环加氧酶

取自 食品百科全书

环加氧酶(cyclooxygenase,简称COX)
环加氧酶(是动物体内前列腺素生成的限速酶，具有许多十分重要的生理功能。是参与花生四烯酸代谢途径的限速酶,可催化花生四烯酸转化为前列腺素(prostaglandins,PGs).。
环加氧酶的类型
研究表明，至少存在两种COX异构体，一种是组成型的，称为COX-1；一种是诱导型的，称为COX-2[1]。COX-1启动一些特定的前列腺素的合成，人体内这些前列腺素可以保护胃肠粘膜内层，限制胃酸分泌；调节肾的血液动力学和水盐平衡；还可以保持血管内皮的抗血栓状态。另一种催化产物凝血烷A2（TXA2）可以刺激血小板凝聚，从而保持正常的止血功能。COX-2在炎症因子的诱导下可大量表达，如IL-1、TNF、LPS、有丝分裂原（佛波酯）、cAMP和血清等都可诱导COX-2表达，表达水平可升高10倍~80倍。而COX-1对此刺激表达无变化[2]。提示COX-2参与了炎症过程，炎症细胞中PGs升高是COX-2在炎症介质的刺激下向上调节的结果。
目前认为COX-1产生具有生理作用的前列腺素参与维持机体正常的生理功能;而COX-2产生的前列腺素主要参与炎症.但随着研究的深入,发现两者生成的前列腺素的生物功能不仅更复杂,而且还存在着相互联系。
环加氧酶与非甾类抗炎药NSAIDs 　　抑制COX-2的活性为抑制疼痛和炎症所必需；抑制COX-1的活性对治疗疼痛和炎症没有或极少有效果。传统的NSAIDs为环加氧酶的非特异性抑制剂，会同时抑制COX-1和COX-2的活性，引起胃溃疡、肾毒性和哮喘等副作用，加重病情。这主要是由于抑制了组成性表达的COX-1的活性所造成的。而COX-2的特异性抑制剂（coxib）有明显的消炎止痛活性，却没有典型的NSAIDs由于抑制COX-1活性所带来的副作用。因此，研究开发COX-2特异性抑制剂成为当务之急。
1COX酶研究概况

1.1 早期研究 早期研究发现，体内前列腺素的增加可以引起发热、发炎、痛阈值降低等炎症反应。这一发现使前列腺素成为治疗炎症及发热药物的作用靶点。临床在使用非甾体类药（NSAIDs）时发现该类药物具有抗炎、解热、镇痛的作用，于是将其作为解热抗炎药应用。经研究发现，NSAIDs产生治疗作用的根本原因是这类药物在治疗量血药浓度时就能很好地抑制COX酶。这种酶属于二聚体膜蛋白，具有过氧化物酶及环加氧酶的活性，是体内合成前列腺素的关键酶［1］。正当人们为发现了一种有效的抗炎药感到兴奋之时，临床却发现，大多数NSAIDs在发挥治疗作用的同时都伴有胃肠不适、凝血障碍等副作用，给患者带来不少痛苦。这在一定程度上限制了NSAIDs的广泛应用。对NSAIDs产生副作用的原因的研究结果表明，正是NSAIDs抑制了COX活性，阻断胃黏膜等组织中具有保护作用的前列腺素的合成，才引起了一系列的药物副作用。

　　那么，是不是所有NSAIDs都具有上述的副作用呢？这些副作用是不是不可避免呢？这时临床上某些NSAIDs的“异常”作用就受到了人们的关注在止痛和解热方面，对乙酰氨基酚和其他阿司匹林类药物作用相仿，但其抗炎活性很弱，在肠胃及血小板聚集方面基本不表现副作用；对乙酰氨基酚对脑内COX的抑制作用强于对外周COX的抑制作用；吲哚美辛对不同组织内提取的COX的抑制活性有所不同，等等。为了解释这些所谓的“异常”现象，研究者们提出了COX存在同工酶的假说。

