亚硝酸盐还原酶（NiR）及其模拟物的研究进展

研究背景

NiRs是氮循环的关键，尤其是在微生物过程中，它是维持NO平衡的关键途径。NO作为一种高活性的双原子自由基，影响细胞功能，并在抗菌和抗癌治疗中显示出潜力。此外，氨（NH3）的合成对现代工业和农业至关重要，进一步突出了NiRs的重要性。然而，固有的不稳定性，低产量，目前工业NiR的高生产成本大大限制了它们的应用，这一限制迫切需要开发具有NiR活性的替代人工酶。

研究内容

文章首先对天然NIRs进行了分类，然后对其结构和活性中心进行系统介绍，分为Cu-containing NiRs、Fe-containing NiRs、Molybdenum metalloenzymes。还介绍了天然NiRs的催化机理，详细阐述了（1）Cu、Fe和Mo基NiRs催化剂上亚硝酸盐还原为NO的研究，（2）铁基NiRs催化亚硝酸盐还原成氨的研究。

作者然后对目前所报道的NIR模拟物进行了分类并讨论了它们的催化机理，模拟物的主要类型包括从头设计的蛋白质、基于反向蛋白质工程的模型、生物启发的金属络合物、MOF和纳米酶。重点介绍了NiR模拟物在生物医学中的应用。

（1）心血管和代谢疾病的治疗

亚硝酸盐还原为一氧化氮，在缺氧/缺血时增强，具有治疗潜力。临床前研究表明，亚硝酸盐可以防止缺血再灌注损伤，支持其用于治疗心脏病发作、中风、器官移植问题和镰状细胞病。它还能预防药物引起的胃溃疡，减轻高血压（肺/全身）和出血性脑血管痉挛通过血管舒张。这些多功能的好处强调亚硝酸盐作为氧敏感疾病的多功能治疗剂。

（2）抗菌治疗

NO已被证明具有有效的抗菌特性，通过氧化和亚硝化应激机制发挥作用。这些机制诱导脂质过氧化，蛋白质氧化和酶失活，最终破坏细菌的基本过程，包括细胞壁完整性。此外，NO通过化学反应直接破坏细菌核酸，损害DNA复制和修复，从而损害细菌存活。

（3）生物传感与检测

NiR生物传感器是基于天然NiR及其模拟物设计和制造的，这种传感器大多是电化学的，在环境监测、医学诊断、细胞研究等方面具有广泛的应用潜力，通过将“酶”特异性结合到电极表面研究人员利用其金属活性中心催化亚硝酸盐还原为NO或氨。

未来展望

展望未来，该领域既面临着令人兴奋的机遇，也面临着艰巨的挑战。尽管NiR具有类似的基本化学结构，但有时却表现出截然不同的结构和催化特性。这一特点既对我们理解氮生物转化具有指导意义，又让人们对氮生物转化的认知变得复杂。未来，加速发展新型仿生和“智能”纳米酶平台具有深刻的理论意义。从应用的角度来看，根据实时生理线索动态调整催化输出，将是将NiR模拟物转化为安全有效的NO治疗剂和可靠的亚硝酸盐生物传感器的关键。

来源：https://doi.org/10.34133/research.0710