Источники и пути образования оксида азота в организме

Следует также отметить важную роль оксида азота в естественной резистентности организма, устойчивости к стрессу, пребыванию в так называемом третьем состоянии (ни здоровье, ни болезнь), в изменениях работоспособности [1].

Место оксида азота в биологии злокачественных новообразований только начинает исследоваться. Тем не мене известно, что продукты модификации аминов реактивными окислами азота принимают участие в процессах злокачественного перерождения клеток. Большинство из компонентов, регулирующих рост новообразований, - эндотелиальные клетки сосудов опухоли, инфильтрирующие иммунные клетки и сами опухолевые клетки - могут генерировать NO. Процесс опухолевого роста в значительной мере зависит от способности опухолевых макрофагов к экспрессии NO-синтазы. Возможно, оксид азота имеет отношение и к метастазированию опухолей. Так, показана отрицательная корреляция между активностью индуцируемой NO-синтазы и образованием метастазов меланомы у экспериментальных животных. Повышенная и длительная продукция оксида азота на фоне тканевой гипоксии и синтеза противовоспалительных цитокинов может, с одной стороны, приводить к активации онкогена p53 на формирование мутантных клеток, дающих начало росту опухоли, а с другой стороны, способствовать выработке ангиостимулирующего фактора, обеспечивающего развитие сосудистой сети опухоли. Накапливаются свидетельства о перспективности использования в противоопухолевой терапии агентов, модифицирующих синтез NO. Это относится не только к индукции гибели опухолевых клеток, но и к регуляции тонуса опухолевых сосудов [1].

Имеются данные о радиосенсибилизирующих свойствах экзогенных источников оксида азота, что может представлять интерес для комбинированной радиотерапии опухолей. Интересно, что ингибитор NO-синтазы - метиловый эфир нитроаргинина - существенно снижает токсические эффекты противоопухолевого препарата цис-платины у крыс [6]. Поэтому изучение роли изменений обмена оксида азота в индукции, прогрессии и росте опухоли и в ее чувствительности к таким лечебным воздействиям, как ионизирующая радиация, химиопрепараты, электромагнитная гипертермия и их сочетания, может оказаться весьма перспективным для совершенствования существующих и разработки новых методов профилактики и терапии рака [1].

Роль оксида азота как регулятора клеточных процессов при формировании полиорганной недостаточности

В последние годы в связи с развитием проблемы так называемой полиорганной недостаточности как последствия критических состояний, шока, а также крайне тяжелых послеоперационных осложнений все большее внимание привлекает патогенез универсального механизма поражения отдельных органов и целостных функциональных систем. Помимо прямого воздействия поражающих факторов (нарушения циркуляции, в том числе микроциркуляции, потери объема циркулирующей крови, механических повреждений клеток, инфекции и др.), являющихся пусковым моментом, на последующих этапах на передний план начинают выступать процессы, обусловленные патологическим накоплением агрессивных медиаторов. Совокупность указанных причин и определяет чрезвычайно высокую летальность как результат полиорганной недостаточности [5].

Среди таких медиаторов, наряду с цитокинами, лейкотриенами, простагландинами, пептидами, большое функциональное значение имеет оксид азота (NO). Его участие в биологической регуляции функций явилось для биологов и медиков определенной неожиданностью. К настоящему времени выявлены далеко не все регуляторные эффекты NO, но уже сейчас ясно, что достигнутые в этой области успехи имеют фундаментальное значение для понимания молекулярных механизмов многих физиологических и биохимических процессов [5].

Прежде чем приступить к рассмотрению конкретных примеров проявления биологической активности NO у человека и животных, следует еще раз указать на полифункциональность его действия, которую нельзя сводить только к «положительным» или только к «отрицательным» эффектам [8]. Биологический ответ на NO в значительной степени определяется условиями его генерации - где, когда и в каком количестве продуцируется это соединение [5].