1.2 COX同工酶的发现 Needleman等人用结扎兔子尿道的方法制造肾炎模型时发现：结扎侧肾脏分泌前列腺素的能力大大增加，而对侧肾脏的分泌能力并没变化［2］。他们认为这是COX同工酶存在的结果。此后的许多实验也都支持COX同工酶的假说。有人发现，糖皮质激素能够阻断一种COX的分泌，但不影响细胞内COX的总量［3］；Wong等用免疫组化的方法发现在大鼠卵巢内有两种COX，其中一种的表达还受激素的调节［4］；Simmons等在研究转染Rous sarcoma病毒的纤维母细胞早期应答基因的表达情况时分离了一个新的mRNA，由它编码的蛋白质在序列上与精囊中获得的COX高度相似，但又有不同［5］； Herschman等发现佛波酯可诱导Swiss 3T3细胞表达一种cDNA，由这种cDNA编码的是一种新COX，地塞米松可以抑制这种COX的分泌［6］。随后，Needleman等人也证明了他们发现的新COX与Simmons和Herscham发现的COX是同一种酶。

　　人们将已发现的这两种酶分别命名为COX1（指最初从精囊中分离得到的，分布较广的COX）和COX2（指可诱导分泌型COX，主要存在于脑内）。由于COX属于二聚体膜蛋白，纯化这种蛋白质难度很大，所以COX1和COX2的晶体结构到1994［7］年和1996［8］年才得以公布（见图1），其中120精氨酸和355酪氨酸决定了COX与NSAIDs特异性结合。虽然COX1、COX2两酶活性催化区域的序列极其相似，但在该区域内的“结合通道”是完全不同的。COX1中占很大比重的异亮氨酸改变为COX2中523位点的缬氨酸（相当于COX1酶509位点）时，能使COX产生一个“边袋”，这个“边袋”为COX2的特异性抑制苯硫胺类药提供了结合位点；若将COX2上的这个缬氨酸残基变回到异亮氨酸残基，则选择性COX2抑制剂就不再起作用［9］。

　　COX2在神经组织内的含量远远大于其在精囊中的含量，它的表达与炎症并不直接相关。正常大鼠脑内存在大量COX2，脂多糖刺激大鼠的其他部位会引起脑内COX2的进一步分泌［10,11］。肾脏的致密斑内也含有丰富的COX2，因此某些病人服用COX2抑制剂后会导致高血压和体液潴留［12,13］。

图1左图为NSAIDs与COX1的结合位点的简图。其中120精氨酸残基和355酪氨酸残基（1和8）是大多数NSAIDs中羧基的结合位点。芳香环类化合物则常与疏水性结合位点及385酪氨酸残基结合（5），而阿司匹林可以与530丝氨酸残基结合。COX1中523异亮氨酸残基（6）、384亮氨酸残基（3）、503苯丙氨酸残基（4）及513组氨酸（7）都是非常庞大的残基，且前三者结合紧密。右图描述了COX2的结合位点。其中120精氨酸残基、355酪氨酸残基、385酪氨酸残基和530丝氨酸残基的作用与COX1中的相同。但4号位上的残基变成了503亮氨酸，较原来的苯丙氨酸残基小，使3、4位不再像COX1中结合的那么紧密。这就使该酶顶端暴露出新的结合位点。COX2的6号位残基变成缬氨酸后，形成了一个“边袋”结构。这个“边袋”通过7号残基（513精氨酸）与硫胺类及类硫胺类COX2抑制剂相结合。由于COX2 “边袋结构” 的存在和顶端结合位点的暴露，COX2中的结合位点比COX1多出了25%。

1.3 COX1与COX2的联系 组织学及其他相关研究证实了COX1和COX2酶功能的不同，并且提示COX1主要存在于大鼠、狗、猴子的正常肠胃组织内。于是，有人提出了COX2有害/COX1有利的假说［14～16］，认为NSAIDs临床疗效的作用机理是抑制COX2活性，而其造成胃肠及凝血障碍等副作用的机理是同时抑制了COX1的活性。而且有很多研究结果也支持这一假说。如：COX2可以在类风湿病人的滑膜组织内检测到，且可被细胞因子诱导分泌［17,18］；COX2可以在气囊炎症模型大鼠的损伤组织中表达［19］；COX2选择性抑制可以很好地对抗啮齿动物的炎症、发热、疼痛等反应，但COX1选择性抑制在这些方面的作用却很小［20］，等等。

