硝基还原酶（Nitroreductase，NTR）是一类催化硝基基团还原的酶，多数属于黄素蛋白，以 NADH 或 NADPH 作为电子供体，并以黄素单核苷酸作为辅基[1][2]。它能把硝基芳烃、硝基杂环等化合物中的硝基逐步还原为亚硝基、羟胺，直至生成氨基[3]。这类酶主要存在于细菌中，在古菌和部分真核生物中也有发现[2]，因可用于前药激活、肿瘤缺氧检测、污染修复和生物催化而受到关注[2][4]。
定义
硝基还原酶属于氧化还原酶，多数是依赖 NAD(P)H 的黄素蛋白，辅基为黄素单核苷酸（FMN），一般以同源二聚体形式存在，两个亚基在二聚体界面共同构成两个黄素结合活性位点[1][3]。其中硝基苯硝基还原酶被归入 EC 1.7.1.16，该酶含有 FMN[5]。
按对分子氧的敏感性，这类酶分成两型：I 型为氧不敏感型，在氧气存在时仍能还原底物；II 型为氧敏感型，只能在缺氧环境中起作用[6]。I 型酶以两电子方式还原，经过亚硝基和羟胺中间体最终得到伯胺，其中又可分为依赖 NADPH 与兼用 NADH 和 NADPH 两类[3]。大肠杆菌的 NfsA 和 NfsB 是两类蛋白家族的代表成员，NfsA 偏好 NADPH，NfsB 还可以使用 NADH[7]。
原理
I 型硝基还原酶按乒乓机制（ping-pong bi-bi）催化反应：还原型辅酶 NAD(P)H 先把氢负离子交给与酶结合的 FMN，使其成为还原态，辅酶随之以氧化形式离去；随后还原态黄素把两个电子传给底物的硝基，硝基同时从水中获得质子，脱去一分子水后形成亚硝基中间体，再经历一次两电子还原生成羟胺[8]。由硝基芳烃生成羟胺芳香化合物的过程可写作：$ArNO_2 + 2NAD(P)H + 2H^+ \rightarrow ArNHOH + 2NAD(P)^+ + H_2O$[5]。晶体结构与定点突变研究显示，Lys14 和 Lys74 通过稳定 FMN 上的负电荷来调节其氧化还原电位，Glu165 的主链氮与 FMN 的 N5 形成氢键，从而增强其氧化能力[8]。
整个电子传递过程可以概括为：
graph LR
A[NAD\(P\)H] --> B[还原态 FMN]
B --> C[硝基化合物]
C --> D[亚硝基中间体]
D --> E[羟胺]
E --> F[胺]
II 型酶的工作方式不同，它通过单电子转移把硝基变成硝基阴离子自由基；在分子氧存在时，该自由基会把电子交给氧而生成超氧阴离子，硝基随之恢复原状，构成无效的氧化还原循环，因此 II 型酶只能在无氧条件下完成硝基还原，并且会带来氧化应激[3]。
发展历程
20 世纪 50 年代起，研究者陆续在细菌和动物组织中观察到把硝基还原为氨基的酶活性：1956 年有研究比较了大肠杆菌中黄素蛋白类硝基还原酶与金霉素抗性的关系，1961 年有研究从猪肝中分离硝基还原酶并分析其辅因子需求[9][10]。
20 世纪 70 年代末，研究者依据对氧的敏感性，把细菌与哺乳动物肝微粒体的硝基还原活性区分为氧敏感和氧不敏感两类，这一划分沿用至今[6][3]。1991 年，Bryant 与 DeLuca 把阴沟肠杆菌中的一种氧不敏感 NAD(P)H 硝基还原酶纯化了 587 倍，确认该酶以单体形式发挥活性、分子量约 27 kDa，并鉴定 FMN 为必需辅因子[11]；阴沟肠杆菌的这一酶被归入 EC 1.6.99.7[6]。
1996 年，Zenno 等鉴定出编码大肠杆菌主要氧不敏感硝基还原酶的 nfsA 基因，把其位置定在染色体 19 min 处，并纯化了分子量约 26.8 kDa、与 FMN 紧密结合的 NfsA 蛋白[12]。此后，大肠杆菌 NfsB 及其与 CB1954、呋喃西林等底物或抑制剂的复合物晶体结构相继被解析[8]；2023 年，研究者又解析了大肠杆菌 NfsA 与延胡索酸的复合物结构[7]。2024 年，一项研究对来自 Bacillus tequilensis 的硝基还原酶完成了生化、动力学与结构表征[3]。
应用
硝基还原酶最受关注的应用是前药激活。大肠杆菌 NfsB 能把抗肿瘤前药 CB1954 还原成 2- 位和 4- 位羟胺衍生物，后者可以交联 DNA，从而杀伤细胞[4][13]。由于该还原反应需要 NAD(P)H 提供电子，前药活化只能在细胞内进行，毒性因此局限于被导入酶基因的细胞及其邻近细胞，这一策略被称为前药激活的基因导向酶治疗[13]。
