Источники и пути образования оксида азота в организме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современные представления о регуляции клеточных процессов позволяют особо выделить некоторые химические соединения, обладающие полифункциональным физиологическим действием. К числу таких соединений с полным основанием можно отнести оксид азота. Данный свободный радикал способен оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на различные метаболические процессы, протекающие в организме млекопитающих и человека. Несмотря на многочисленные исследования, значение оксида азота в системной регуляции гомеостаза клеток и тканей не вполне понятно.

Оксид азота (NO) - газ, хорошо известный химикам и физикам, в последнее время привлек пристальное внимание биологов и медиков. Интенсивное изучение биологического влияния NO началось с 80-х годов, когда Р. Фуршготт и Дж. Завадски показали, что расширение кровеносных сосудов под влиянием ацетилхолина происходит только при наличии эндотелия - эпителиоподобных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность всех сосудов. Вещество, выделяющееся эндотелиальными клетками в ответ не только на ацетилхолин, но и на многие другие внешние воздействия, приводящие к расширению сосудов, получило название «сосудорасширяющий эндотелиальный фактор». Несколько позже было доказано, что это вещество является газом NO и в клетках имеются особые ферментные системы, способные его синтезировать.

В настоящей работе предпринята попытка проанализировать известные на сегодняшний день данные и представить по возможности полную картину физиологической и метаболической роли данного медиатора.

По своей химической структуре оксид азота относится к нейтральным двухатомным молекулам. Благодаря наличию неспаренного электрона на внешней р-орбитали молекула NO обладает высокой реакционной способностью и свойствами свободного радикала.

Синтез оксида азота

В организме человека и млекопитающих оксид азота главным образом образуется в результате окисления гуанидиновой группы аминокислоты L-аргинина с одновременным синтезом другой аминокислоты цитруллина под влиянием фермента NO-синтазы. Фермент был назван синтазой, а не синтетазой, поскольку для его работы не требуется энергия АТФ (см. [2] в списке литературы).

Рис. 1. Схема синтеза окиси азота из L-аргинина

Кроме L-аргинина NOS может использовать в качестве субстратов гомоаргинин, аргиниласпарагин, метиловый эфир аргинина, гуанидинотиолы. При недостатке субстрата в клетках или Н₄Б фермент начинает восстанавливать кислород до супероксид радикала и перекиси водорода. Такие условия могут быть следствием как нарушения транспорта аминокислоты (в некоторых тканях она не синтезируется), так и недостатка в пище, поскольку синтез L-аргинина при этом в организме не увеличивается [1].

Структура NO-синтазы. Основные типы фермента

NO-синтаза - это сложно устроенный фермент, представляющий собой гомодимер. То есть он состоит из двух одинаковых белковых субъединиц, к каждой из которых присоединено несколько кофакторов, определяющих каталитические свойства фермента. Активность фермента проявляется только при объединении двух его субъединиц [2].

Фермент является димером, состоящим из двух одинаковых белковых молекул, каждая из которых связана с необходимыми для работы фермента кофакторами: НАДФ, ФАД, ФМН, гемовая группа, содержащая железо, кальмодулин, и тетрагидробиоптерин (ВН4). Связь между белковыми субъединицами происходит в области их N0конца, где с ними связаны гемовые группы. Стрелками показан перенос электронов [2].

Рис. 2. Схематичное представление строения NO-синтазы.

NO-синтазы составляют семейство, то есть имеется группа ферментов, несколько различающихся по аминокислотной последовательности белковой части молекулы и механизмам, регулирующим их активность, но тем не менее, катализирующих одну и ту же реакцию превращения аминокислот с образованием оксида азота. В настоящее время хорошо изучена структура разных изоформ NO-синтазы (NOS), известны механизмы, регулирующие их активность, и хромосомная локализация генов, ответственных за синтез ферментов, проведено клонирование (получение большого числа копий) этих генов, получены генетические модификации мышей без генов разных изоформ фермента (так называемые нокаут мыши) [2].

Синтезировать и выделять NO способны большинство клеток организма человека и животных, однако наиболее изучены три клеточные популяции: эндотелий кровеносных сосудов, клетки нервной ткани (нейроны) и макрофаги - клетки соединительной ткани, обладающие высокой фагоцитарной активностью. В связи с этим традиционно выделяют три основные изоформы NO-синтаз (NOS): нейрональную, макрофагальную и эндотелиальную (обозначаются соответственно как NO-синтаза I, II и III). Нейрональная и эндотелиальная изоформы фермента постоянно присутствуют в клетках и называются конститутивными, а вторая изоформа (макрофагальная) является индуцибельной - фермент синтезируется в ответ на определенное внешнее воздействие на клетку [2].

Молекулы всех изоформ фермента NOS содержат N-терминальный оксигеназный домен и С-терминальный домен редуктазы. Домен оксигеназы с примерно 500 аминокислотными остатками включает участки для связывания гемовой группы, кофактора Н₄В и субстрата L-аргинина. Домен с редуктазной активностью, состоящий из 570-625 аминокислотных остатков, участвует в связывании молекул ФАД, ФМН и НАДФ*Н. между этими доменами расположена последовательность из 30 аминокислотных остатков для связывания белка кальмодулина (СаМ) - переносчика электронов с флавина на железо гемовой группы оксигеназы [3].

Каждый изофермент имеет специфическую N-терминальную лидирующую последовательность аминокислотных остатков, не участвующую в катализе и, вероятно, определяющую внутриклеточную локализацию фермента. Так, N-терминальная последовательность эндотелиального фермента включает три участка ацилирования жирными кислотами, которые играют важную роль в процессе связывания с мембраной. Нейрональная NOS содержит в N-концевом домене PDZ-фрагмент из 100 аминокислотных остатков. Это фрагмент, участвуя в процессе узнавания белка, определяют субклеточную локализацию молекул NOS[3].

Все три типа NOS в своей активной форме - гомодимеры. В образовании димера принимает участие оксигеназный домен NOS. Процесс димеризации инициируется присоединением к субъединицам гемовых простетических групп. Последующее присоединение Н₄В стабилизирует образовавшийся димер NOS. Без гемовой группы NOS является мономером, не проявляющим NO-синтазной активности. При этом мономерная форма NOS обладает полной цитохром-с-редуктазной активностью и способностью связывать ФАД и ФМН [3].

