일산화 질소

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1. 개요

일산화 질소(NO)는 18세기 후반에 처음 확인된 무색 기체로, 혈관 확장제로서의 생물학적 중요성이 밝혀져 1998년 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 상온에서 무색 기체로 존재하며, 화학적으로 반응성이 커서 이산화 질소로 산화되기 쉽다. 일산화 질소는 다양한 화학 반응에 참여하며, 금속 니트로실과 같은 배위 화합물을 형성하기도 한다. 산업적으로는 암모니아의 산화를 통해, 실험실에서는 묽은 질산을 구리에 반응시켜 제조하며, 오존과 반응하여 빛을 내는 화학발광 반응을 통해 검출할 수 있다. 일산화 질소는 대기 오염 물질로, 산성비, 오존층 파괴, 광화학 스모그를 유발하며, 체내에서는 혈관 확장, 신경 전달, 면역 반응 등에 관여한다. 의학적으로는 협심증 치료, 폐고혈압 개선 등에 사용되며, 안전상 폭발 위험이 있어 주의해야 한다.

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일산화 질소 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
일산화 질소의 2D 구조식
일산화 질소의 3D vdW 모델
IUPAC 이름	일산화 질소
계통명	옥시도나이트로젠(•) (첨가제)
다른 이름	질소 산화물 산화 질소 (II) 옥소나이트로젠 일산화 질소
식별 정보
IUPHAR 리간드	2509
CAS 등록 번호	10102-43-9
ChEMBL	1200689
PubChem	145068
ChemSpider ID	127983
UNII	31C4KY9ESH
EINECS	233-271-0
UN 번호	1660
DrugBank	DB00435
KEGG	D00074
ChEBI	16480
RTECS	QX0525000
Gmelin	451
3DMet	B00122
SMILES	[N]=O
StdInChI	1S/NO/c1-2
InChI	1/NO/c1-2
StdInChIKey	MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N
InChIKey	MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYAI
속성
질소 원자 수	1
산소 원자 수	1
외형	무색 기체
밀도	1.3402 g/L
녹는점	-164 °C
끓는점	-152 °C
용해도	0.0098 g / 100 ml (0 °C) 0.0056 g / 100 ml (20 °C)
굴절률	1.0002697
구조
분자 모양	선형 (점군 C_∞v)
열화학
표준 생성 엔탈피	90.29 kJ/mol
엔트로피	210.76 J/(K·mol)
약리학
ATC 코드	R07AX01
유럽 연합 허가	예
투여 경로	흡입
생체 이용률	좋음
대사	폐 모세혈관 침상을 통해
반감기	2–6 초
위험성
외부 SDS	외부 SDS
주요 위험	매우 유독함 부식성 산화제
GHS 그림 문자	GHS03, GHS05, GHS06
GHS 신호어	위험
H 문구	H270, H330, H314
P 문구	P244, P260, P220, P280, P304+P340+P315, P303+P361+P353+P315, P305+P351+P338+P315, P370+P376, P403, P405
NFPA 704	건강: 3 화재: 0 반응성: 3 기타: OX
LC50	315 ppm (토끼, 15분) 854 ppm (쥐, 4시간) 2500 ppm (생쥐, 12분)
LCLo	320 ppm (생쥐)
관련 화합물
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2. 역사

일산화 질소(NO)는 18세기 후반 조지프 프리스틀리에 의해 처음 확인되었으며, 원래는 단순히 연소의 유독한 부산물이자 환경 오염 물질로 여겨졌다.^[11] 1980년대에 로버트 F. 퍼치고트, 루이스 J. 이그나로, 페리드 무라드 연구원들이 심혈관계에서 혈관확장제로서의 중요한 역할을 발견하면서 그 생물학적 중요성이 밝혀졌고, 이는 그들에게 1998년 노벨 생리학·의학상을 안겨주었다.^[12]

3. 물리적 성질

상온에서 일산화 질소는 무색 기체이다. 녹는점은 -161 °C, 끓는점은 -151 °C이다. 임계 온도는 -92.9 °C, 임계 압력은 64.6atm이다. 분자는 선형 구조이며, 질소 원자와 산소 원자 사이 결합 길이는 1.151Å으로, 이중 결합과 삼중 결합 중간 값이다.^[45]

분자에 전자가 홀수 개 존재하여 액체 상태에서 이합체를 형성하기도 한다. 고체 상태에서는 대부분 이합체 형태로 존재하지만, 기체 상태에서는 단독으로 존재한다. 전자가 홀수 개이므로 전자를 얻거나 잃어 NO⁺, NO^- 이온을 형성하기 쉽다.^[46]

3. 1. 전자 배치

NO의 바닥 상태 전자 배치는 통합 원자 표기법으로 다음과 같다.^[13]

