS在心血管系统中相互作用的生理和病理生理后果（图). 我们回顾了在心脏收缩力和血流的生理调节中直接涉及一氧化氮/氧化还原信号的工作，并巩固了生理信号障碍在心力衰竭（HF）的病理生理学中起核心作用的观点。进一步提出，导致心血管系统衰竭的NO-based信号障碍可归因于心脏、血管和血液中ROS和RNS之间的失衡。
(A类)心肌细胞中一氧化氮合酶和氧化酶的空间定位。NOS3定位于肌膜小窝(85,97)参与L型钙的调节2+通道（LTCC）电流，由cGMP形成介导（S64）或由秒-LTCC的亚硝化（S13）。NOS1定位到SR(32)促进SR-Ca2+循环(97)由秒-RyR和SR-Ca的亚硝化反应2+ATP酶（SERCA2a）(17,33). XOR也定位于心肌细胞的SR；蛋白质或活性的上调（由SR NOS1缺陷引起）破坏RyR的SNO调节(22). 心肌细胞中还存在其他氧化酶（如NADPH氧化酶）(50)但精确的信号作用、身份和/或亚细胞定位尚未阐明。线粒体是两种O的额外来源2——NO，可能参与线粒体呼吸（S65-S67）和细胞凋亡（S41）的控制。细胞色素；PLB，磷酸λ。(B类)RyR的监管秒-亚硝化。秒-亚硝化发生在一个半胱氨酸残基（约50个游离硫醇中的1个）上，该残基位于心脏RyR的钙调素结合域内(17). NO结合（如骨骼肌RyR1所示）以氧浓度依赖的方式发生，并启动钙调素调节通道(18). 较高的pO2氧化一小组RyR-相关硫醇，调节通道对NO.SH（还原硫醇）的反应性；S-S，氧化硫醇；CAM、钙调素；x是指1到3之间的一个小集合。
ROS/RNS轴
相互作用的分子基础。
ROS（例如O2——，H2O（运行）2和OH•)，可能导致心脏损伤(4,23)通过氧化细胞成分，包括对兴奋-压缩（E-C）偶联至关重要的蛋白质(24,25)以及通过降低NO的生物活性(22). ROS可以通过直接灭活NO来降低NO的作用。但RNS和ROS之间的相互作用在体内构成病理生理机制的程度尚不清楚。ROS可能影响NO反应的第二种方式是通过氧化蛋白质中的位点，NO与蛋白质发生反应（直接竞争）或影响NO结合（变构调节）（图). 证据表明，ROS的这种作用模式可能与心脏病理生理学有关。
基于NO/氧化还原的信号转导与亚硝化应激。含半胱氨酸蛋白质的分子识别要么是通过存在适合区分NO修饰的单一类硫醇来实现的(秒-氧化（S-谷氨酰化、S-S[分子内二硫化物]和/或硫氧化物[SOx个——，其中x个是1–3]）——以蛋白质1为例——或通过多种硫醇的存在，每种硫醇都适合识别不同的氧化还原相关分子，包括NO、GSNO、H2O（运行）2，O型2，和细胞氧化还原电位（对于蛋白质2，请注意，某些种类的硫醇可能在功能上与其他硫醇相连，如pO中所示2-RyR硫醇的依赖性氧化促进秒-亚硝化）。在模型1中，硫醇氧化将对亚硝化信号产生不利影响。在模型2中，信号故障可能由基于RNS/ROS的修饰的量、时间和/或性质的改变引起。S、 半胱氨酸硫醇；GSH/GSSG、谷胱甘肽/谷胱甘苷二硫化物；氧化铅2，O分压2.
