由左旋精氨酸合成一氧化氮和左旋瓜氨酸的過程廣泛存在于血管內皮細胞、活化的巨噬細胞、中性粒細胞和血小板等許多種細胞中。其前體可由食物攝取或經過肝臟鳥氨酸循環和內皮細胞從左旋瓜氨酸合成，提示這是個循環過程。該過程受制于左旋谷氨酸鹽，由左旋精氨酸合成NO的途徑如圖15-1所示。它涉及末端胍基氮的氧化，受NO合成酶控制。
 

這些酶是根據它們是誘導酶還是合成酶以及它們的輔因子來分類的。合成酶存在于內皮細胞和腦組織，但不存在于巨噬細胞和中性粒細胞，必須與鈣離子、鈣調蛋白、NADPH同時存在才能發揮作用。一氧化氮合成的激活可發生在合成細胞本身或遠離合成細胞的其他細胞，激活的結果是可溶性鳥嘌呤環化酶的激活使cGMP產量增加，通過刺激內質網攝取鈣離子或增加細胞膜鈣離子ATP酶活性和（或）抑制鈣離子內流入胞使鈣離子排出增加，從而降低細胞質鈣離子濃度，以及激活蛋白激酶，使血管松弛。

左旋精氨酸-一氧化氮途徑可被左旋精氨酸含N^G的類似物抑制，這些類似物包含N^G-甲基-左旋精氨酸（L-NMMA）；N^G-硝基-左旋精氨酸（L-NA）及其甲基脂化物N^G-硝基-左旋精氨酸甲基脂化物（L-NAME），一般認為它們具有立體結構及專一性，是濃度依賴的競爭性拮抗劑，盡管目前有證據表明在一些細胞其抑制作用已不可逆，但它們仍未被廣泛應用于研究該途徑在細胞功能中的作用。

由于L-NMMA在內皮細胞中可被轉化為左旋瓜氨酸從而成為合成左旋精氨酸的底物，因而使情況變得更為復雜。一氧化氮的產生對血管反應性的喪失起主要作用，最后不可避免地造成多器官功能衰竭直至死亡。