:(1σ)²(2σ)²(3σ)²(4σ*)²(5σ)²(1π)⁴(2π*)¹

처음 두 개의 오비탈은 실제로 산소와 질소의 순수한 원자 1s_O와 1s_N이므로 일반적으로 통합 원자 표기법에는 표시되지 않는다. 별표(*)가 표시된 오비탈은 반결합성 오비탈이다. 결합 에너지에 따른 5σ와 1π의 순서는 논쟁의 여지가 있다. 1π 전자를 제거하면 6개의 상태가 생성되며, 이들의 에너지는 5σ 전자보다 낮은 수준부터 시작하여 더 높은 수준까지 퍼진다. 이는 1π 전자와 2π 전자 사이의 다른 궤도 운동량 결합 때문이다.

2π 오비탈에 있는 비공유 전자 때문에 NO는 바닥 상태에서 이중항 (X ²Π)을 나타내며, 이러한 축퇴는 스핀-궤도 결합에 의한 미세 구조에서 총 운동량 J=3/2 또는 J=1/2로 분리된다.

3. 2. 쌍극자 모멘트

일산화 질소(NO)의 쌍극자 모멘트는 실험적으로 0.15740 D로 측정되었으며, 산소에서 질소로 음전하가 이동하기 때문에 O에서 N 방향(⁻NO⁺)으로 향한다.^[14]

4. 화학적 성질

일산화 질소는 상온에서 무색 기체로 존재한다. 녹는점은 -161°C, 끓는점은 -151°C이다. 임계 온도는 -92.9°C, 임계 압력은 64.6atm이다. 분자는 선형 구조를 가지며, 질소 원자와 산소 원자 사이의 결합 길이는 1.151Å으로 이중 결합과 삼중 결합의 중간 값이다.^[45]

전자가 홀수 개여서 액체 상태에서는 이합체를 형성하기도 하지만, 주로 단독으로 존재한다. 전자를 얻거나 잃는 경향이 강해 NO⁺, NO^-와 같은 이온을 형성하기 쉽다.^[46]

화학적으로 반응성이 매우 커서 산화되어 이산화질소가 되기 쉽다. 산소와 반응하여 이산화 질소가 되며, 700°C에서 분해가 시작되어 1200°C에서는 60%가 분해된다.^[45]

:2NO → N₂ + O₂

:4NO → 2 N₂O + O₂

크롬산, 과망간산, 차아염소산 등에 의해 산화될 수 있다. 이산화 황과 반응하여 삼산화 황과 질소를 생성하며, 중성 염화크로뮴 용액에서는 암모니아로, 산성 염화크로뮴, 염화주석 용액에서는 하이드라진으로 환원된다.^[45]

금속 염과 반응하여 니트로실 화합물을 만든다. 황산철과 반응하여 갈색의 황산철 니트로실(Fe(NO)SO₄)을 생성하는 반응은 질산염과 아질산염 검출에 사용된다. 진한 황산과는 황산 수소 니트로실((NO)HSO₄)을 생성한다.^[45]

4. 1. 다양한 분자와의 반응

액체로 응축되면, 일산화 질소는 이량체를 형성하여 이산화이질소가 되지만, 이 결합은 약하고 가역적이다. 결정질 NO에서 N-N 거리는 218pm이며, 거의 N-O 거리의 두 배에 달한다.^[20]

일산화 질소(^•NO)의 생성열이 흡열반응이므로, 일산화 질소는 원소들로 분해될 수 있다. 자동차의 촉매 변환기는 이 반응을 이용한다.

: 2 ^•NO → O₂ + N₂

산소에 노출되면, 일산화 질소는 이산화질소로 변환된다.

: 2 ^•NO + O₂ → 2 ^•NO₂

이 반응은 중간체 ONOO^•와 붉은색 화합물 ONOONO를 통해 일어나는 것으로 여겨진다.^[15]

물에서 일산화 질소는 산소와 반응하여 아질산(HNO₂)을 형성한다. 이 반응은 다음과 같은 화학량론을 통해 진행되는 것으로 여겨진다.

: 4 ^•NO + O₂ + 2 H₂O → 4 HNO₂

일산화 질소는 플루오린, 염소, 브롬과 반응하여 질산염화물과 같은 니트로실 할라이드를 형성한다.