通过半胱氨酸硫醇发出信号。
除了与鸟苷酸环化酶和细胞色素c等蛋白质中的过渡金属中心结合外，通过将NO基团连接到氨基酸半胱氨酸的硫醇侧链，还可以对蛋白质进行基于NO的修饰。所有种类的100多种蛋白质都是秒-亚硝化（综述见参考文献。20,26)NO在细胞中的普遍作用在很大程度上是通过这种蛋白质调节机制传递的(20,27——30). 虽然早期关于NO化学的想法对秒-体内亚硝化反应是近期工作的重要组成部分，它证明了多种亚硝化反应的存在秒-亚硝化蛋白质在基础条件下和增加秒-亚硝基化与一氧化氮合酶（NOS）所有亚型的激活（刺激物包括钙、生长因子、细胞因子、激素和多种配体）相结合，确立了这种蛋白质修饰反应的生理相关性(28——30). 此外，最近对缺乏秒-硝基硫醇代谢酶(31)和分析秒-多细胞系统中的亚硝化作用，包括20多种不同类别蛋白质中半胱氨酸的定点突变(20)，证明了这种由NO衍生的翻译后修饰是NO生物活性的主要效应器和细胞信号转导的重要模式。
虽然硫醇在蛋白质类中的普遍存在似乎支持了对秒-亚硝化，即NO滥用职权的传统观念，给理解如何实现专一性带来了问题。然而，最近的文献表明，人们越来越重视RNS特异性的许多决定因素(20)包括NOS与其底物的共定位(32,33). 尤其是NO-信号成分的空间限制(33,34)和刺激耦合调节秒-信号模块范围内的亚硝化反应(26)与NO自由扩散和氧化还原状态改变（均匀影响细胞或亚细胞隔室）的想法形成对比，从而允许秒-亚硝基化作为基于氧化还原的细胞信号转导的原型机制。一氧化氮合酶亚型在心肌细胞中的分室化很好地证明了这一点，在心衰中则被破坏。
值得注意的是，ROS，尤其是过氧化氢（H2O（运行）2)与NO/RNS对硫醇具有化学反应性(13,17,35)，目标硫醇专一性的概念反映在关于蛋白硫醇对H的差异反应性的最新文献中2O（运行）2(13)以及活性氧（氧化酶）酶源与硫醇磷酸酶的共定位(13,36). 然而，尽管已经令人信服地证明，内源性ROS对蛋白酪氨酸磷酸酶（PTPs）的失活是受体酪氨酸激酶发出完全磷酸化信号所必需的(11——13,36)，活性氧在信号转导中的更广泛作用仍有待阐明，即其他蛋白质的身份、蛋白质修饰位点（通过生理活性氧）以及原位氧化的性质在很大程度上仍不清楚。此外，由于活性氧很容易扰乱局部和细胞的氧化还原环境，因此它们引发生理信号与病理信号的程度并不总是明确的——活性氧抑制PTP增强的有丝分裂活性就是一个例子。复制细胞O的实验范式可能有助于解决这个问题2环境pO代表的张力而非氧化应激2(18,37). 与现有数据一致的一种有趣的可能性是，ROS可能会改变磷酸化和亚硝基化信号启动的设定点(18,20,36)而不是单独发信号。磷酸化和亚硝化将有助于传播信号。正如将在衰竭心脏中描述的那样，活性氧产生的改变将损害生理信号转导。
O的心血管来源2——/ROS和NO/RNS
活性氧的主要心血管来源包括黄嘌呤氧化还原酶（XOR）(38)，NAD（P）H氧化酶（多亚基膜复合物）(39)和NOS(40,41)以及线粒体细胞色素(42)和血红蛋白(43,44). NOS和血红蛋白也是RNS的主要来源，包括NO和SNO（氨基酸、肽和蛋白质中的NO-修饰半胱氨酸硫醇），它们具有NO生物活性。酸性隔间中的亚硝酸盐也可以生成NO和SNO(10,30)如溶酶体或线粒体内膜，以及亚硝酸盐和硝酸盐通过XOR等酶的作用(38).