Последовательность редуктазного домена на 50% гомологична другим ФМН и ФАД-содержащим редуктазам (например, цитохром Р-450 редуктаза), что свидетельствует о сохранении основных признаков этого класса ферментов для редуктазы NOS. Так, экспрессируясь отдельно или как часть холофермента, домен редуктазы может непосредственно переносить электроны с НАДФ*Н на оксигеназный домен и другие акцепторы, такие как цитохром с и феррицианид. Редуктаза NOS стабилизируется одноэлектронным восстановлением флавина и может принимать, по крайней мере, 3 электрона с НАДФ*Н [3].

Одним из самых важных кофакторов является внутриклеточный кальцийсвязывающий белок кальмодули. При повышении содержания ионов кальция в клетке он присоединяется к молекуле NO-синтазы, что приводит к активации фермента и синтезу NO (слайд 2). Такое свойство фермента имеет большое значение для клеток, поскольку ферментативная активность, а значит, и синтез NO прямо зависят от функционального состояния клетки, определяющегося во многом внутриклеточным уровнем ионов кальция - высокоактивных посредников, влияющих на многие процессы в клетках. Среди других регуляторных механизмов фермента следует отметить возможность фосфорилирования белковой части молекулы и влияние особых белков, участвующих в связывании двух субъединиц фермента в единый функционально активный комплекс [2].

Активность конститутивных (т.е. нейрональная и эндотелиальная) изоформ фермента прямо зависит от внутриклеточной концентрации ионов кальция или кальмодулина и, таким образом, повышается под влиянием различных агентов, приводящих к увеличению их уровня в клетке. Конститутивные изоформы NO-синтазы имеют преимущественно физиологическое значение, поскольку количество образуемого NO относительно невелико [2].

Индуцибельные (т.е. макрофагальные) изоформы NO-синтазы проявляют активность через некоторое время (как правило, 6-8ч - время, необходимое для активации генов и начала синтеза фермента) после внешнего воздействия на клетки, продуцируют огромные (в 100-1000 раз больше, чем конститутивные изоформы фермента) количества NO. Поскольку высокие дозы NO токсичны для клеток, эта форма фермента считается патологической в отличие от конститутивной. Активность индуцибельной NO-синтазы не зависит от уровня кальция/кальмодулина, поскольку, как полагают, кальмодулин постоянно и прочно связан с ферментом [2].

Локализация NO-синтазы

В настоящее время показано, что не только макрофаги, но и многие другие клетки (нейтрофилы, гепатоциты, гладкомышечные клетки, клетки астроглии) способны при определенных внешних воздействиях, в основном в условиях патологии, синтезировать индуцибельную изоформу NO-синтазы. Нейрональная NOS обнаружена не только в нервных клетках, но и в скелетных мышцах. Эндотелиальная NOS обнаружена в эндотелиальных клетках, клетках эпителия и кардиомиоцитах. Нейрональная и макрофагальная формы фермента находятся в клетках преимущественно в растворенном состоянии - в цитозоле, а эндотелиальная NO-синтаза обычно связана с клеточными мембранами [2].

N-концевая последовательность NOS подвергается миристоилированию и пальмитоилированию, что определяет ее субклеточную локализацию и косвенно ее активность. Так, для фиксации эндотелиальной NOS в плазматической мембране необходимо ацилирование N-терминальных остатков глицина в молекулах фермента с образованием амидных связей [3].

Нейрональная изоформа NOS связана с мембраной за счет взаимодействия N-концевого PDZ-фрагмента с белками типа PSD-95, PSD-93 и дистрофинсвязанным белком - синтрофином [3].

В отличие от конститутивных изоформ, индуцибельная NOS, не связанная с мембранными белками, является цитозольным ферментом [3]. Однако сравнительно недавно в митохондриях была выявлена конститутивно экспрессируемая NO-синтаза. По основным характеристикам митохондриальная NOS сходна с макрофагальной [16]. Сравнивая скорости продукции NO интактными митохондриями, митохондриальным гомогенатом и субмитохондриальными частицами (1.4, 4.9 и 7.1 нмоль/мин на мг белка соответственно) можно сделать вывод, что mtNOS фиксирована на внутренней мембране митохондрий, тогда как iNOS является цитозольным ферментом. Вопрос о том, что представляет собой митохондриальная NOS - отдельную изоформу фермента или же модифицированную во время трансляции или после нее индуцибельную NOS (как это имеет место в скелетных мышцах для нейрональной) - остается открытым [3].

Таблица 1. Физико-химические характеристики NO-синтаз человека[1].

Характеристика	Изоформа NO-синтазы
	Нейрональная	Индуцируемая	Эндотелиальная
Источник выделения белка Молекулярная масса Нативная структура Аминокислотная длина Локализация в клетке Локализация в геноме	Нейроны мозга 160кДа Димер 1433 Цитозоль Хромосома 12	Макрофаги 130кДа Димер 1153 Цитозоль Хромосома 17	Эндотелий сосудов 133 кДа Нет данных 1203 Мембрана, цитозоль Хромосома 7

Регуляция активности NOS

В процессе образования NO флавин редуктазы принимает электроны с НАДФ*Н и переносит их на железо гемовой группы. В результате этой реакции образуется активированная молекула О₂, необходимая для синтеза NO. В эндотелиальной NOS и нейрональной NOS перенос электронов с флавина на гемм инициируется связыванием СаМ соответствующим сайтом фермента., т.е. СаМ участвует в регуляции продукции NO этими конститутивными NOS [3].

Рис.3. Схематическое представление синтеза NO и регуляции работы NO-синтазы[2].

Считается, что механизм активирующего действия СаМ на нейрональную NOS обусловлен изменением конформации редуктазного домена при связывании этого белка, что, в свою очередь, приводит к повышению скорости переноса электронов как на флавины, так и на конечные акцепторы электронов. Показано, что при этом СаМ активирует выраженные, происходят и при связывании СаМ эндотелиальной формой NOS. В отличие от нейрональной и эндотелиальной NOS, индуцибельная связывает редуктазный домен независимо от домена оксигеназы. Такие же изменения, но менее СаМ практически необратимо, что проявляется длительной продукцией NO этим ферментом [3].

