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本综述聚焦亚硝酸还原酶（NiRs），系统梳理其在生物医学领域的研究进展。先介绍天然 NiRs 的分类、结构、活性中心及催化机制，再阐述人工模拟物（如金属复合物、MOFs、纳米酶等）的设计与应用，最后探讨在心血管疾病治疗、抗菌、生物传感等领域的潜力与挑战。
天然亚硝酸还原酶（NiRs）
分类与结构特征
NiRs 可按产物分为生成一氧化氮（NO）和氨（NH?/NH??）两类，也可按金属活性中心（铜、铁、钼）及来源（细菌、动物）分类。例如，铜亚硝酸还原酶（CuNiRs）为三聚体，每个亚基含 T1 Cu 和 T2 Cu 中心，T2 Cu 直接参与亚硝酸根还原；细胞色素 cd1 亚硝酸还原酶（cd1NiR）是同源二聚体，亚基含血红素 c 和 d1 结构域，血红素 d1 为催化活性位点。动物中的血红蛋白（Hb）、肌红蛋白（Mb）等血红素蛋白，在缺氧条件下也可催化亚硝酸盐还原为 NO，其活性中心均含血红素基团，铁原子与卟啉环氮原子及组氨酸残基配位。
催化机制
CuNiRs 催化亚硝酸盐还原为 NO 时，亚硝酸根先结合 T2 Cu 中心，通过水分子和 Asp98、His255 等残基传递质子，电子从 T1 Cu 转移至 T2 Cu，生成 NO 并再生酶活性中心。血红素蛋白如 Hb，在缺氧时脱氧血红素与亚硝酸盐作用，生成高铁血红素和 NO，反应速率受 pH、氧分压及 Hb 构象影响。钼基 NiRs（如黄嘌呤氧化还原酶 XO）利用钼辅因子（MoCo），在电子供体作用下，钼原子从 Mo (VI) 还原为 Mo (V)，将亚硝酸盐转化为 NO。铁基 NiRs 如细胞色素 c 亚硝酸还原酶（ccNiR）催化亚硝酸盐还原为氨，需经历多步电子和质子转移，最终生成 NH?和 H?O，电子来自细胞色素 c 等供体。
人工模拟亚硝酸还原酶（NiR mimics）
从头设计与反向蛋白质工程模拟物
从头设计的金属肽 Cu (I/II)(TRIL23H)?2?/3?模拟 CuNiR 的 T2 Cu 中心，组氨酸残基配位铜离子，可高效还原亚硝酸盐为 NO。反向工程改造的多结构域 CuNiR，虽理论上可增强电子传递，但额外结构域可能降低催化效率，提示结构优化需平衡功能与稳定性。
仿生金属复合物
铜复合物如 Cu (TMPA) 利用含氮配体模拟天然酶配位环境，通过调节配体结构和取代基，可改变铜中心氧化还原电位，促进亚硝酸盐还原。铁卟啉类复合物通过调整配位环境、引入吸电子基团或胍基等功能基团，优化催化性能，如负载于纳米材料可提升氨生成的选择性和速率。
金属有机框架（MOFs）
MOFs 通过合理设计金属节点和配体，模拟天然酶的配位环境和质子传递功能。例如，Cu-BDC MOF 作为电催化剂，可将亚硝酸盐还原为 NO，用于抗菌涂层；血红素基 MOFs 引入酚类配体，模拟天然酶的次级结构，提升氨生成的选择性和速率，同时具备化学稳定性。
纳米酶
铜基纳米酶如铜纳米线（Cu NWs），具有高表面积和高纵横比，在 CO?存在下可降低反应活化能，高效还原亚硝酸盐为氨；铜 - 钴（Cu-Co）双金属纳米片通过协同作用，提升电子和质子传递效率。金属硫化物纳米酶如二硫化钼（MoS?）纳米片，可催化亚硝酸盐生成 NO，用于抗菌治疗；CuS / 纳米纤维溶菌酶组装体（NFLA/CuS）结合光热效应，实现高浓度 NO 杀菌和低浓度 NO 促进组织修复的动态调控。单原子纳米酶如铁单原子催化剂（Fe SAC），模拟细胞色素 cd1 活性中心，通过精准调控反应路径，高效催化亚硝酸盐还原为 NO，具有高原子利用率和活性。
亚硝酸还原酶及其模拟物在生物医学中的应用
心血管与代谢疾病治疗
在缺血或缺氧条件下，NiRs 介导的亚硝酸盐 - NO 通路可补充 NO 生成，诱导血管舒张、促进血管生成、调节线粒体功能，用于治疗心肌梗死、高血压、胃溃疡等疾病。例如，饮食亚硝酸盐可通过生成 NO 松弛血管平滑肌，降低血压；铜配体复合物构建的便携式 NO 发生器，可用于吸入 NO 治疗和体外循环手术。
抗菌治疗
NO 通过氧化应激和亚硝化应激机制杀灭细菌，破坏细菌核酸和生物膜。电催化抗菌系统如 Fe SAC 修饰电极，在电压作用下生成 NO，有效杀灭大肠杆菌和金黄色葡萄球菌；铜基 MOF 修饰导管，通过电催化亚硝酸盐生成 NO，抑制细菌黏附与血栓形成。热催化系统如 MoS?纳米片和 NFLA/CuS 纳米杂化物，利用光热效应增强催化效率，实现感染控制与组织修复的协同作用。
生物传感与检测
基于 NiRs 及其模拟物的电化学传感器，可实现亚硝酸盐的高灵敏度检测。例如，多血红素 ccNiR 修饰电极可在 10 秒内响应，检测限低至 0.05 μM；叶绿素 - 铜（CuCP）修饰碳纳米管电极，可检测人唾液中的亚硝酸盐，用于口腔疾病筛查。结合纳米材料的传感器平台，如血红素 - 铜复合物修饰电极，提升了电子传递效率和抗干扰能力，适用于复杂生物环境中的实时监测。
前景与挑战
天然 NiRs 的结构多样性和催化机制复杂性仍需深入解析，如亚基相互作用、质子传递网络等。人工模拟物面临催化活性、选择性及稳定性挑战，需通过超分子组装、人工智能辅助设计等策略优化结构，提升生物相容性和抗干扰能力。未来，动态响应型智能纳米酶平台，结合超快结构表征和计算建模，有望推动 NiR 模拟物在精准医疗和环境监测中的应用。