黄嘌呤氧化还原酶。
XOR是ROS的一种重要心血管来源，在HF中表现出更丰富和活性(7,45,46). XOR在心脏中上调(7)和脉管系统(46)心衰患者的心脏收缩功能，并有助于机械融合脱钩(7)和血管收缩(46)分别是。XOR是一种含钼酶，表示为150-kDa同二聚体，它产生超氧物或过氧化氢，作为嘌呤代谢末端步骤的副产物（参考文献。1; 有关审查，请参阅参考。38). 这种酶有两种形式：黄嘌呤氧化酶（XO）和黄嘌呤·脱氢酶（XDH）(47). XO是XDH的变体，由XDH巯基残基的不可逆蛋白水解裂解或可逆氧化产生。而XDH使用NAD+作为辅因子（还原为NADH），XO利用分子氧（还原为O2——/H（H）2O（运行）2)（参考文献中审查）。38,47,48). O的生产2•——XO具有潜在的病理生理相关性。XO还可以在低pO下从亚硝酸盐和硝酸盐生成NO2，但这是否是体内生理相关的途径尚不清楚(38,49). 同样不清楚的是，XO催化产生的NO对心脏是有益还是有害。
NAD（P）H氧化酶。
NAD（P）H氧化酶是一种多亚单位酶，催化O的单电子还原2使用NAD（P）H作为电子源(39). 血管酶类似于巨噬细胞NAD（P）H氧化酶，包含Nox家族亚单位，如Nox1、Nox4、p22凤凰（phox）和gp91荧光粉与XOR一样，人HF心肌细胞中NAD（P）H氧化酶亚单位增加(50)和缺血再灌注(51). NAD（P）H氧化酶和XO之间存在串扰：NAD（P）H氧化酶活性维持内皮细胞XO水平并参与XDH向XO的转换(52). gp91缺陷小鼠凤凰（phox）仍然表现出NAD（P）H依赖性超氧物生成，并发展为压力过载诱导的肥大(53)，表明ROS的另一种来源。有趣的是，XO具有NADH氧化酶活性，可被二苯碘铵（DPI）抑制(54)但别嘌呤醇不是(54,55). XOR可能是ROS生成的主要病理生理来源，这一观点得到了HF中XO抑制（XOI）的功能后果的支持(56,57)和NADPH氧化酶(58,59)被NO抑制，提供了NOS活性调节超氧化物生成从而维持O的机制2——/没有体内平衡。
无合成酶。
NOS氧化L（左）-精氨酸形成NO和氨基酸L（左）-瓜氨酸(60). NOS亚型、神经元NOS（nNOS或NOS1）、iNOS或钙非依赖性NOS（NOS2）和内皮型NOS（eNOS或NO S3）在大多数细胞、组织和器官中发挥调节作用，包括神经、免疫、呼吸、泌尿和心血管系统，这些系统共同影响心血管性能。NOS1和NOS3可以被钙和钙调素激活，而NOS2由于其高基础钙而有效地不依赖钙2+/钙调素亲和力。NO通过与血红素修复基结合激活可溶性鸟苷酸环化酶（S-GC）(61). 这种激活导致产生3′，5′-环鸟苷酸（cGMP），进而激活蛋白激酶G和一系列生物信号事件（综述见参考文献。62,63).
而cGMP在心脏肌力、血糖和离子通道反应中的作用(64,65)钠尿肽与NOS介导这些作用的程度尚不清楚。同样明显的是，NO在心脏和血管中具有cGMP非依赖性效应(26,29,66——69). 到目前为止，几乎所有在体内发现NO作用位点的病例中，NO对功能的调节都涉及1个或极少数半胱氨酸的修饰，这些半胱氨酸通常包含在特征性酸碱或疏水基序中(20,26)如前所述，定点突变实验支持这种半胱氨酸修饰的特异性(20,69). 值得注意的是，心肌细胞的ryanodine受体钙释放通道（RyR）是构成性的秒-兔心脏中单一半胱氨酸的亚硝化作用(17)NO作为白蛋白和血红蛋白中单一活性硫醇的NO-衍生物在哺乳动物的血流中循环(69,70). 氨基酸和小肽（例如半胱氨酸、谷胱甘肽）也会在体内进行亚硝化(15,71)提供与SNO蛋白质平衡的NO基团反应源(72,73). 假定的秒-蛋白质的亚硝化秒-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）最近被加成(20). 此外，还发现了一种GSNO还原酶（GSNOR；正式称为酒精脱氢酶III型），它选择性地代谢GSNO(31). 缺乏GSNOR的动物在基础状态下循环SNO的稳态水平增加，细胞因子刺激后组织中蛋白-SNO普遍升高(31,74). 这些研究表明，GSNOR所起的作用一方面类似于磷酸酶（即调节的脱硝糖基化），另一方面类似于超氧化物歧化酶（即保护免受亚硝化应激），并为SNO在生理和疾病中的作用提供了遗传学证据。