: 2 ^•NO + Cl₂ → 2 NOCl

또한 라디칼인 NO₂와 NO는 결합하여 강렬한 청색의 삼산화이질소를 형성한다.^[20]

: ^•NO + ^•NO₂ ON−NO₂

4. 2. 유기 화학 반응

다른 분자에 일산화 질소 작용기를 첨가하는 것을 종종 ''니트로실화''라고 한다. '''트라우베 반응'''^[16]은 두 당량의 일산화 질소가 엔올레이트에 첨가 반응되어 디아제늄디올레이트(니트로소히드록실아민이라고도 함)를 생성하는 반응이다.^[17] 생성물은 후속적인 레트로-알돌 반응을 거쳐 전체적으로 할로폼 반응과 유사한 과정을 거친다. 예를 들어, 일산화 질소는 아세톤과 알콕사이드와 반응하여 각 α 위치에 디아제늄디올레이트를 형성하고, 그 후 초산메틸을 부산물로 잃는다.^[18]

1898년경에 발견된 이 반응은 일산화 질소 프로드럭 연구에서 여전히 관심을 받고 있다. 일산화 질소는 또한 메톡시드나트륨과 직접 반응하여, ''N''-메톡시디아제늄디올레이트를 거쳐 최종적으로 포름산나트륨과 아산화질소를 형성한다.^[19]

4. 3. 배위 화합물

일산화 질소는 전이 금속과 반응하여 금속 니트로실이라고 불리는 착물을 생성한다. 일산화 질소의 가장 일반적인 결합 방식은 말단 선형 유형(M−NO)이다.^[20] 일산화 질소는 일전자 의사 할로겐화물 역할을 할 수 있다. 이러한 착물에서 M−N−O기는 120°와 140° 사이의 각도를 갖는다. NO기는 또한 다양한 기하학적 구조를 통해 질소 원자를 통해 금속 중심 사이를 가교할 수 있다.

5. 제법

일산화 질소는 다음과 같은 방법으로 제조한다.^[45]

진한 질산을 비스무트, 구리, 납, 수은 등으로 환원시킨다.
질소와 산소의 혼합 기체를 고온에서 반응시킨다.
암모니아를 백금 촉매와 산소 존재 하에 가열한다.

실험실에서는 묽은 질산을 구리로 환원시키거나, 아질산나트륨 또는 아질산칼륨 형태의 아질산을 환원시켜 일산화 질소를 생성할 수 있다. 황산 제1철을 이용하는 방법이나 NONOate 화합물을 이용하는 방법도 있다.

화학적으로는 구리에 묽은 질산을 반응시키거나, 이산화질소(NO₂)에 물(온수)을 반응시켜 생성된다. 이산화황과 이산화질소의 치환반응 과정에서도 생성된다.

구리와 묽은 질산의 반응

: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

이산화질소와 물(온수)의 반응

: 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

이산화황과 이산화질소의 치환 반응

: NO₂ + SO₂ → NO + SO₃

5. 1. 산업적 제법

일산화 질소는 주로 다음과 같은 방법으로 제작한다.^[45]

진한 질산을 비스무트, 구리, 납, 수은 등으로 환원시킨다.
질소와 산소의 혼합 기체를 고온에서 반응시킨다.
암모니아를 백금 촉매와 산소의 존재 하에 가열시켜 얻는다.

상업적으로 일산화 질소는 오스트발트법으로 생산되는데, 이는 암모니아를 750°C~900°C(일반적으로 850°C)에서 백금을 촉매로 사용하여 산화시키는 방법이다.

:4 NH₃ + 5 O₂ → 4 ^•NO + 6 H₂O

산소(O₂)와 질소(N₂)의 비촉매 흡열 반응은 번개에 의해 고온(>2000°C)에서 일어나지만, 실용적인 상업적 합성법으로 개발되지는 않았다(비르켈란드-아이데 공정 참조).

:N₂ + O₂ → 2 ^•NO

5. 2. 실험실 제법

실험실에서 일산화 질소를 만드는 방법은 다음과 같다.^[45]

묽은 질산을 구리로 환원시킨다.

:: 8 HNO₃ + 3 Cu → 3 Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + 2 ^•NO

아질산 나트륨 또는 아질산 칼륨 형태의 아질산을 환원시킨다.

:: 2 NaNO₂ + 2 NaI + 2 H₂SO₄ → I₂ + 2 Na₂SO₄ + 2 H₂O + 2 ^•NO

:: 2 NaNO₂ + 2 FeSO₄ + 3 H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 2 NaHSO₄ + 2 H₂O + 2 ^•NO

:: 3 KNO₂ + KNO₃ + Cr₂O₃ → 2 K₂CrO₄ + 4 ^•NO

황산 제1철을 이용하는 방법은 간단하며 학부 실험에서 사용된다. NONOate 화합물도 일산화 질소 생성에 사용된다.

구리에 묽은 질산을 반응시킨다.

:: 3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

이산화 질소(NO₂)에 물(온수)을 반응시킨다.

:: 3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO

이산화 황과 이산화질소의 치환반응을 이용한다.

