在病理和生理情况下，具有信号及效应作用的一氧化氮（NO）对肠道屏障功能的调节具有重要作用。胃肠道的NO可能来源于肠神经元、血管内皮细胞、间质细胞以及黏膜下各种炎性细胞如肥大细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等，肠道细菌也可产生大量NO。

肠细胞是NO的另一重要来源。NO合成酶以两种形式存在，结构酶和诱导酶，后者在正常情况下不一定起作用，但受细胞因子或内毒素刺激时，诱导酶可大量生成，并合成大量NO。在消化道炎症性病变如溃疡性结肠炎的活检标本中可发现诱导型NO合成酶（iNOS）增加，注射内毒素后可发现鼠空肠及结肠iNOS mRNA表达增加。这一结果表明，不同炎症状态中均有肠上皮iNOS诱导产生增加，当然这些研究仍不能排除局部浸润的肠炎性细胞诱导产生的 iNOS增加。但Tepperman等给动物注射内毒素后所分离的肠细胞中有iNOS上调现象。因为如事先注射抗中性粒细胞抗血清，仅能阻止白细胞的浸润，但对iNOS活性无影响，因此提示内毒素血症时肠 iNOS上调作用与肠细胞有关，而与炎性细胞无关。此外，研究者在内毒素血症的小鼠肠上皮细胞中发现亚硝酸复合体形成，且肠细胞与细胞因子混合培养可诱导肠细胞产生更多的iNOS。这些证据进一步支持肠细胞可诱导产生NO的假说。

NO对肠黏膜屏障功能的作用是双向的，即有利也有害。NO对维持肠黏膜屏障功能是必需的，证据有：在正常猫肠系膜上动脉中输入NOS抑制剂L-精氨酸可明显增加上皮细胞对水溶性物质如⁵¹Cr-EDTA的通透性；在缺血-再灌注猫及内毒素诱导的鼠黏膜损害模型中，输入NO可减轻肠黏膜的通透性。也有相反报道，阻断NO生物合成可加剧缺血-再灌注及内毒素诱导的肠通透性增加。

但另有资料显示，NO产生过多对胃肠道黏膜有损害作用，如NO供体硝普钠应用可使小鼠结肠及胃黏膜细胞受损。有报道称LPS注射后鼠肠上皮细胞活性降低是通过NO依赖机制实现的；有也报道称NO供体或NO可增加单层培养细胞的通透性。

与其他因素促使肠通透性增加相似，NO对肠黏膜屏障功能的损害作用也是通过ATP耗尽实现的。一般通过以下几个机制来耗尽ATP：激活PARP，抑制线粒体呼吸链；抑制糖酵解酶——甘油醛-3-磷酸脱氢酶。除ATP耗尽作用外，也有报道肠黏膜细胞暴露于NO供体后，可使细胞内Ca²⁺浓度增加，从而影响肠屏障功能，严重时可使细胞死亡。

肠道NO的许多有害作用不是由NO本身的作用所致，而是通过过氧化亚硝酸盐发挥作用，后者是NO与超氧自由基反应后所产生的。过氧化亚硝酸盐的毒性作用与其结合酸（过氧化亚硝酸）的强力氧化特征有关，在酸性条件下，有利于过氧化亚硝酸形成。值得注意的是，NO介导的肠上皮通透性增加在pH低值时更易发生。