血红蛋白（SNO合酶和血红素氧化酶）。
血红蛋白（一种由2α和2β亚基组成的四聚体）是两种O的最大储存库2体内NO；O（运行）2血红素携带NO，血红素和半胱氨酸硫醇携带NO(秒-亚硝基血红蛋白(75,76). O型密封圈2/血红蛋白（Hb）的NO-结合功能在很大程度上取决于两种结构之间的平衡：脱氧（T）和氧（R）。从R结构到T结构的变构变化降低了血红素对O的亲和力2并促进NO基团从SNO-Hb转移到受体硫醇(75). 因此，红细胞提供NO血管扩张活性，可以增加组织血流量（O2交付）。O的重新绑定2肺中的血红蛋白有助于再生SNO-血红蛋白通过促进分子内NO从血红素转移到硫醇(75,77,78). 血红蛋白还具有内在的血红素氧化酶活性，导致产生超氧物(43,44,79). 在T结构中，Hb（伴随血红素氧化）释放超氧物是有利的(43,75,80,81). 因此，血红蛋白的持续或过度去饱和（HF的特征）会增加ROS的生成。此外，低O2饱和可能导致NO从β链（分配NO生物活性）迁移到α链(75,82)支持SNO生产的能力受损(75). 事实上，最近有报道称，HF的特征是血红素-NO的积累（相对于对照组），这与静脉去饱和有关(78). 原位NO/氧化还原失衡可能损害红细胞血管舒张功能，从而导致组织缺血。
心脏NO信号
底物特异性。
大多数类别的离子通道都是秒-亚硝化(26); 在内心深处(63)浆膜L型钙通道和肌浆网（SR）RyR是显著的例子(17,18,66)（图). cGMP还参与诱导NO对心肌E-C偶联的影响(67,83,84). 一氧化氮在心脏中的作用范围与一氧化氮合酶亚型的亚细胞位置密切相关。NOS3位于L型通道附近的膜小凹内(85)，NOS1定位到SR(32,86)在与RyR的综合体中(33)（图A） ●●●●。如下文所述，NOS1在某些情况下可靶向小窝，与肌膜钙调素依赖性钙相关2+泵(87). RyR中靶Cys的疏水分区，以及O对硫醇反应性的变构调节2/ROS（显示为RyR1）用于将NO仅引导到大约50个通道硫醇中的1个(66)（图B） ●●●●。一般来说，NO特异性是通过NOS对信号模块的空间定位而获得的(33,34)NOS与其目标之间的直接交互(88)，以及目标蛋白的四元结构，它影响其硫醇的反应性及其对亚硝化试剂的获取(20).
功能特异性。
从年的研究中获得了大量的生理支持无缺失小鼠认为NOS1和NOS3对心脏收缩力具有独立作用，在某些情况下具有相反作用(22,33,34,89——91)-通过NO-signaling模块的空间定位合理化的行动（图). 具体来说，NOS3对发生在质膜上的信号转导事件发挥作用，抑制L型钙2+通道，进而减弱β肾上腺素能心肌收缩力(33,92,93). 相反，NOS1在SR中发挥作用，促进Ca2+SR和胞浆之间的循环，从而增强儿茶酚胺刺激的心肌收缩力(33)或增加心率(22,34). SR NOS1与质膜NOS3对心肌收缩力的这种相反作用表明，NOS衍生NO在心肌细胞内不是一种自由扩散的信使。通过NOS及其靶点的分区对特异性范式的额外支持来自缺血性研究(94)或心肌衰竭(95)其中NOS1从SR“转位”到质膜小窝；NOS1发挥“NOS3样”作用，抑制β肾上腺素能肌力变(94). 因此，NOS亚型特异性直接来源于其在细胞内的位置。NOS结构基序和脂肪酰化使这种空间定位成为可能：NOS1具有PDZ域基序，它促进关键的蛋白-蛋白质相互作用（例如，合成营养素，参考。96; 质膜钙ATP酶，参考。87)NOS3是肉豆蔻酰化和棕榈酰化的，其靶向细胞膜(97). 这两种蛋白都可以与小窝蛋白相互作用，并且在SR中检测到NOS1与XO的相互作用(22). 除了对收缩力的位置特异性影响外，NOS亚型对其他心脏表型（尤其是心肌肥大）也有独立贡献。例如，当心肌中两种NOS亚型均缺失时，在结构和遗传水平上都会出现累积的肥厚表型(33,89,90). 这些小鼠的心血管表型已经过回顾(63,98).
终止NO信号。
一氧化氮信号传导的终止部分受酶的作用控制。cGMP由磷酸二酯酶-5（PDE5）代谢，PDE5在空间上靠近NOS(65); 在心肌细胞中，PDE5位于与小窝相关的细胞膜上。GSNOR通过将平衡位置移向GSNO来调节与GSNO平衡的蛋白质-SNO的水平(31,74). GSNOR在内皮细胞和心肌细胞中表现出活性，将GSNO降解为谷胱甘肽二硫化物（GSSG）和氨（NH）三) (74).