:: NO2 + SO2 -> NO + SO3

6. 검출 및 분석

구과식물 세포 내 일산화질소(흰색), DAF-2 DA(다이아미노플루오레세인 디아세테이트)를 사용하여 시각화됨

일산화 질소 농도는 오존을 포함하는 화학발광 반응을 이용하여 결정할 수 있다.^[21] 일산화 질소를 포함하는 시료를 다량의 오존과 혼합하면 일산화 질소는 오존과 반응하여 산소와 이산화 질소를 생성하고, 빛(화학발광)을 방출한다.

: ^•NO + O₃ → ^•NO₂ + O₂ + ''hν''

이 반응에서 발생하는 빛은 광검출기로 측정할 수 있으며, 생성된 빛의 양은 시료 내 일산화 질소의 양에 비례한다.

다른 검사 방법으로는 전기분석(전류법)이 있는데, 이 방법에서는 ·NO가 전극과 반응하여 전류 또는 전압 변화를 유도한다. 생체 조직에서 NO 라디칼을 검출하는 것은 조직 내 이러한 라디칼의 짧은 수명과 농도로 인해 특히 어렵다. 몇 가지 실용적인 방법 중 하나는 철-디티오카바메이트 복합체를 사용한 일산화 질소의 스핀 트래핑과 전자상자성공명(EPR)을 이용한 모노니트로실-철 복합체의 후속 검출이다.^[22]^[23]

세포 내 측정을 위해 아세틸화된 형태로도 이용 가능한 형광 염료 지표 그룹이 존재한다. 가장 일반적인 화합물은 4,5-다이아미노플루오레세인(DAF-2)이다.^[24]

7. 환경에 대한 영향

고온에서 질소와 산소가 결합하여 일산화 질소가 생성된다. 자연계에서는 주로 번개나 산불에 의해 발생하지만, 대부분은 인위적인 요인 때문이다. 인위적인 발생원으로는 보일러, 산화제로 순수 산소를 사용하는 로켓을 제외한 모든 열기관의 배기가스, 소각로, 석유 스토브, 난로, 가스레인지 등이 있다. 대기오염에서 문제가 되는 질소산화물(NOx) 중 하나로, 대기환경보전법에 의해 자동차, 화력발전소, 항공기 및 선박 등 특정 배출원에 대해서는 배출 규제가 시행되고 있지만, 규제 대상 이외는 방치되어 있다.

대기 중에 방출된 일산화 질소는 이산화 질소로 산화된다. 이산화 질소는 자외선을 받으면 일산화 질소와 원자 상태의 산소가 되고, 이 원자 상태의 산소가 오존 등 산화물질(옥시던트)을 생성한다. 그러나 일산화 질소가 이산화 질소로 산화되는 반응은 비메탄 탄화수소(NMHC)가 광화학 반응에 의해 산화된 물질이 존재할 때 가속화되기 때문에, 반응이 연쇄적으로 진행되어 광화학 스모그를 일으키는 원인이 되는 광화학 옥시던트를 생성한다.

7. 1. 산성비 침전

질소와 산소가 고온에서 결합하여 일산화 질소(NO)가 생성된다. 자연계에서는 주로 번개나 산불에 의해 발생하지만, 대부분은 인위적인 요인 때문이다. 인위적인 발생원으로는 보일러, 산화제로 순수 산소를 사용하는 로켓을 제외한 모든 열기관의 배기가스, 소각로, 석유 스토브, 난로, 가스레인지 등이 있다. 대기오염에서 문제가 되는 질소산화물(NOx) 중 하나인 일산화 질소는 대기환경보전법에 의해 자동차, 화력발전소, 항공기 및 선박 등 특정 배출원에 대해서는 배출 규제가 시행되고 있지만, 규제 대상 이외는 방치되어 있다.

대기 중에 방출된 일산화 질소는 이산화 질소(NO₂)로 산화된다. 이산화 질소는 자외선을 받으면 일산화 질소와 원자 상태의 산소가 되고, 이 원자 상태의 산소가 오존 등 산화물질(옥시던트)을 생성한다. 그러나 일산화 질소가 이산화 질소로 산화되는 반응은 비메탄 탄화수소(NMHC)가 광화학 반응에 의해 산화된 물질이 존재할 때 가속화되기 때문에, 반응이 연쇄적으로 진행되어 광화학 스모그를 일으키는 원인이 되는 광화학 옥시던트를 생성한다.

일산화 질소(NO)는 하이드로퍼옥실 라디칼(HO₂^•)과 반응하여 이산화 질소(NO₂)를 생성하고, 이산화 질소는 다시 하이드록실 라디칼(HO^•)과 반응하여 질산(HNO₃)을 생성한다.