Таким образом, нейрональная и эндотелиальная NOS неактивны при нормальном уровне Са²⁺ в клетке и начинают синтезировать NO в ответ на увеличение концентрации кальция в цитозоле, вызывающее связывание СаМ этими конститутивными ферментами. Длительное повышение уровня кальция приводит к постоянной продукции NO. Напротив, продукция индуцибельной формой NOS не зависит от уровня внутриклеточного кальция и при нормальном его уровне лимитирована только количеством фермента и субстрата и наличием кофакторов [3].

Один из механизмов регуляции продукции NO - фосфорилирование молекулы NO-синтазы. Фосфорилирование конститутивных NOS цАМФ-зависмой протеинкиназой, протеинкиназой С, цГМФ-зависимой протеинкиназой, Са²⁺-кальмодулинзависимой протеинкиназой ведет к снижению активности этих ферментов. С другой стороны, протеинфосфатаза-кальцийнейрин может дефосфорилировать NOS, вызывая тем самым повышение ее каталитической активности [3].

Кроме того, для NO-синтаз характерна регуляция по механизму отрицательной обратной связи. При этом к действию оксида азота, выступающего в качестве неконкурентного ингибитора, более чувствительны конститутивные изоформы, снижение активности, которых происходит за счет связывания NO с атомом железа гемовой группы ферментов [11]. Ингибирующее действие NO на индуцибельную NOS, возможно, связано с ограничением димеризации молекулы фермента [3].

Считается, что NO может осуществлять ретроградную регуляцию не только путем взаимодействия с гемом фермента, но и через ингибирование транскрипции мРНК NO-синтазы (либо непосредственно, либо за счет угнетения активации фактора транскрипции NF-kB) [3] .



Рис.4. Стимуляция и ингибиция индуцибельной NO-синтазы [8].

Активация рецепторов гепатоцитов, клеток моноцитарно-макрофагальной системы и некоторых клеток крови цитокинами (Cyt) и липосахаридами (LPS), под влиянием которых происходит индукция индуцибельной синтазы окиси азота, синтезирующей NO из L-аргинина. Блокада (ХХ) i-NOS глюкокортикоидами или другими блокаторами ее активности. Образовавшийся NO диффундирует в межклеточное пространство [8],[9].

Таблица 2. Синтетические и природные агенты, модулирующие активность NO-синтаз [1].

Типы модулятора	Изоформа фермента
	Noc-I	Noc-II	Noc-III
Активаторы/индукторы Ингибиторы	Глутамат, N-метил-D-аспартат L-тиоцитруллин, 7-нитроиндазол, нитроаргинин	Цис-платина, интерлейкин 1-в, интерферон-г, липополисахарид, фактор некроза опухоли -б и -в, г-излучение N-(3-(аминометил)-бензил)-ацетамидин, N6-(1-иминоэтил)-бензил)-ацетамидин; аминогуанидин, дексаметазон, ингибиторы сериновых протеаз, интерлейкин-4 и -10; L-NMMA; простагландин Е2, простациклин; N6-(1-иминоэтил)-L-лизин; 3-гидроксиантраниловая кислота; метотрексат	Субстанция Р, АДФ, сдвиговое напряжение и пульсации давления крови, тромбин, гипомагнеземия, гистамин, Са2+-ионофоры, лейкотриены, олеиновая кислота, фактор активации тромбоцитов, аденозин, АТФ, ацетилхлин, брадикинин, серотонин; хлористый калий, эндотелин. Нитроимидоорнитин; иминоэтилорнитин, L-НАМЭ; АДМА

Неферментативное образование оксида азота

Для биологических тканей помимо генерации оксида азота в ходе ферментативных реакций с участием NOS обнаружена возможность превращения нитрит-аниона в NO [7]. Этот процесс происходит в условиях ацидоза и при наличии восстановленных форм гемсодеращих белков, что характерно для такого патологического состояния как ишемия [3].

Так, образование оксида азота из нитрита может происходить в соответствии со следующей последовательностью реакций:

NO^-₂ + H ⁺ HNO₂

HNO₂ {NOOH}

{NOOH} + NO^-₂ N₂O₃ + OH^-

N₂O₃ NO + NO₂

Кроме того, ионы NO^-₂ способны восстанавливаться до оксида азота в ходе окислительно-восстановительных реакций, акцептируя электроны с дезокси-форм гемсодержащих белков. Так, при взаимодействии NO с восстановленным гемоглобином происходит окисление Hb²⁺ до metHb и восстановление ионов NO^-₂ до NO:

Hb²⁺ + NO^-₂ + 2H ⁺ metHb + NO + H₂O

Нитритредуктазная активность также показана для миоглобина, цитохром-с-оксидазы и цитохрома Р-450.

Факт образования NO в биологических тканях из нитрит-аниона позволил предположить возможность существования механизма циклического превращения оксида азота в организме:

L-Arg NO NO^-₂/NO^-₃ NO

Данное положение нашло отражение в концепции цикла оксида азота в организме млекопитающих. При этом NO-синтазная компонента обеспечивает эндогенный синтез NO, NO^-₂, NO^-₃ в присутствии кислорода. В условиях гипоксии или функциональной нагрузки, при которой осуществляется активное потребление кислорода, NO-синтазный механизм ингибируется [10].

В то же время дефицит кислорода приводит к активации нитритредуктазной компоненты цикла. Считается, что циклизация метаболических путей обеспечивает высокую степень упорядоченности и связанности систем биохимических реакций. Таким образом, механизм циклических превращений для NO и других высокореакционных азотсодержащих соединений гарантирует не только их эффективную переработку, но и достаточно быстрое выведение путем превращения в менее активные вещества, например ионы NO^-₂ и NO^-₃[3].

Методы определения оксида азота

Описанные в литературе методы определения NO можно условно разделить на прямые (таблица 2) и косвенные (таблица 3). В число первых входят те, с помощью которых осуществляется непосредственная регистрация NO, либо его комплексов. Прежде всего, это метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) как средство изучения молекул с неспаренным электроном. Предложено использовать в качестве индикаторов NO регистрируемые методом ЭПР нитрозильные железосодержащие комплексы, устойчивые в биологически активных средах [1].