心力衰竭
NO/氧化还原失衡。
在充血性心力衰竭中，氧化还原酶上调(7,50)NOS和XO的数量或空间定位发生改变(95). NO相对缺乏可能进一步促进氧化酶活性(22,59)这表明NO可能是O的全局调制器2——/ROS产生(22,56,57). 尤其是血管NADPH氧化酶(99)在循环衰竭时大量增加，至少部分是由于血管紧张素II水平增加，这表明神经激素激活与NO/氧化还原失衡之间存在联系（100，S1）。超氧物的增加可能会使NO失活，减少其对血管氧化酶的控制(59). XO在肝脏、肠道和心脏中产生，在心衰时，其在整个心血管系统中的含量和活性增加(46)导致血管收缩和心功能降低（7，38，S2）。在HF中，XO活性的增加直接反映在NO信号的失调中(45). 此外，血红蛋白氧化酶活性可能在失效系统中产生主要的氧化负荷；HF的静脉去饱和特性促进Hb中支持超氧化物释放的T结构(43). 低氧血症可能因红细胞SNO缺乏而加重，这种缺乏会降低组织灌注(75).
与半胱氨酸硫醇的失调反应。
NO和O的相对通量2——-一氧化氮合酶和氧化酶在心脏中的丰度和位置决定了它们相互作用的化学命运：NO>O2——（生理状况的特征）有利秒-亚硝化，而NO/O2——不平衡（HF的特征）有利于氧化反应(15,69). 更具体地说，在低生理水平下，NO可作为抗氧化剂（S3），减缓芬顿反应，终止自由基链反应，并抑制过氧化物酶和氧化酶（例如，通过变构硫醇的亚硝化；参考文献。59)（S3、S4）。此外，NO与O的反应2——在基本条件下，生成优先与硫醇反应的亚硝化试剂(69). 因此，控制RNS和ROS的生产不仅可以保护抗氧化环境(15)，但也可能作为将NO引导至半胱氨酸底物的机制。相反，当NO和/或O2——靶点修饰的性质和靶向的特异性都受到损害（S5、S6）（图和). 换句话说，超氧物/活性氧的产生可能促进蛋白质秒-基本条件下的亚硝化作用，但在较高浓度下会破坏这种信号机制(17,18,22). 有趣的是，维持生理超氧化物水平的超氧化物歧化酶也可能催化秒-亚硝化反应(75，第7章）。
心血管系统NO/氧化还原失衡的后果——充血性心力衰竭表型。一氧化氮（NOS和基于血红蛋白的活性）和超氧化物/ROS产生（氧化酶活性）之间的平衡在包括心脏在内的心血管系统关键部位的细胞/器官功能中发挥着关键作用(A类)、大中型电导血管(B类)和微血管(C类)（第12节）。在这些位点中的每一个，NO/氧化还原失衡都被识别为基于NO-的信号失调。(A类)在心肌细胞中，NO调节受体介导的信号转导、钙循环、线粒体呼吸和肌丝收缩性。心脏SR中NOS的丢失(95)损害NO信号传导并产生氧化应激（通过减轻氧化酶的抑制作用）(22). 诱导型一氧化氮合酶（NOS2）的上调可能通过产生硝化应激进一步扰乱生理性一氧化氮的调节。HF中随之而来的NO/氧化还原失衡的特征是心脏钙循环、线粒体呼吸和肌丝对激活钙的反应性的中断和/或损害。(B类)在电导血管中，血管收缩可能是由于内皮一氧化氮合酶活性降低和/或血浆中一氧化氮生物活性的传递受损所致。NO/氧化还原失衡与血管NADPH氧化酶（Nox4）的表达或活性增加有关(99)和循环XO(46). (C类)在微血管中，红细胞控制NO的生物活性。下静脉O2HF中的饱和可能通过损害红细胞释放NO（SNO-Hb）和促进血红蛋白氧化酶活性来维持NO/氧化还原失衡(44,75). 红细胞舒张功能受损可能加剧组织缺血。
亚硝化胁迫。