•NO + HO₂^• → •NO₂ + HO^•

•NO₂ + HO^• → HNO₃

질산은 황산과 함께 산성비 생성에 기여한다. 또한, 질소산화물은 대기 중의 수증기와 반응하면 질산으로 변화하여 산성비의 원인이 된다.

7. 2. 오존층 파괴

일산화 질소(^•NO)는 오존층 파괴에 관여한다. 일산화 질소는 성층권의 오존과 반응하여 산소(O₂)와 이산화 질소를 형성한다.^[1]

: ^•NO + O₃ → ^•NO₂ + O₂

이 반응은 제어 용적 내 ^•NO 농도를 측정하는 데에도 사용된다.^[1]

7. 3. 이산화질소(NO₂)의 전구체

일산화 질소는 하이드로퍼옥시 라디칼(HO₂•) 또는 이원자 산소(O₂)를 통해 이산화 질소(NO₂)로 전환될 수 있다.^[25] 이산화 질소에 단기간 노출되면 메스꺼움, 숨가쁨, 두통과 같은 증상이 나타나며, 장기적으로 노출될 경우 면역 기능 및 호흡기 기능이 저하될 수 있다.^[25]

고온에서 질소와 산소가 결합하면 일산화 질소가 생성된다. 자연적으로는 주로 번개나 산불에 의해 발생하지만, 대부분은 인위적인 요인으로 발생한다. 인위적인 발생원에는 보일러, 산화제로 순수 산소를 사용하는 로켓을 제외한 모든 열기관의 배기가스, 소각로, 석유 스토브, 난로, 가스레인지 등이 있다. 일산화 질소는 대기오염에서 문제가 되는 질소산화물(NOx) 중 하나이며, 대기환경보전법에 따라 자동차, 화력발전소, 항공기 및 선박 등 특정 배출원에 대해서는 배출 규제가 시행되고 있지만, 규제 대상 이외에는 방치되어 있다.

대기 중으로 방출된 일산화 질소는 이산화 질소로 산화된다. 이산화 질소는 자외선을 받으면 일산화 질소와 원자 상태의 산소가 되고, 이 원자 상태의 산소는 오존 등 산화물질(옥시던트)을 생성한다. 그러나 일산화 질소가 이산화 질소로 산화되는 반응은 비메탄 탄화수소(NMHC)가 광화학 반응에 의해 산화된 물질이 존재할 때 가속화되어, 반응이 연쇄적으로 진행되면서 광화학 스모그를 일으키는 원인이 되는 광화학 옥시던트를 생성한다.

또한, 질소산화물은 대기 중의 수증기와 반응하면 질산으로 변하여 산성비의 원인이 된다.

8. 생체 내 기능

일산화 질소(NO)는 체내에서 국부적인 조절 인자 및 신경전달물질로 작용한다. 혈중 산소 농도가 떨어지면 혈관 벽의 내피세포는 산화질소 합성효소를 통해 일산화 질소를 생산한다. 생성된 일산화 질소는 주변 근육세포에 작용하여 근육을 이완시키는 효소를 활성화시켜 혈관을 확장시킨다. 혈관 확장은 조직에 산소 공급을 원활하게 한다. 일산화 질소는 작용한 지 몇 초 지나지 않아 분해된다.^[47]

일산화 질소의 생물학적 기능은 1980년대에 놀라운 발견으로 받아들여졌고, 1992년 사이언스지에서 "올해의 분자"로 선정되었다. 1998년 노벨생리학·의학상은 일산화 질소의 신호 기능을 발견한 페리드 무라드, 로버트 퍼치고트, 루이스 이그나로에게 수여되었다.

8. 1. 생합성

일산화 질소(NO)는 다양한 생물학적 과정에서 중요한 역할을 하는 척추동물의 생물학적 전령인 기체 신호 전달 분자이다.^[26]^[27] 세균, 식물, 균류, 동물 세포 등 거의 모든 유기체에서 생성된다.^[28]

일산화 질소 합성효소(NOS) 효소는 L-아르기닌, 산소, NADPH를 이용하여 일산화 질소를 생합성한다.^[29] 무기 질산염 환원을 통해서도 생성될 수 있다.^[31] 일산화 질소는 구아닐릴 시클라제를 활성화시키는데, 철이 존재하는 경우 효소의 헴 영역에 결합하여 활성화가 일어난다.^[30] 일산화 질소는 반응성이 매우 높지만(수 초의 수명) 막을 자유롭게 확산하여, 일시적인 파라크린(인접 세포 간) 및 오토크린(단일 세포 내) 신호 분자로 작용한다.^[31] 산소와 물에 의해 질산염과 아질산염으로 전환되면 세포 신호 전달이 비활성화된다.^[30]