Все многообразие биологических эффектов NO можно разделить на 3 типа:

1. Регуляторное влияние NO на сосудистый тонус, адгезию клеток, проницаемость сосудов, нейротрансмиссию, бронходилатацию, агрегацию тромбоцитов, систему противоопухолевого иммунитета, функцию почек.

2. Защитное действие NO, проявляющееся в его антиоксидантной активности, ингибировании адгезии лейкоцитов и защите от токсического воздействия фактора некроза опухолей б.

3. Повреждающее действие NO, проявляющееся в ингибировании ряда ферментов, нарушении структуры ДНК, индукции процессов перекисного окисления липидов, снижении антиоксидантного потенциала клеток, повышении их чувствительности к радиации, алкилирующим агентам и токсичным ионам металлов [5].

Действие NO осуществляется через прямые и опосредованные эффекты: прямые эффекты наблюдаются в тех случаях, когда с биологическими макромолекулами взаимодействует сам NO; опосредованные эффекты реализуются не NO, а продуктами его взаимодействия с другими соединениями, в первую очередь О₂ и О^-₂ [5].

Ярким примером прямого регуляторного действия NO может служить его вазодилататорная активность. Сосудорасширяющее действие NO связано с активацией растворимой формы фермента гуанилатциклазы [10]. Гуанилатциклаза катализирует биосинтез циклического 3,5-гуанозинмонофосфата (цГМФ) из гуанозинтрифосфата. Как известно, цГМФ оказывает модуляторное действие на многие клеточные процессы. Характерной особенностью растворимой гуанилатциклазы является присутствие в ней гемовой группы. NO связывается с Fe гемма и специфично изменяет его структуру. Такая структурная перестройка приводит к резкому возрастанию активности гуанилатциклазы (до 400-кратного) и накоплению цГМФ. Активизирующее действие NO проявляется при его очень низких концентрациях [5].

По-видимому, цГМФ оказывает действие на различные функции сосудов, но наиболее изученным до сих пор является его влияние на вазодилатацию. В этом процессе, кроме цГМФ, ключевые роли играют цГМФ-зависимая протеинкиназа, Са²⁺-АТФаза и Са²⁺ [5].

В связи с вазодилататорными и другими биологическими эффектами NO в научной литературе активно обсуждается вопрос об использовании экзогенных доноров NO, т.е. соединений, биотрансформация которых в организме человека приводит к образованию NO, в лечебных целях, вероятно, к числу таких доноров можно отнести известные нитровазодилататоры (нитроглицерин, нитросорбит) [5].

Вазодилататорное действие NO осуществляется не только путем активации гуанилатциклазы, но и в результате обратимого ингибирования цитохромоксидазы [9]. Ингибирование цитохромоксидазы в сосудистой ткани вызывает нарушение энергетического метаболизма, а это, вероятно, приводит к расслаблению сосудов за счет гиперполяризации мембраны, обусловленной открытием АТФ-зависимых калиевых каналов, а также за счет снижения уровня АТФ, необходимого для функции сократительного аппарата [5].

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал, касающийся защитного и повреждающего действия NO на различные клетки.

Вопрос о механизмах гибели клеток, органов и всего организма является одной и центральных проблем биологии и медицины.

Если рассматривать организм как сложную самоуправляющуюся и управляемую систему клеток, то смерть большей или меньшей совокупности клеток, а затем и органа или целой физиологической системы организма и будет предпосылкой смерти всего организма. Смерть клетки может происходить двумя путями: путем так называемого суицида (апоптоз) и в результате воздействия внешних факторов, т.е. путем формирования так называемого sick cell syndrome, в котором непосредственный механизм смерти клетки, а далее и всего организма, т.е. танатогенез, обусловлен гипоксией, эндо(экзо)токсикозом и иммунным конфликтом. Эти варианты характеризуются различными морфологическими и молекулярными явлениями и разным влиянием на окружающие ткани [5].

Термин «апоптоз» был предложен Керром (J. F. R. Kerr) еще в 1972 году для обозначения активного процесса разрушения клетки, характеризуемого ее сжатием, агрегацией хроматина, фрагментацией генома и пикнозом ядра. Апоптоз играет важную роль в поддержании нормального тканевого гомеостаза, и нарушение его регуляции может являться причиной различных патологических состояний, включая раковые заболевания.