在急性缺血、脓毒症或HF的情况下，iNOS（NOS2）的丰度可能会增加，导致亚硝化应激，这是一种病理生理状态，其特征是秒-亚硝化蛋白质达到危险水平（数量和/或时空分布）(63). 氧化剂（氧化应激）可原位加剧亚硝化应激；导致iNOS诱导的刺激也可能上调氧化酶，并伴随NO/RNS和O的升高2——/ROS可能会导致形成较高的氧化物（NOx个)，包括过氧亚硝酸盐(38). SNO/NO数量增加x个有利于半胱氨酸硫醇的多硝基化和氧化以及蛋白质中酪氨酸的硝化（16，S8，S9）。这种情况与心力衰竭有关，在心力衰竭中，NOS1的空间限制性丢失（NOS1从SR重新分布到质膜）可能是氧化/亚硝化应激的近因，这两种应激都是通过减轻XO的局部（SR）控制引起的(2,56,57S10），并通过改变肌膜的NO/氧化还原平衡。在分子水平上，聚-秒-钙的亚硝化、氧化和硝化2+ATP酶（S11）和RyR(17)可能会对钙稳态产生不利影响。因此，氧化还原失衡的主要病理生理后果是通过改变翻译后修饰的发生或性质来破坏NO信号（S12）。
一氧化氮信号传导中断的病理生理影响
心脏功能。
在一氧化氮控制心脏关键过程的程度上，一氧化氮/氧化还原失衡可能会对心脏性能产生不利影响（图). 在心肌细胞中，离子通道调节负责正常收缩和舒张功能的钙循环(63)，以及L型和RyR，它们有助于钙稳态，是NO靶点的特征（17，S13）（图). 支持这一观点的证据包括：（a）心脏NO水平已显示出毫秒级的变化，与生理E-C耦合（S14）相称；（b） NOS1定位于SR(32)在小鼠中接近RyR（NOS1和RyR免疫沉淀，参考。33; 和人类，参考。95)，并且NOS3在L型通道的紧邻处（97，S15）；（c） NOS1增强收缩力和SR-Ca2+β-肾上腺素能激动剂的肌力刺激释放(33)或通过起搏（力-频率响应）(22,34); （d） 从心脏分离出的RyR是构成性的秒-亚硝化（1 NO/RyR亚基）(17); （e） 在脂质双层实验中，NO通过以下途径激活RyR秒-将单个硫醇亚硝化，重演体内NOS1的活性；同样，在膜片钳实验中，NO独立于cGMP激活L型通道(63); （f） 在NOS1（和NOS3）基因敲除小鼠中观察到的功能损伤证明NO调节E-C偶联。因此，有大量的体外生化和体内功能数据支持NOS1通过RyR积极调节心肌E-C偶联的观点秒-亚硝化。
已证明ROS和RNS对骨骼正常E-C耦合的破坏(18)和心脏病(17)里尔。在体外，氧化修饰的通道表现出持续的激活-方向类似于生理NO的反应-但对生理效应物无反应(17,18). RyR的多亚硝基化也会导致通道活性失调(17). 氧化剂对RyR的不可逆活化导致SR-Ca2+泄漏（S16）、SR储存降低（S17）和经典HF表型（S18），这与RyR过度磷酸化（S19）和FKBP12.6（calstabin2）相互作用改变（S20-S22）的描述相似。
NOS和氧化酶抑制剂的另一项研究支持NO/SNO和O之间临界平衡的概念2——/生理和病理生理心脏功能的活性氧。衰竭心脏中XO的上调（7，S23）是氧化应激的一个原因(38). 抑制XO增加肌丝Ca2+缺血后顿抑的反应性（S24），改善衰竭心脏的异常机械反应性（45，S25），改善心肌梗死后重塑（S26，S27）。值得注意的是，XO抑制的有益作用依赖于NOS，即减少O2——只有在NO可用时，水平才是有益的(45). 相反，虽然XO抑制不会影响正常心脏，但它可以逆转NOS抑制引起的机械-能量解耦联。这些数据与NOS1缺乏导致XO活性增加和收缩力受损的结果一致(22)NOS1和XO在SR内相互作用的观察结果很好地证明了它们的合理性(22). 因此，来自NOS1的NO能抑制XO，抑制作用的丧失会导致HF表型。Pessah及其同事最近通过显示NO也调节抑制SR-Ca的NADH氧化酶扩展了这一范式2+释放SR钙流并将其与线粒体能量学耦合（S28）。总的来说，数据支持这样的观点，即ROS病理生理学不是由心脏的明显氧化损伤引起的，而是由控制E-C耦合和能量学的生理NO信号的破坏引起的。因此，NO和ROS之间的平衡可以被理解为通过其对Ca的影响对心脏调节产生直接影响2+发出信号。
血管功能。