В живой ткани SH-содержащие белки, пептиды и аминокислоты образуют такие парамагнитные аддукты общего состава Fe(NO)₂(SR)₂, спектры ЭПР которых являются ассиметричными вариацией g-фактора от 2.01 до 2.05. однако из-за большого разнообразия естественных акцепторов NO и вариабельности их содержания, количественное определение этого радикала таким образом вряд ли возможно. В то же время гемопротеиды (гемоглобин, миоглобин, цитохром а₃ и др.) образуют нитрозильные парамагнитные комплексы, имеющие широкий спектр ЭПР [1].

С разрешенной сверхтонкой структурой (СТС) в области значений g-фактора меньше 2. Анализ полученных спектров ЭПР свидетельствует о том, что структура указанных комплексов имеет ромбическую симметрию [13].

Таблица 3. прямые методы регистрации оксида азота[1].

Инструментальный метод	Соединение-индикатор/реакция-индикатор	Чувствительность
ЭПР	Fe-(NO)2-(SR)2
ЭПР	Hb-Fe(II)-NO	5 мкМ
ЭПР	(ДТК)2-Fe(II)-NO	1 мкМ
ЭПР, L-линия	Фьюзинит-NO	1 мкМ
Хемилюминесценция	NO + O3 = hн + NOx	20 нМ
Амперовольтметрия	NO + e = NOx	10 нМ

Более перспективным представляется метод с использованием карбоксигемоглобина в качестве экзогенной спиновой ловушки оксида азота. На состояние Hb-Fe(II)-CO не оказывает влияния степень оксигенации среды, а поскольку прочность связывания NO с гемоглобином на три порядка больше, чем прочность связывания СО, то можно ожидать практически количественного образования нитрозил-гемоглобина. Следует, однако, отметить, что гемоглобин или его производные имеют ряд особенностей, ограничивающих применение их в качестве естественной или экзогенной спиновой ловушки. Проникновение крупных молекул в клетки к месту синтеза оксида азота крайне затруднено, поэтому включаться в комплекс и становиться ЭПР-видимой будет лишь часть оксида азота, не метаболизированная в период диффузии. Кроме того, недостаточно определены пути и скорости дальнейших превращений Hb-Fe(II)-NO в живой клетке [1].

При прямом определении NO методом ЭПР-спектрометрии перспективным представляется использование в качестве спиновой ловушки производных дитиокарбаминовой кислоты (ДТК). В организме они образуют ЭПР-видимые комплексы состава (ДТК)₂-Fe-NO, включающие в себя «свободное» железо [14]. Эти комплексообразователи позволяют изучать образование оксида азота в тканях животных, в гомогенах, в культуре клеток и биологических жидкостях. Важно, что при оптимальных нетоксичных концентрациях ДТК их высокая скорость взаимодействия с NO существенно снижает вероятность реакции оксида азота с другими биомолекулами, в том числе с радикалами, и тем самым ограничивает влияние этих реакций на результаты ЭПР-спектрометрии [1].

Предложен оригинальный метод ЭПР-дозиметрии NO, в котором применена спиновая макроловушка - фьюзиниты. Это частицы размером 10 мкм, выделяемые из угля. Они обладают способность поглощать оксид азота с изменением характеристик собственного ЭПР-спектра. Не подвергаясь метаболизму, они не оказывают токсического действия на клетки, и после поглощения путем фагоцитоза могут быть использованы в качестве аналитического средства, специфического к оксиду азота [1].

Наиболее чувствительным среди методов определения NO в организме или в клеточных системах является электрохимический метод. Он основан на каталитическом окислении оксида азота полимерным металлопорфирином (полупроводником n-типа), которое протекает при 630 мВ. Диаметр электрода может достигать 0,2 мкм, что позволяет измерять внутриклеточное производство оксида азота. Поскольку время ответа электрода составляет около 10 мс, часть радикалов, вступающая в очень быстрые реакции (например, с супероксид-радикалом), не может быть зарегистрирована [15]. С помощью этого методы были проведены измерения содержания оксида азота в крови человека [1].

Хемилюминесцентный метод основан на регистрации фотонов, излучаемых в реакции NO с озоном. Несмотря на высокую чувствительность, применение его к биологическим объектам затрудняется сложным этапом доставки радикала в анаэробную газовую фазу. Кроме того, на выход люминесценции оказывают влияние аммиак, олефины, окислы серы и другие продукты, выделяющиеся в результате биологической активности организма и часто содержащиеся в стенках аппаратуры [1].

Среди непрямых методов определения NO (таблица 3) наиболее распространенным методом оценки его синтеза является реакция на нитрит-анион с использованием реагента Грисса (раствор сульфаниламида и N-(1-нафтил) -этилендиамида в 2,5%-ной ортофосфорной кислоте), которая дает окрашенный дазопродукт с максимумом поглощения при 548 нм. Обычно отношение содержания NO^-₂/NO^-₃ у млекопитающих составляет 1 : 10. и хотя содержание нитрит-аниона менее подвержено влиянию состава питания, при необходимости более полного определения продукции оксида азота измеряют и содержание нитрат-аниона. Для этого NO^-₃, выделяющийся в культурную среду или биологические жидкости, восстанавливают металлическим кадмием, импрегнированным медью, или ферментативно, нитратредуктазой [1].

Таблица 4. косвенные методы определения оксида азота [1].

Соединение-индикатор	Принцип определения	Метод регистрации, чувствительность
Метгемоглобин	Hb-Fe(II)-O2 + NO = =Hb-Fe(III) + NO-2	Фотометрия, 2 нм
Иминонитроксид (ИН)	Нитронил нитроксид+NO = =ИН	ЭПР
Нитрит-анион	NO-2 + реагент Грисса = диазопродукт	Фотометрия, 1 мкм
Нитрит-анион	ФТИО* + NO = NO-2	То же
Нитрат-анион	NO-3 + Cd = NO-2 NO-3 + нитратредуктаза = =NO-2	То же
Нитрит-анион	NO-2 + S2O-4 = NO+Hb-Fe(II) = Hb-Fe(II)-NO	ЭПР, 1 мкм
Цитруллин	3H-L-аргинин + NOc = 3H-L-цитруллин	ВРЖХ, радиометрия; 0,1 мкм
цГМФ	NO + 3Н-ГМФ + ГЦ = =3Н-цГМФ	Хроматграфия, радиометрия
бис-Формазан (БФ)	ТНС* + NOc + НАДФ.Н = =БФ	Гистохимия
НАДФ.Н	НАДФ.Н + L-аргинин + NOc = НАДФ.Н	Флуорометрия

* ФТИО - 2-(4-карбокифенил)-4,4,5,5-тетраметилимидазолин-3-оксид-1-оксил;

ТНС - тетразолий нитросиний;

ГЦ - гуанилатциклаза.