혈관 내피(내벽)는 일산화 질소를 신호로 사용하여 주변 평활근을 이완시켜 혈관 확장을 유도하고 혈류를 증가시킨다.^[31] 실데나필(비아그라)은 일산화 질소 경로를 이용하는 약물로, 해면체에서 순환성 구아노신 일인산(cGMP)의 cGMP 특이적 포스포디에스터라제 5형(PDE5)에 의한 분해를 억제하여 혈관 확장을 유도한다.^[29] 황화수소(H₂S)는 NO와 협력하여 혈관 확장과 혈관 신생을 유도한다.^[32]^[33]

코로 숨을 쉴 때는 일산화 질소가 생성되지만, 입으로 숨을 쉴 때는 생성되지 않는다.^[34]^[35]

; 아르기닌 또는 단백질

체내에서 아르기닌과 시트룰린은 일산화 질소로 전환된다. 아르기닌은 장관 및 신장의 협동으로 암모니아로부터 합성되므로, 주로 단백질 섭취를 통해 얻을 수 있다.

; 채소

최근에는 채소 등에 포함된 질산염도 체내에서 일산화 질소의 원료로 이용된다는 견해가 있다.^[39]

8. 2. 신호 전달

일산화 질소(NO)는 기체 신호 전달 분자이다.^[26] 다양한 생물학적 과정에서 역할을 하는 주요 척추동물 생물학적 전령이며,^[27] 세균, 식물, 균류 및 동물 세포를 포함한 거의 모든 유형의 유기체에서 생산되는 생체 생성물이다.^[28]

내피 유래 이완 인자(EDRF)인 일산화 질소는, 다양한 일산화 질소 합성효소(NOS) 효소에 의해 L-아르기닌, 산소 및 NADPH로부터 내생적으로 생합성된다.^[29] 무기 질산염의 환원을 통해서도 일산화 질소가 생성될 수 있다.^[31] 일산화 질소의 주요 효소 표적 중 하나는 구아닐릴 시클라제이다.^[30] 철이 존재하는 경우, 효소의 헴 영역에 일산화 질소가 결합하면 활성화된다.^[30] 일산화 질소는 매우 반응성이 높지만(수 초의 수명을 가짐) 막을 자유롭게 확산한다. 이러한 특성으로 인해 일산화 질소는 일시적인 파라크린(인접 세포 간) 및 오토크린(단일 세포 내) 신호 분자에 이상적이다.^[31] 일산화 질소가 산소와 물에 의해 질산염과 아질산염으로 전환되면 세포 신호 전달이 비활성화된다.^[30]

혈관의 내피(내벽)는 주변 평활근을 이완시키는 신호로 일산화 질소를 사용하여 혈관 확장을 일으키고 혈류를 증가시킨다.^[31] 실데나필(비아그라)은 일산화 질소 경로를 이용하는 약물이다. 실데나필은 일산화 질소를 생성하지 않지만, 해면체에서 순환성 구아노신 일인산(cGMP)의 cGMP 특이적 포스포디에스터라제 5형(PDE5)에 의한 분해를 억제함으로써 일산화 질소 경로의 하류 신호를 증강시켜 혈관 확장을 유도한다.^[29] 또 다른 내생성 기체 전달 물질인 황화수소(H₂S)는 NO와 협력적인 방식으로 작용하여 혈관 확장과 혈관 신생을 유도한다.^[32]^[33]

코로 숨을 쉴 때는 신체 내에서 일산화 질소가 생성되지만, 입으로 숨을 쉴 때는 생성되지 않는다.^[34]^[35] 생체 내에서 일산화 질소는 일산화질소합성효소(NOS)에 의해 아르기닌과 산소로부터 합성된다. 일산화 질소는 세포 내 가용성 구아닐산 시클라아제를 활성화시켜 사이클릭GMP(cGMP)를 합성함으로써 신호전달에 관여한다.

면역에 관여하는 세포의 일종인 대식세포는 병원체를 죽이기 위해 일산화 질소를 생성한다. 그러나 이는 반대로 악영향을 미칠 수도 있다. 패혈증에서는 대식세포가 일산화 질소를 다량 생성하고, 그것에 의한 혈관 확장이 저혈압의 주요 원인으로 생각된다.

일산화 질소는 신경전달물질로서도 작용한다. 시냅스 간극에서만 작용하는 많은 신경전달물질과 달리, 일산화 질소 분자는 넓은 범위에 확산하여 직접 접하지 않은 주변의 신경세포에도 영향을 준다. 이 메커니즘은 기억 형성에도 관여하는 것으로 생각된다.