Часто апоптоз называют процессом запрограммированной гибели клеток, поскольку он запускается внешними сигналами, поступающими от поверхностных рецепторов клетки, осуществляется по строго определенному механизму и жестко контролируется специфичными внутриклеточными регуляторными системами. Исходные сигналы могут иметь внутриклеточное происхождение, связанное с действием фармакологических преператов и токсинов. Апоптоз обычно происходит в отдельных клетках и не сопровождается выделением медиаторов воспаления. Расщепление ДНК начинается на ранних этапах апоптоза и характеризуется образованием фрагментов длиной 180-200 пар оснований (нуклеосома) и кратных им [5].

Процессы передачи инициирующих сигналов апоптоза к эффекторным механизмам, ответственным за гибель клеток, находится под жестким контролем, обеспечиваемым сложным взаимодействием регуляторных белков.

Важную роль в передаче сигнала и/или осуществлении апоптической гибели клеток играют протеазы семейства интерлейкин-1в-превращающих ферментов, называемые каспазами. Каспазы формируют каскад протеолитических процессов, усиливающих первоначальный апоптический сигнал. Большинство известных внутриклеточных субстратов каспаз включаются в механизмы клеточной репарации, регуляцию клеточного цикла и поддержание клеточных структур. Причинная связь расщепления субстратов с апоптической гибелью клеток не вполне ясна, однако разрушение некоторых из них может сделать процесс гибели неизбежным. Примером такого белкового субстрата может служить поли(АДФ-рибозо)полимераза [5].

В зависимости от типа клеток NO может либо способствовать апоптозу, либо защищиать их от апоптической гибели. Апоптоз, обусловленный действием NO, был впервые продемонстрирован на мышиных моноцитах/макрофагах линии RAW 264.7. в последующих работах было показано, что NO участвует в апоптозе нейронов и хондроцитов [8].

Имеется значительное число научных публикаций, убедительно свидетельствующих об эффективном защитном действии NO против клеточного апоптоза. Имеются сведения об антиапоптотическом действии NO на гепатоциты in vivо. Аналогичное влияние NO оказывает на тимоциты и лимфоциты [5].

Среди многочисленных патологических состояний, в развитии которых важная роль принадлежит NO, особое место занимает септический шок. Продукция NO в условиях септического шока в клетках различных типов имеет системный характер. Одним из центральных органов, клетки которого генерируют NO при септическом шоке, является печень.

Печень играет центральную роль во многих метаболических и иммунных процессах. Функционирование печени в номе и при патологии определяется сложными взаимодействиями гетерогенных популяций клеток, формирующих печень. Они включают собственно печеночные (паренхиматозные) клетки печени (гепатоциты), эндотелиальные клетки сосудов, макрофаги-резиденты (клетки Купфера), клетки желчных каналов и тучные клетки (клетки Стеллата или клетки Ито). Клетки Купфера по своему происхождению моноциты, составляют 80-90% общей популяции макрофагов в организме. Поскольку индуцированная генерация NO обнаруживается в клетках всех этих типов, есть основания утверждать, что NO участвует в большинстве метаболических процессов, протекающих в печени [5].

Накопленные к настоящему времени основные сведения о роли NO в регуляции функциональной активности гепатоцитов можно суммировать следующим образом.

1. Влияние NO на синтез белка. В условиях генерации NO наблюдается ингибирование синтеза белка в гепатоцитах в культуре. Механизм такого ингибирования остается неясным. Он не обусловлен возможной потерей жизнеспособности клеток или высвобождением гепатоцеллюлярных ферментов. Блокада белкового синтеза в гепатоцитах осуществляется по цГМФ-независимому пути. Однако в экспериментах на животных in vivo было показано усиление синтеза белка в гепатоцитах на септической модели в условиях экспрессии NO-синтазы. Вопрос о влиянии NO на синтез белка нуждается в дальнейшем изучении.