Высокую чувствительность имеет метод, основанный на фотометрии метгемоглобина, образующегося в результате окисления оксигемоглобина NO. Применения двухволновой спектрофотомерии дает возможность определять до 2 нМ оксида азота [9]. В качестве субстратов также могут быть использованы дезокси- и карбоксигемоглобин. Серьезным недостатком, ограничивающим применение этих методик, является необходимость очистки исследуемых объектов от эндогенного гемоглобина, а также соединений, способных его окислять[1].

Как известно, оксид азота образуется из L-аргинина в эквимолярном отношении с L-цитруллином. На этом основан радиометрический метод определения NO по появлению L-цитруллина, меченного радиоактивной меткой, происходящей из L-аргинина. В определенных условиях для оценки синтеза цитруллина может быть полезной колориметрическая реакция на карбаминогруппу. Другой необходимый компонент синтеза NO - НАДФ^.Н. разница в скорости его окисления в присутствии и в отсутствии ингибитора NO-синтазы может служить показателем синтеза NO. Подобный метод применяется в гистохимии, где регистрируется НАДФ^.Н-зависимая диафоразная активность NO-синтазы в присутствии и в отсутствии ее ингибиторов [1].

В качестве показателя синтеза NO в клеточных экстрактах также используется универсальная способность этого радикала увеличивать активность гуанилатциклазы в 10-50 раз. Ряд методов основан на измерениях физиологических реакций, инициируемых NO, таких как релаксация сосудов, ингибирование адгезии тромбоцитов и др. [1].

Некоторые производные NO также проявляют NO-подобную физиологическую активность, поэтому помимо биотестов были предложены инструментальные методы их определения (хемилюминесценция с предварительным фотолизом образцов) [1].

Участие оксида азота в биохимических процессах

Механизм действия NO

Низкомолекулярный газ NO легко проникает через клеточные мембраны и компоненты межклеточного вещества, однако время его полужизни (в среднем не более 5с) и расстояние возможной диффузии (небольшое, в среднем 30 мкм) ограничиваются высокой реакционной способностью молекулы и ее взаимодействием со многими возможными субстратами [2].

Действие, оказываемое NO на клетки, во многом зависит от количества газа. В небольших количествах, продуцирующихся обычно конститутивными формами NO-синтазы, эффект NO в основном связан с влиянием на гемовую группу растворимой (цитозольной) формы гуанилатциклазы. Активированный фермент синтезирует циклический гуанозин монофосфат (цГМФ) - активный внутриклеточный посредник, регулирующий работу мембранных ионных каналов, процессы фосфорилирования белков (через протеинкиназы), активность фосфодиэстеразы, а также др. реакции [2].

В больших концентрациях, образующихся, как правило, индуцибельной изоформой NO-синтазы, NO может оказывать на клетки токсический эффект, связанный как с прямым действием на железосодержащие ферменты, так и с образованием сильного окислителя, очень реакционного и токсичного свободнорадикального соединения пероксинитрита [14]. Пероксинитрит (ONOO^-) образуется при взаимодействии NO с радикальным супероксид анионом(О₂^-):

NO + O₂^- = ONOO^- [2]

Участие NO в защитных иммунологических реакциях

Участие нитропроизводных (производных нитритов и нитратов) во многих патологических процессах, в том числе и опухолевом росте, было известно давно. Первоначально разрозненные и часто необъяснимые данные о связи противомикробного и противоопухолевого действия макрофагов и нитропроизводных прояснились после открытия синтеза NO в эндотелиальных клетках. Действие макрофагов на чужеродные агента также стали связывать с NO, и многочисленные эксперименты подтвердили, что макрофаги способны синтезировать NO-синтазу и выделять большое количество газа [2]. Уже отмечалось, что NO-синтаза макрофагов является индуцибельным ферментом. В нормальных условиях клетки не содержат этот фермент и не продуцируют NO [10]. Под влиянием липополисахаридов микробного происхождения или цитокинов - высокоактивных межклеточных посредников, выделяющихся, в частности, лимфоцитами при их контакте с чужеродными агентами, в макрофагах начинается синтез индуцибельной изоформы NO-синтазы, образующей большой объем NO, оказывающего, в свою очередь, цитостатическое и цитолитическое действие на бактериальные и чужеродные (в том числе и раковые) клетки [2].

Нейтрофилы также способны экспрессировать индуцибельную форму NO-синтазы и синтезировать NO, однако данные о цитотоксическом действии этих клеток, связанном с NO, неизвестны.

Известно, что нейтрофилы и макрофаги способны активно образовывать свободные радикалы кислорода, и, возможно, образование пероксинитрита в реакции NO со свободными радикалами может усиливать антимикробный эффект этих клеток [2].

NO и кровеносные сосуды

Значение NO в кровоснабжении многогранно. Прежде всего NO - мощный сосудорасширяющий агент. Эндотелий постоянно продуцирует небольшие количества NO (так называемый базовый фон), а при различных воздействиях - механических (например, при усилении тока или пульсации крови), химических бактериальных и вирусных - синтез NO в эндотелиальных клетках значительно повышается [2].

Расширение сосудов связано с диффузией NO из эндотелия к соседним гладкомышечным клеткам стенки сосуда, активацией в них гуанилатциклазы и образованием цГМФ [8]. Повышение уровня цГМФ приводит к снижению уровня ионов кальция в цитозоле клеток и ослаблению связи между миозином и актином, что и позволяет клеткам расслабиться, то есть принять первоначальную форму и размеры. Следует помнить, что расслабление мышечных клеток обусловлено не внутриклеточными процессами, а связано с внешними по отношению к клеткам механическим факторам, в частности для гладких мышц сосудов это упругость эластических волокон, окружающих и оплетающих гладкомышечные клетки и растягивающих клетки после прекращения процесса сокращения и устранения связи между актином и миозином [2].