8. 3. 혈관 확장

혈중 산소 농도가 떨어지면 혈관 벽의 내피세포는 산화질소 합성효소를 통해 일산화 질소를 생산한다.^[47] 일산화 질소는 주변의 근육세포에 작용하여 근육을 이완시키는 효소를 활성화시켜 혈관을 확장시킨다. 혈관이 확장된 결과 조직에 산소가 원활하게 공급될 수 있게 된다. 그 후 일산화질소는 작용한 지 몇 초 지나지 않아 분해된다.^[47]

혈관의 내피(내벽)는 주변 평활근을 이완시키는 신호로 일산화 질소를 사용하여 혈관 확장을 일으키고 혈류를 증가시킨다.^[31] 실데나필(비아그라)은 일산화 질소 경로를 이용하는 약물이다. 실데나필은 일산화 질소를 생성하지 않지만, 해면체에서 순환성 구아노신 일인산(cGMP)의 cGMP 특이적 포스포디에스터라제 5형(PDE5)에 의한 분해를 억제함으로써 일산화 질소 경로의 하류 신호를 증강시켜 혈관 확장을 유도한다.^[29]

패혈증에서는 대식세포가 다량의 일산화질소를 생성하는데, 이것에 의한 혈관 확장이 저혈압의 주요 원인으로 생각된다.

8. 4. 신경 전달

일산화 질소는 신경전달물질로 작용한다. 일반적인 신경전달물질은 시냅스 간극에서만 작용하지만, 일산화 질소 분자는 넓은 범위로 확산하여 직접 접하지 않은 주변의 신경세포에도 영향을 줄 수 있다. 이러한 작동 방식은 기억 형성에도 관여하는 것으로 알려져 있다.^[47]

기체 신호 전달 분자인 일산화 질소(NO)는^[26] 여러 생물학적 과정에서 중요한 역할을 하는 척추동물의 생물학적 전령이다.^[27] 세균, 식물, 균류, 동물을 포함한 거의 모든 유기체에서 생성되는 생체 생성물이기도 하다.^[28]

일산화 질소는 내피 유래 이완 인자(EDRF)로, 일산화 질소 합성효소(NOS)에 의해 L-아르기닌, 산소, NADPH로부터 만들어진다.^[29] 무기 질산염 환원을 통해서도 생성될 수 있다.^[31] 일산화 질소의 주요 표적 중 하나는 구아닐릴 시클라제인데,^[30] 철이 있는 경우 효소의 헴 영역에 일산화 질소가 결합하면 활성화된다.^[30] 일산화 질소는 반응성이 매우 높지만(수 초의 수명) 막을 자유롭게 확산하는 특성 덕분에, 일시적인 파라크린(인접 세포 간) 및 오토크린(단일 세포 내) 신호 분자로 작용하기에 이상적이다.^[31] 일산화 질소가 산소와 물에 의해 질산염과 아질산염으로 전환되면 세포 신호 전달은 비활성화된다.^[30]

체내에서 혈중 산소 농도가 떨어지면 혈관 벽의 내피세포는 산화질소 합성효소를 통해 일산화 질소를 생산한다. 일산화 질소는 주변 근육세포에 작용, 근육을 이완시키는 효소를 활성화시켜 혈관을 확장시킨다. 그 결과 조직에 산소가 원활하게 공급되며, 이후 일산화 질소는 몇 초 안에 분해된다.^[47]

혈관 내피(내벽)는 주변 평활근을 이완시키는 신호로 일산화 질소를 사용하여 혈관 확장을 유도하고 혈류를 증가시킨다.^[31] 실데나필(비아그라)은 이러한 일산화 질소 경로를 이용하는 약물이다. 실데나필은 직접 일산화 질소를 생성하지는 않지만, 해면체에서 순환성 구아노신 일인산(cGMP)의 cGMP 특이적 포스포디에스터라제 5형(PDE5)에 의한 분해를 억제하여 일산화 질소 경로의 하류 신호를 증강시켜 혈관 확장을 유도한다.^[29] 황화수소(H₂S)는 일산화 질소와 협력하여 혈관 확장과 혈관 신생을 유도하는 또 다른 내생성 기체 전달 물질이다.^[32]^[33]

코로 숨을 쉴 때는 일산화 질소가 생성되지만, 입으로 숨을 쉴 때는 생성되지 않는다.^[34]^[35]

면역에 관여하는 대식세포는 병원체를 제거하기 위해 일산화 질소를 생성한다. 그러나 패혈증에서는 대식세포가 다량의 일산화 질소를 생성하여 혈관 확장을 일으키고, 이는 저혈압의 주요 원인이 되기도 한다.

일산화 질소의 생물학적 기능은 1980년대에 놀라운 발견으로 여겨졌으며, 1992년 사이언스지에서 "올해의 분자"로 선정되었다. 1998년 노벨생리학·의학상은 일산화 질소의 신호 기능을 발견한 페리드 무라드, 로버트 퍼치고트, 루이스 이그나로에게 수여되었다.

