一氧化氮合酶（缩写NOS）是一组酶（EC1.14.13.39）的统称。这种酶负责将精氨酸中的氮原子，在氧气（O2）及其他辅助因素包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、黄素单核苷酸（FMN）、原血红素及四氢生物蝶呤（BH4）的存在环境下，合成一氧化氮。
一氧化氮合酶是由罗伯·佛契哥特（Robert F. Furchgott）于1980年在进行兔的大动脉实验时所发现。从那时开始，不同种类的一氧化氮合酶被分类成以下的异构体：
最先被发现的一氧化氮合酶是在神经组织内，即神经型一氧化氮合酶，故称为NOS1；而内皮型一氧化氮合酶则是第三种被发现的，故称为NOS3。它们原被分类为“建构型一氧化氮合酶”（缩写cNOS）及“受钙离子调节”，但现时发现它们存在于不同种类的细胞，而建构性的特征却要在特定的生理环境下才会发生。
以上三种异构体（每一种在作用上假设为一个同质复体）都有一个共通的羧基末端还原酶区，与细胞色素P450还原酶一致。另外，它们亦有一个共通含有原血红素辅基的氨基末端加氧酶区，在中间连接着蛋白质及钙调素结合区。这个结合就好似是一个分子的开关，容许电子由还原酶区的黄素辅基流动至原血红素，这样可以帮肋将O2及精氨酸转化为一氧化氮及瓜氨酸。每一种异构体的加氧酶区亦包含一个BH4辅基，是有效产生一氧化氮的重要因素。与其他酶不同的是，BH4在其他酶中是还原当量的来源及由二氢生物蝶呤还原酶（EC1.5.1.33）来还原，但在一氧化氮合酶中BH4放出一颗电子使原血红素所携带的O2活跃化后，回收电子以使一氧化氮得以释出。
钙离子在细胞内的生理浓度控制NOS1及NOS3与钙调素的结合，因而展开由黄素往原血红素的电子传送。相反，纵然钙离子在细胞内的活跃性降低，钙调素仍会维持与不受钙离子调节的NOS2（或称NOS2）紧密的结合。
一氧化氮本身亦会控制NOS的活动。首先，已证实一氧化氮是对NOS3负反馈控制的重要角色，亦因而影响血管的内皮细胞功能。而NOS1及NOS2方面，在它们的原血红素辅基中会形成亚硝酸亚铁复合物，这个复合物会局部地在某些情形下使它们自我抑制。这个减低生成一氧化氮比率的步骤能帮助某些细胞中维持一定分量的精氨酸，在NOS2的诱导性作用上尤其重要。
一氧化氮合酶会使精氨酸的胍基氮，透过Nω-羟基精氨酸（NOHLA）作为中介物，进行涉及5颗电子的氧化作用释出一氧化氮。
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