血管壁氧化酶活性增加导致的NO/氧化还原失衡可能有助于血管收缩，这是一种中心HF表型。血管ROS可能来源于循环XO（S2）、NADPH氧化酶(99)，和/或NOS3（如果辅助因子如四氢生物蝶呤减少）(40). 在HF中，NO和超氧物之间的平衡可能会被一些效应物打破，包括内皮素、肾上腺素和血管紧张素II，后者刺激ROS的生成，而精氨酸酶（S29）和甲基精氨酸（S30）则会减少NO的生成。
在缺乏GSNOR的小鼠中，已确定SNO在血管舒缩张力调节中的功能(31)，对人类的研究表明，异常SNO水平与不良心血管事件之间存在关联（S31-S33）。值得注意的是，在以氧化应激为特征的临床情况下，循环SNO的周转可能受到损害(70). 因此，HF中氧化剂生成增加可能会损害血浆中NO的传递。
血液功能。
组织O缺乏2分娩是HF综合征的关键组成部分。最近人们认识到微循环中的血流主要与eNOS活性或pO无关2，而不是O2血红蛋白饱和度（S34，S35），对红细胞有影响(75,76). 在以组织氧为特征的几种疾病中，观察到红细胞导致SNO-Hb功能受损和/或血管舒张2包括HF（69、78、S36、S37）。红细胞的血管舒张功能受损可能会破坏O2梯度（O的正常下降2血管尺寸减小时的饱和度）。有趣的是，这些O2梯度也起调节作用秒-RyR1的亚硝化作用，使骨骼肌力量增加(37). 因此，低生理pO2可能会提供一种协同机制，增加血液流向积极收缩的肌肉秒-RyR和血红蛋白的亚硝化作用。相反，微循环中NO信号的中断可能是血管收缩以及骨骼肌（S38）氧传递解耦的主要原因，这两者都是HF的特征。
红细胞在循环衰竭中的功能障碍(78)可能是由于红细胞内持续低氧血症和NO/氧化还原失衡所致。低氧血症有利于NO在T结构（脱氧）血红蛋白血红素上的滞留，抑制肺部SNO-Hb的生成（75，S36）。此外，慢性静脉和组织缺氧会增加血红蛋白的氧化酶活性(43,79). 低氧红细胞随后产生的活性氧可能通过氧化硫醇受体（73、79、S39）破坏NO向血管壁的传递。因此，静脉pO降低2单位：HF(78)可能会损害NO生物活性的传递，而NO生物活性为血流调节服务。
心脏肥大和细胞凋亡。
细胞凋亡和心肌肥大与心力衰竭的心脏重塑有关。NO可能通过以下途径发挥抗凋亡作用秒-亚硝基化，从而抑制胱天蛋白酶3和9（S40，S41），凋亡信号激酶-1（S42）和c-Jun N-末端激酶（S43）的激酶活性，以及Jun的转录活性（S44）。NO还可以通过以下途径激活内皮硫氧还蛋白的氧化还原酶活性秒-变构硫醇的亚硝基化，从而有助于保持NO/氧化还原平衡（S45）。此外，IκB激酶的反硝化作用使NF-κB转位到细胞核并诱导保护基因（S46）。不同NOS在调节衰竭心脏细胞凋亡中发挥作用的机制尚不清楚。
另一方面，氧化和亚硝化应激可能促进细胞凋亡（S47）。例如，增加SNO水平可能激活凋亡信号激酶-1（通过解除与硫氧还蛋白的抑制性关联），同时也阻断NF-κB与DNA的结合(20). 因此，秒-NF-κB亚硝化可阻止抗凋亡基因的转录。此外，Fas相关凋亡与半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3和9（S48）的反硝化有关。氧化应激（由NADPH氧化酶介导，参考S49；XO，参考S26）不仅与细胞凋亡（通过多种机制）有关，还与心肌肥厚（23，S49）有关，这与ROS参与有丝分裂信号传导一致(12)而据报道NO具有抗肥厚作用（S50）。心肌肥厚中NO/ROS的确切分子靶点尚待确定（S49）。
HF治疗的意义
血管紧张素转换酶抑制剂、肾上腺素能受体拮抗剂和他汀类药物。
对基于NO/氧化还原的信号转导的深入研究可能会为现有治疗方法的作用机制提供新的视角，并指导HF新型治疗策略的开发。事实上，许多当前使用的药物治疗都会影响NO/氧化还原平衡，包括肾素-血管紧张素-醛固酮途径抑制剂（S51）、，交感神经系统和HMG-CoA还原酶途径（S52）。血管紧张素转换酶抑制剂通过增加缓激肽的形成和减少氧来刺激NO的生成2——/通过抑制血管紧张素II-NADPH氧化酶刺激产生活性氧。交感神经系统与NO/O紧密耦合2——HMG-CoA还原酶的益处在很大程度上是通过增加NOS（S53）的表达来介导的。