8. 5. 면역 반응

대식세포는 면역에 관여하는 세포의 일종으로, 병원체를 죽이기 위해 일산화 질소를 생성한다. 그러나 이것은 반대로 악영향을 미칠 수도 있다. 패혈증에서는 대식세포가 다량의 일산화 질소를 생성하고, 그것에 의한 혈관 확장이 저혈압의 주요 원인으로 생각된다.^[47]

9. 응용

오스트발트법에서 암모니아를 질산으로 전환하는 과정의 중간생성물로 만들어진다.

폴리머 표면에 있는 라디칼을 검출하는 데 일산화 질소를 이용할 수 있다. 표면 라디칼을 일산화 질소가 제거할 때 생성되는 질소를 X선 광전자 분광으로 검출한다.

9. 1. 의학적 응용

혈관 내피는 일산화 질소를 신호로 주변의 평활근을 이완시켜 동맥을 확장시켜 혈류량을 증가시킨다. 이것이 니트로글리세린, 아밀니트라이트, 이소소르비드일질산염(5-ISMN, 아이트롤) 등의 아질산염 유도체가 심장병 치료에 사용되는 이유이다. 이러한 화합물은 일산화 질소로 변화하여 심장의 관상동맥을 확장시켜 혈액 공급을 증가시킨다.^[1]

발모제 미녹시딜(리아프)은 cGMP의 분해를 억제하여 모세혈관의 혈류량을 증가시킨다. 일산화 질소는 음경의 발기에서도 작용하며, 마찬가지로 cGMP 분해 억제제인 실데나필(비아그라)은 이 기전을 이용한 것이다.^[1]

일산화 질소를 기관 내에 흡입시킴으로써 폐동맥의 혈관 평활근을 이완시켜 폐고혈압을 개선할 수 있다. 신생아의 신생아 지속성 폐고혈압, 개심술 후 심장 부하 경감, 원발성 폐고혈압증 치료 등에 이용되지만, 한국에서는 보험 적용 외의 최첨단 치료로 취급된다.^[1]

정맥에 비해 동맥은 산소가 많아 NO는 NO₂나 Hb-NO(니트로소헤모글로빈)이 되기 쉽다.^[1]

NO는 정맥을 확장시키고 심장의 전부하를 감소시키는 약리 작용을 가지고 있으므로, 관상동맥 질환 외에도 심부전·고혈압 응급증에 사용된다.^[1]

9. 2. 기타 응용

오스트발트법에서 암모니아를 질산으로 전환하는 과정의 중간생성물로 생성된다.

일산화 질소를 이용하여 폴리머 표면의 라디칼을 검출할 수 있다. 표면 라디칼을 일산화 질소가 소거할 때 생성되는 질소를 X선 광전자 분광으로 검출하는 방법이다.

10. 안전성

일산화 질소 증기는 기도를 강하게 자극한다. 눈과 목에 자극, 가슴 긴장, 두통, 구역질, 점차적인 무력함이 일어날 수 있다. 심각한 증상은 몇 시간 후에도 나타날 수 있으며 청색증, 호흡 곤란, 불규칙한 호흡, 나른함이 있을 수 있다. 치료받지 않는 경우 폐수종으로 인하여 결과적으로 사망할 수 있다.^[48]

피부 조직과 눈을 심하게 자극한다.^[48]

미국에서는 (OSHA)이 작업장 내 일산화 질소 노출에 대한 법적 한계(허용 노출 한계)를 8시간 근무일 기준 25ppm (30mg/m3)으로 설정했다. (NIOSH)는 8시간 근무일 기준 25ppm (30mg/m3)의 권고 노출 한계(REL)를 설정했다. 100ppm 수준에서는 일산화 질소가 (IDLH)하다.^[36]

11. 폭발 위험

액체 일산화 질소는 연료가 없어도 폭발에 매우 민감하며, 니트로글리세린만큼 쉽게 폭발을 일으킬 수 있다. 끓는점(-152°C) 근처의 흡열성 액체 일산화 질소의 폭발은 100 kbar의 충격파를 발생시켰고, 시험 장비를 파손시켰다.^[37] 이는 세 가지 상(고체, 액체, 기체) 모두에서 폭발이 가능한 가장 간단한 분자이다. 액체 일산화 질소는 민감하여 증류 중에 폭발할 수 있으며, 이는 산업 재해의 원인이 되어 왔다.^[37] 기체 일산화 질소는 약 2300m/s의 폭발 속도를 가지지만, 고체 상태에서는 6100m/s의 폭발 속도에 도달할 수 있다.^[38]

참조

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