Действует NO очень быстро - образование цГМФ происходит через 5с, а начало расслабления гладких мышц - через 10с после добавления NO в культуру изолированных кровеносных сосудов. Открытие сосудорасширяющего действия NO позволило прояснить механизм действия самого распространенного и эффективного лекарственного средства, применяемого для лечения спазма коронарных артерий - нитроглицерина. При расщеплении препарата образуется NO, приводящий к расширению сосудов сердца и снимающий в результате этого чувство боли [2].

Большое значение NO имеет в регуляции мозгового кровообращения. Известные более ста лет назад данные об усилении кровотока в активно работающих областях мозга получили после открытия сосудорасширяющего действия NO более полную интерпретацию. Имеется несколько источников NO для регуляции просвета мозговых сосудов [8]. Это эндотелий сосудов, нейроны, содержащие NO-синтазу и оплетающие своими отростками стенки сосудов и астроциты, образующие периваскулярные оболочки (рис. 3). Активация нейронов какой-либо области мозга приводит к возбуждению нейронов, содержащих NO-синтазу, и/или астроцитов, в которых также может индуцироваться синтез NO, и выделяющийся из клеток газ приводит к локальному расширению сосудов в области возбуждения [2].

С NO связывает и развитие септического шока, когда большое количество микробов, циркулирующих в крови, резко активирует синтез газа в эндотелии, что приводит к длительному и сильному расширению мелких кровеносных сосудов и как следствие - значительному снижению артериального давления, с трудом поддающемуся терапевтическому воздействию [2].

Рис. 5. Участие NO в регуляции тонуса кровеносных сосудов в головном мозге [2].

NO, образующийся в эндотелии, оказывает влияние и на взаимодействие клеток крови с эндотелием. Газ препятствует прилипанию лейкоцитов и кровяных пластинок к эндотелию и также снижает агрегацию последних [9]. Такое действие NO может иметь большое значение на ранних стадиях развития тромбов и в генезе атеросклеротических повреждений стенки сосудов. Участие NO в развитии атеросклероза может заключаться и еще в одной стороне его действия. NO может выступать в роли антиростового фактора, препятствующего пролиферации гладкомышечных клеток стенки сосудов, важного звена в патогенезе болезни [2].

NO и нервная система

В нервной системе NO имеет большое значение, как в нормальных физиологических условиях, так и при различной патологии. Источниками NO в ЦНС являются нейроны, нейроглиальные клетки - астроциты и клетки микроглии и эндотелий кровеносных сосудов [2].

Нейроны, содержащие NO-синтаза, находятся во многих отделах ЦНС и большинстве изученных периферических ганглиев нервной системы. В коре больших полушарий в среднем 2% нейронов содержат NO-синтазу, в большинстве отделов головного мозга число таких нейронов также невелико. Однако имеются области и с высоким их содержанием. Так, максимальное количество нейронов, содержащих NO-синтазу, находится в коре мозжечка, где большинство клеток-зерен и корзинчатых нейронов содержат фермент [8]. Самые крупные нейроны коры мозжечка - клетки Пуркинье - не содержат NO-синтазу. Сравнительно много нейронов, содержащих NO-синтазу, находится в обонятельных луковицах, а также в некоторых отделах гиппокампа и полосатого тела. Только в мозжечке нейроны, содержащие NO-синтазу, составляют компактную популяцию клеток, а в остальных отделах - это одиночные, редко расположенные клетки (рис. 4) [2].



Рис.6. Нейроны, содержащие NO-синтазу, в коре больших полушарий белой крысы [2].

Обобщая имеющиеся данные о нейронах ЦНС, содержащих NO-синтазу, следует отметить, что преимущественная часть их относится к небольшим по размерам клеткам, многие из которых не содержат дендритных шипиков и являются ассоциативными нейронами. Крупные клетки, например пирамидные нейроны коры больших полушарий или гиппокампа, моторные нейроны передних рогов спинного мозга, не содержат NO-синтазу. NO-синтаза сосуществует в нервных клетках с другими традиционными нейромедиаторами и нейропептидами, чаще фермент определяется в холинэргических нейронах [2].

Большое внимание уделяется NO в реализации нервных воздействий на ткани внутренних органов. Нервы, содержащие NO-синтазу, показаны практически во всех изученных внутренних органах, преимущественно в стенке кровеносных сосудов, где они, наряду с эндотелием, могут оказывать сосудорасширяющий эффект [8] NO признается одним из основных эффекторных агентов в так называемых неадренэргических-нехолинэргических нервах. В периферических нервах подробно изучено сосуществование NO-синтазы с нейропептидами. Наиболее часто фермент определяется вместе с вазоактивным кишечнымнейропептидом (VIP) и нейропептидом Y [2].

Значение NO в ЦНС в нормальных условиях связывают с тремя процессами (так называемая NO-гипотеза):

1) Участие в межнейронной связи в качестве своеобразного нейромедиатора, причем основное значение, как полагают, NO имеет в синаптической пластичности, под которой понимают эффективность синаптической передачи;

2) Регуляция церебрального кровотока;

3) Установление межнейронных синаптических взаимосвязей во время развития нервной системы[2].

NO как нейромедиатор

Нейромедиаторная сущность NO заключается в том, что оно синтезируется при возбуждении нейрона (в ответ на поступление ионов кальция) и, диффундируя в соседние клетки, активизирует в них образование цГМФ, способного влиять на проводимость ионных каналов и, таким образом, изменять электрогенез нейронов [2]. NO отличается от традиционных нейромедиаторов тем, что он оказывает воздействие на ионные каналы не через плазмалеммальные рецепторы, а изнутри, со стороны цитоплазмы. Кроме того, действие NO не ограничивается только областью синаптических контактов, газ может влиять на ионные каналы на значительной площади плазматической мембраны нейрона [11].

Участие NO в синаптической пластичности наиболее ярко проявляется в таких процессах, как длительная синаптическая потенция (повышение эффективности проведения возбуждения через синапс для каждого последующего импульса в их последовательности), более детально проанализированная в гиппокампе, и длительная синаптическая депрессия (снижение эффективности проведения возбуждения через синапс), лучше исследованная в коре мозжечка[2].