硝酸肼屈嗪组合。
硝酸异山梨酯和肼屈嗪联合治疗HF可能与NO/氧化还原稳态有关（S54–S56）。据报道，肼屈嗪（S57、S58）和NO(59)可以抑制NADPH氧化酶，该氧化酶在衰竭的心脏中上调，而肼屈嗪也可能抑制硝酸盐引起的活性氧的生成。然而，鉴于线粒体（而非NADH氧化酶）是硝酸甘油耐受性（S59）中活性氧的主要来源，其中一些观点可能需要重新审视，NADPH氧化酶对HF中氧化剂负荷的影响程度尚不清楚。还需要证明的是，肼屈嗪（S57）的抗氧化作用可以在临床使用的浓度下实现。需要进一步研究，以确定这种药物组合的显著益处是否主要来自硝酸盐或肼屈嗪成分，或两者兼而有之。
XO抑制剂。
20世纪50年代，格特鲁德·埃利恩（Gertrude Elion，S60，S61）将别嘌呤醇和氧嘌呤酚描述为XO抑制剂，并在临床上广泛用于治疗高尿酸血症，尤其是痛风和血液恶性肿瘤。如上所述，XO在HF中上调，这会导致心脏的氧化应激(7)和脉管系统(46，第62章）。根据XO可能是超氧化物的主要来源的研究结果(38)与心肌细胞凋亡有关(4)内皮功能障碍和机械-融合解耦联(45,90已开始对症状性心衰（S63）患者进行氧化嘌呤醇临床试验。
红细胞疗法。
认识到红细胞的血管舒张功能受损可能是组织O的主要原因2HF的特征缺陷(75)此外，到目前为止，红细胞是心血管系统中最大的氧化酶活性来源，但这一点以前没有考虑过，这表明旨在恢复红细胞中NO/氧化还原平衡的努力可能对心力衰竭的治疗有重要意义。早期的工作正在进行中，以测试这些新概念。
结论
对心血管系统综合生理学的深入了解秒-亚硝化被认为是NO调节多种细胞过程的途径，包括心脏E-C偶联、内皮/血管功能和组织氧传递。这一理解支持了一种观点，即氧化和亚硝化应激破坏了生理信号传导，并且通过推断，基于NO/氧化还原的信号传导功能障碍，而不是明显的化学损伤，可能会导致心血管功能障碍，包括结构改变（如心肌肥大和程序性细胞死亡）“一氧化氮/氧化还原失衡”这一主题反映了心脏（XO）、血管系统（NAD（P）H氧化酶）和红细胞（血红蛋白氧化酶）中氧化酶活性的增加，贯穿了我们对一氧化氮缺乏心血管系统不断发展的认识。从这个角度来看，HF可以被视为一种病理生理状态，通过有针对性地恢复NO/氧化还原平衡，有可能接受治疗调节。
致谢
作者得到了保罗·比森（Paul Beeson）医学院老年学者奖（授予J.M.Hare）、唐纳德·雷诺兹基金会（授予J.M Hare）的支持，NIH授予HL-065455（授予J.J.M.黑尔）、PO1-HL75443（授予J.S.斯坦勒）和5PO1-HL42444（授予J.S斯坦勒）。
注：由于空间限制，无法包含许多重要参考。参考文献S1–S67可通过本文在线获取；doi:10.1172/JCI200524459DS1。
脚注
使用的非标准缩写：cGMP，3′，5′-环鸟苷一磷酸；E-C，激发压缩；GSNO、S-亚硝基谷胱甘肽；GSNOR，S-亚硝基谷胱甘肽还原酶；血红蛋白；心力衰竭；一氧化氮合酶；NOS1，神经元型NOS；蛋白酪氨酸磷酸酶；RNS，活性氮物种；RyR，ryanodine受体钙释放通道；SNO，S-亚硝基硫醇；SNO-Hb、S-亚硝基血红蛋白；SR，肌浆网；XDH，黄嘌呤脱氢酶；XO，黄嘌呤氧化酶；XOR，黄嘌呤氧化还原酶。
利益冲突：J.M.Hare是Cardiome Pharma的顾问，J.S.Stamler在Nitrox LLC拥有财务利益。
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