在缺氧的实体瘤中，硝基还原酶表达升高，其水平与缺氧程度相关，因此被视为反映肿瘤缺氧状态的标志物[14][15]。以此为基础，研究者开发了多种以硝基作为识别基团的荧光探针，用于癌细胞和活体肿瘤的缺氧成像[14]。
在环境治理方面，硝基还原酶能够还原 TNT、硝基苯、硝基酚等硝基芳烃污染物，被视为生物修复的潜在工具[2]。以硝基苯为唯一碳源、氮源和能源的 Pseudomonas pseudoalcaligenes JS45，其降解途径的第一步就是由一种可诱导的氧不敏感硝基还原酶把硝基苯还原为羟胺基苯[9]。
作为生物催化剂，硝基还原酶可以把多种带官能团的硝基芳烃和硝基杂环化合物还原为相应的伯胺，用于制备 vismodegib、sonidegib、linezolid、西地那非等药物所需的芳香胺砌块[3]。
硝基呋喃类抗生素需要经细菌硝基还原酶还原才能产生活性，而细菌对该类药物的耐药往往与 nfsA、nfsB 基因失活有关[7][16]。
局限
尽管硝基还原酶基因在细菌基因组中分布广泛，其生理功能至今仍不明确[2]。该酶所属的超家族序列数量已超过 24 000 条，但经过实验表征的成员有限，其中能够把硝基完整还原为伯胺的只占少数[3]。
II 型酶只能在无氧条件下把硝基转化为伯胺，在含氧环境中它产生的硝基阴离子自由基会与氧反应生成超氧阴离子，硝基被还原后又复原，既无法得到产物，又会造成氧化应激[3]。
在应用层面，NTR/CB1954 体系的主要不足在于 CB1954 并不是硝基还原酶的天然底物，前药活化速率偏低[13]。大肠杆菌 NfsA 还会在体内常见的延胡索酸浓度下受到抑制，这可能影响其在生物合成与治疗中的效果[7]。此外，以硝基还原酶为靶的荧光探针容易从作用位点扩散，造成定位不准确和信噪比下降[14]。
参见
参考资料
- wrpsb . nih.gov [引用日期2026-09-29]
- europepmc.org 上的网页 . europepmc.org [引用日期2026-09-29]
- febs . wiley.com [引用日期2026-09-29]
- Nitroreductase - Chapters and Articles . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- reaction . biocyc.org [引用日期2026-09-29]
- pseudomonas-pseudoalcaligenes . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- prot . wiley.com [引用日期2026-09-29]
- ebi.ac.uk 上的网页 . ebi.ac.uk [引用日期2026-09-29]
- ncbi.xyz 上的网页 . ncbi.xyz [引用日期2026-09-29]
- Studies on Nitro-Reducing Enzymes of Swine Liver . jst.go.jp [引用日期2026-09-29]
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- articlerender . europepmc.org [引用日期2026-09-29]
- Nitroreductase - Chapters and Articles . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- S0022286025023178 . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- cmdc . wiley.com [引用日期2026-09-29]
- tandfonline.com 上的网页 . tandfonline.com [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T10:32:31Z
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