В первом случае возбуждение постсинаптического окончания приводит к повышению внутриклеточного уровня Ca²⁺/кальмодулина, активирующих NO-синтазу и образование NO. NO, диффундируя в пресинаптическое окончание, вызывает образование цГМФ, что приводит к усилению и увеличению длительности выделения из пресинапса нейромедиатора, который оказывает возбуждающее действие на постсинаптический нейрон, и таким образом возникает обратная положительная связь с постоянным усилением. Такому механизму особое влияние уделяется в синапсах с наиболее распространенными и сильновозбуждающими нейромедиаторами ЦНС глутаматом и особому глутаматному рецептору - NMDA- рецептору, являющемуся трансмембранным каналом для ионов кальция (рис 7) [2].

Рис. 7. Схема возбуждающего глутаматного синапса ЦНС и возможное участие NO в его деятельности [2].

Выделяющийся из синаптических пузырьков возбуждающий нейромедиатор глутамат (Гл) влияет на АМРА (А)-рецепторы, что приводит к деполяризации плазматической мембраны и открытию NMDA(N)-каналов (последнее связано с высвобождением вследствие изменения потенциала мембраны из ионного канала ионов магния, которые закрывали канал). Через NMDA-каналы в клетку поступает большой объем ионов кальция, активирующих конститутивную изоформу NO-синтазы. Образующийся NO, диффундируя в пресинаптический аксон, активирует в нем гуанилатциклазу (ГЦ) и синтез цГМФ, последний способствует усилению выделению нейромедиатора глутамата, что повышает эффективность синаптической передачи (феномен длительной синаптической потенции). NO может также влиять на окружающие астроциты и активировать в них гуанилатциклазу.

Дополнительные обозначения: СаМ - кальмодулин; ? - возможное влияние NO на другие не связанные с гуанилатциклазой клеточные системы нейронов и астроцитов.

С длительной синаптической потенцией, прежде всего в гиппокампе, связывают пластичность межнейронных связей, лежащих в основе памяти. Такое предположение основывается на ставших уже классическими представлениях Д.Хэбба (1949) о повышении эффективности синаптической передачи при возбужденном состоянии постсинаптического нейрона. Физиологические наблюдения об участии NO в процессах памяти и обучения противоречивы. Наряду с работами, в которых показано нарушение процессов обучения у экспериментальных животных при введении ингибиторов NO-синтазы, имеются и исследования с противоположными результатами. Неоднозначность получаемых результатов, возможно, связана с тем, что вводимые в организм ингибиторы NO-синтазы оказывают действие не только на всю нервную систему, но и на все органы и ткани животных, что не позволяло достичь локального влияния на продукцию NO в мозге [2].

В переживающих (живущих некоторое время в условиях культуры тканей) срезах головного мозга был показан и другой механизм действия NO на пресинаптические окончания. NO способен инициировать выделение нейромедиатора дофамина из нейронов не посредством экзоцитоза, а путем трансмембранной диффузии при участии особого мембранного переносчика дофамина, участвующего в его захвате из межклеточной среды [8]. В этом процессе не участвует цГМФ и предполагается прямое влияние NO на транспортные белки мембран [2].

Длительную синаптическую депрессию, в частности в контактах между параллельными волокнами, являющимися аксонами самых маленьких нейронов в организме человека, так называемых клеток-зерен, и нейронами Пуркинье в коре мозжечка, связывают с десенсибилизацией другого класса глутаматных рецепторов, так называемых АМРА-рецепторов. Выделяющийся из аксонов корзинчатых нейронов NO диффундирует к нейронам Пуркинье и активирует в них синтез цГМФ, что приводит к инактивации АМРА-рецепторов и снижению эффективности работы синапсов между клетками-зернами и нейронами Пуркинье [13].

В основе первого положения NO-гипотезы (см. выше) лежит возможность образования NO в постсинаптическом окончании при его возбуждении влияние газа на пресинаптический аксон. Однако за счет диффузии к соседним нервным клеткам NO может оказывать влияние не только на пресинаптическое расширение аксона, формирующего синапс на этом постсинаптическом окончании, но и на близлежащие аксоны и дендриты, модулируя их активность (рис. 6) [2].

Рис.8. Влияние NO на межнейронные синаптические связи [2].

Традиционная формулировка положения об участии NO в межнейронной коммуникации ограничивается обычно возможностью синтеза и выделения NO из локальной области нейрона - постсинаптического окончания. Однако, как показывают результаты свето- и электронно-микроскопических исследований, NO-синтаза определяется во всем объеме тела нейронов - в перикарионе, аксоне и дендритах. Поскольку при возбуждении нейрона по всей длине его отростков и в теле уровень кальция циклически колеблется (образуются своеобразные кальциевые волны), можно считать, что синтез и выделение NO могут инициироваться в любом участке тела и отростков нейронов. Таким образом, нейроны, содержащие NO-синтазу, способны создавать вокруг себя поле воздействия, то есть могут считаться своеобразными полевыми нейронами в отличие от традиционных нейронов, связанных друг с другом в локальных участках - синапсах [2].

Основное внимание в процессах синаптической пластичности уделяется нейронам, однако нельзя не учитывать и роль глии. Известно, что астроциты способны продуцировать NO, причем они обладают как конститутивной (в небольшом количестве), так и индуцибельной NO-синтазой [8]. Если принять во внимание, что число астроцитов в 10-100 раз превосходит (в зависимости от области мозга) количество нейронов, то их роль в продукции NO и влиянии на механизмы электрогенеза нейронов может являться весьма значимой [2].

Значение астроцитов как источника NO особенно ярко проявляется при патологии ЦНС. При многих нейродегенеративных заболеваниях, ишемии, травмах, опухолях головного мозга астроциты начинают экспрессировать NO-синтазу и продуцировать большой объем NO. С этим связывают гибель нейронов и других макроглиальных клеток, в частности олигодендроцитов [2].

Значение NO в развитии нервной системы

Целенаправленный рост и ветвление отростков нейронов, установление новых синаптических контактов в процессе развития нервной системы во многом определяются возбуждение нервных клеток. Нейроны, содержащие NO-синтазу, показаны еще в эмбриональном периоде, и, как полагают, NO может инициировать развитие растущих аксонных и дендритных веточек и стимулировать образование синапсов. Эта область нейробиологии остается еще малоисследованной [2].