　　然而，转基因动物模型研究发现，COX1缺失小鼠并不发生自发性胃溃疡，COX2缺失的纯合子小鼠也能产生正常的炎症应答［21,22］。显然，这与COX2在炎症反应中占主导地位的观点相矛盾。随后研究发现，痊愈的溃疡组织周围存在COX2，COX2有利于胃肠道炎症的消退［23～25］。Wallance等也发现COX1抑制剂抑制COX1后可以导致胃黏膜层分泌COX2（可能是一种保护机制）。他们认为胃肠道中的一种COX同工酶受抑造成的损失可由另一种同工酶的作用补偿，只有混合抑制剂才能造成胃肠道的损伤［26］。混合型抑制剂可以同时阻断COX1和COX2，减少了人体内具有保护作用的前列环素的合成，因此在胃肠道、心血管及其他方面产生副作用。

1.4 COX研究的新发现 Simmons等人通过剪切COX1 得到了COX3及COX1的两个亚型：pCOX1a和pCOX1b［27］。三种蛋白都以糖基化形式存在，但只有COX3具备催化活性。RT-PCR等实验的结果表明COX3主要分布在脑（表达量约是COX1的5%）、心脏和主动脉内，分布与COX1不同。他们还测试了COX3对多种NSAIDs的敏感性。结果发现对COX1和COX2无抑制作用的安替比林、氨基比林、安乃近、非那西汀等解热药对COX3却有抑制作用；传统的COX1及COX2抑制剂（包括二氯酚酸、对乙酰氨基酚、布洛芬、阿司匹林）对COX3表现出更强的抑制作用。COX3很可能参与了疼痛的发生，这为我们今后开发强效非阿片类镇痛药指明了道路。

2 与COX活性相关的中药研究概况

　　许多中药具有抗炎、解热、镇痛的作用，其中有不少被用于风湿、类风湿性关节炎的治疗，并取得了良好的治疗效果。通过对这些药物作用机制的研究，人们发现了一些能够抑制COX活性的中药及中药提取物。朱亮等发现，血竭中的一种组分对COX和TXA2合成酶有抑制作用［28］。厚朴酚也可以抑制COX的活性［29］。而从何首乌、大黄、虎杖和金雀根等常用中药中提取的白藜芦醇对COX-1的环氧化酶活性具有非竞争抑制作用，且作用呈浓度依赖性；与非甾抗炎药不同的是，它对COX-1的氢过氧化酶活性也有抑制作用，但对COX-2氢过氧化酶活性抑制作用稍弱［30］。刘少平等发现，当归中的阿魏酸钠可以通过抑制环氧合酶、磷脂酶A2、拮抗组胺来达到显著抑制花生四烯酸代谢，降低血管通透性的作用。他们还发现阿魏酸钠对COX2的抑制作用强于其对COX1的抑制作用［31］。雷公藤具有免疫抑制和抗炎作用，对变应性疾病及自身免疫性疾病有显著的疗效。姚航平等从雷公藤中分离出了有效单体成分雷公藤内酯醇，该成分具有抗炎和免疫抑制的作用。有关该成分抗炎机制的研究表明，雷公藤内酯醇能显著抑制COX2及炎症因子的过表达,有效抑制PEG2和NO的合成，产生抗类风湿关节炎的作用［32］。相关研究提示，中药中也可能存在选择性COX抑制剂。王文君等对中药青风藤提取物青藤碱的研究表明，青藤碱是一种很好的选择性COX抑制剂。青藤碱在任何给药浓度下对COX1等没有抑制作用，但对COX2活性的抑制作用较强，半数抑制率（IC50）药物浓度为125μmol/L［33,34］。因此，我们很有可能在中药中找到良好的选择性COX抑制剂。

3 展望

　　一方面，COX同工酶的发现对于我们了解炎症、发热及疼痛的产生机理起了相当重要的作用，为我们从而寻找有效的抗炎镇痛药物，避免药物产生副作用指明了道路。我们对中药抑制COX的研究还很粗浅，但以往的研究已很好地说明了某些具有抗炎镇痛作用的中药的作用机制，有助于阐明中药作用的物质基础。我们需要作更深层次的研究，考察有关抗炎中药对COX系统的影响，寻找具有选择性抑制COX活性的中药及有效成分。

　　另一方面随着对COX研究的不断深入，COX的新功能也不断被发现。有研究表明COX2参与了结肠癌和阿尔采默氏病等疾病的病理发生过程，COX2抑制剂将来就很有可能用于治疗这些疾病。相应的，有关中药对COX系统的影响的研究将会有助于开发出这些中药新的治疗作用，产生更广泛的社会经济效益。