Роль оксида азота в развитии патологических состояний

Токсический эффект NO проявляется прежде всего в ингибировании митохондриальных ферментов, что приводит к снижению выработки АТФ, а также ферментов, участвующих в репликации ДНК. Кроме того, NO и пероксинитрит могут непосредственно повреждать ДНК, это приводит к активации защитных механизмов, в частности стимуляции фермента поли(АДФ-рибоза)синтетазы, что еще больше снижает уровень АТФ и может приводить к клеточной гибели. Повреждение ДНК под влиянием NO является одной из причин развития апоптоза, особого вида клеточной смерти, регулирующейся геномом клетки [2].

Следует отметить еще одно интересное наблюдение, связанное уже с нейронами, содержащими NO-синтазу, и не получившее пока полного объяснения. Еще в 60-х годах Е. Томас и Э. Пирс использовали новый гистохимический метод выявления активности фермента НАДФН-диафоразы (фермент, способный восстанавливать окисленную форму НАДФ) для анализа нервной системы и показали, что в разных отделах головного мозга имеются единичные нейроны с интенсивной положительной реакцией. Эти нейроны, которые получили название «одиночные активные клетки», остаются неповрежденными при разнообразной патологии нервной системы, в то время как большинство других клеток погибает [8]. Относительно недавно выяснилось, что НАДВН-диафоразная активность свойственна NO-синтазе, и, таким образом, была установлена устойчивость нейронов, содержащих NO-синтазу, к разнообразным патологическим воздействиям. Механизмы такого необычного и имеющего большое биологическое значение свойства клеток окончательно не выяснены [2].

Остается не выясненным и вопрос о том, почему большие дозы синтезированного газа не оказывают токсического воздействия на клетки, в которых они образуются. Одним из возможных объяснений такого парадокса может быть то, что в нейронах, содержащих NO-синтазу, определяется высокая активность фермента супероксиддисмутазы, катализирующей распад токсических радикалов и защищающей клетку от губительного действия [2].

Результаты последних исследований позволили предположить, что активация NO-синтазы может выполнять не только положительную роль, но и оказывать повреждающее действие на клетки. Это связано с разнонаправленным действием механизмов, опосредующих эффекты NO, в результате чего ответ клетки на один и тот же стимул может быть существенно разным [3].

Примерами токсического действия NO являются основные нейродегенеративные заболевания ЦНС, такие как ишемический инсульт, эпилепсия и другие судорожные расстройства, болезни Паркинсона и Альцгеймера, боковой ангиотрофический склероз и т.д. В основе развития этих расстройств лежит избыточная продукция оксида азота в результате гиперактивации глутаматных рецепторов NMDA-подтипа, ведущей к повышению содержания внутриклеточного кальция и активации NO-синтазы [3].

Также выявлено участие оксида азота в развитии инсулинозависимого диабета, при этом непосредственной мишенью действия NO и других свободных радикалов является ДНК в-клеток островков Лангерганса [8].

Избыточная продукция NO индуцибельной формой NO-синтазы - важное звено в патогенезе острой недостаточности кровообращения при тепловом, кардиогенном, септическом и других видах шока [3].

В то же время, действие ряда факторов (липопротеины низкой плотности, высокие концентрации глюкозы и ишемия) может вызывать снижение продукции NO как за счет ингибирования NO-синтаз, так и за счет снижения их экспрессии. При этом низкий уровень оксида азота приводит к повышению тонуса сосудов, свертываемости крови и снижению иммунитета, тем самым способствуя развитию гипертензии, атеросклероза, тромбозов, ишемической болезни сердца, инфекционных заболеваний и опухолевого роста [3].

Таким образом, возникает необходимость в модулирующем воздействии на системы генерации NO c тем, чтобы поддержать или усилить защитное и физиологическое действие NO и, в то же время, устранить или ограничить его повреждающие эффекты [9]. По последним данным, эффекты оксида азота зависят не только от концентрации, но также от места его продукции, диффузии в клетках и тканях, образования NO-содержащих соединения, взаимодействия с реактивными формами кислорода (в особенности с супероксид-анион радикалом) и, возможно, от других факторов [3].

Таким образом, для понимания процессов, лежащих в основе перехода защитных эффектов этого агента в повреждающие, а также для выработки новых стратегий лечения необходимо установить роль этих факторов в проявлении биологической активности NO [3].

Патогенез различных заболеваний и проблемы их терапии в связи с обменом азота в организме

Учитывая важные физиологические функции NO в интактном организме, можно не сомневаться, что в случае заболевания этот радикал будет вовлечен в развитие многих патологических реакций. В настоящее время в эксперименте и клинике активно изучают следующие группы заболеваний, для развития которых характерны изменения в обмене NO*: болезни сердечно-сосудистой системы, в том числе гипертонию, инфаркт миокарда, легочную гипертензию, атеросклероз; инсульты и поздние дегенеративные заболевания нервной системы; различные аутоиммунные заболевания, диабет, отторжение трансплантатов; процессы острого и хронического воспаления различных органов и тканей, особенно эндотоксемию, отек, шок; цирроз печени, болезнь почек, легких, ЖКТ; онкологические заболевания [1].

В современных медицинских исследованиях активно изучается возможность использования NO* как ингибитора развития атеросклероза в связи с его способностью влиять на повреждающее действие гомоцистеина на сосудистую стенку, на образование комплексов окисленного холестерина с липопротеинами низкой плотности и на последующее развитие атеросклеротических бляшек. Показано также, что обмен NO* вовлечен в антиатерогенное действие эстрогенов [11].

Оксиды азоты обычно обнаруживаются при хронических воспалительных процессах в кишечнике, при язве желудка, артритах. Ингибиторы NO-синтазы значительно снижают выраженность воспалительных процессов. При длительных воспалительных состояниях возможно истощение источника NO* - L-аргинина или кофактора NO-синтазы - H₄Б. в этом случае фермент начинает восстанавливать внутриклеточный кислород до супероксид-радикала и перекиси, нарушая таким образом антиоксидантную защиту клеток. Поскольку хронические воспалительные состояния характеризуются локальным накоплением различных оксидов азота в окружающих тканях, им могут сопутствовать процессы нитрозилирования аминов и ДНК [1].