2. Ингибирование глюконеогенеза и гликогенеза. Поскольку доноры NO подавляют гликогенолиз в печени животных, можно говорить о регулирующем влиянии NO на гомеостаз глюкозы. На септических моделях наблюдается ингибирующее влияние NO на процессы глюконеогенеза.

3. Активация растворимой гуанилатциклазы. NO вызывает накопление цГМФ в гепатоцитах животных, но в целом роль цГМФ в физиологии гепатоцитов еще не изучена.

4. Влияние NO на систему цитохрома Р-450. как известно, одной из важнейших функций печени является метаболизм ксенобиотиков, осуществляемый локализованными в микросомах гепатоцитов монооксигеназами со смешанной функцией, объединяемыми общим названием цитохромов Р-450. к ксенобиотикам относятся разнообразные лекарственные средства, токсины, канцерогены и другие чужеродные для организма соединения. Было показано, что NO способен не только ингибировать активность цитохромов Р-450, но и подавлять их экспрессию при воспалении. Действие специфично к отдельным изоферментам цитохрома Р-450. наблюдаемое в клинике изменение метаболизма ряда лекарственных и токсических соединений в печени при некоторых системных воспалительных процессах связано в первую очередь с активностью NO [5].

Влияние NO на печень не ограничивается септическими состояниями. Имеются сведения о важной роли NO в функциональных сдвигах, наблюдаемых в печени при ишемии и реперфузии, злокачественных новообразованиях, циррозе и ряде др. патологических состояний [12].

В медицинском плане более перспективными представляются способы регуляции NO с помощью специфических ингибиторов отдельных форм NO-синтаз и доноров NO, способных избирательно воздействовать на клетки и ткани. К сожалению, синтезируемые к настоящему времени специфичные ингибиторы, например N5-(1-имно-3-бутенил)-L-орнитин, не обладают абсолютной избирательностью. Одной из перспективных мишеней противовоспалительной терапии может оказаться ядерный фактор транскрипции NFkB. Однако при любом подходе к решению проблемы регуляции NO необходимо иметь в виду, что NO - вездесущий медиатор метаболизма и резкое изменение его генерации может привести к нарушению функциональной активности многих биосистем [5].

Фармакологические возможности регуляции содержания окиси азота в организме

Уникальные биологические свойства NO и его участие в разнообразных физиологических и патофизиологических процессах дают основания для использования данного соединения (путем управления его содержанием) в профилактических и лечебных мероприятиях. Существуют следующие способы изменения содержания NO, вытекающие из данных о L-аргинин-NO-метаболизме:

· регуляция уровня субстрата (L-аргинина);

· активация/индукция/ингибирование NO-синтаз;

· защита или инактивация NO.

Кроме того, в качестве терапевтических средств могут применяться экзогенные доноры NO или само соединение в виде компонента газовой смеси.

В последнее время были получены новые сведения о механизмах действия фармакологических агентов, известных как нитровазодилататоры (НВД). Оказалось, что существенная доля вызываемых ими биологических эффектов связана метаболическими превращениями органических нитратов в организме, сопровождающимися выделением NO. Во многих случаях эти препараты, по-видимому, заменяют эндогенные источники NO в организме, дефектные при патологических состояниях. На эффективность выделения NO из НВД влияет присутствие низкомолекулярных тиолов (наиболее активен цистеин). Многими исследователями продемонстрировано также антитромботическое действие НВД, которое развивается параллельно с релаксацией гладкой мускулатуры сосудов и также требует в отдельных случаях присутствия тиолов. Очевидно, что понимание механизмов действия NO в организме необходимо при разработке новых препаратов - доноров NO для преодоления индуцироемой нитратами резистентности сосудов к релаксации или эндотелиальной дисфункции, сопровождающей многие заболевания (атеросклероз, гипертонию, диабет и др.) [1].

Основные стадии синтеза NO, через которые возможна регуляция содержания NO в организме, представлены ниже.

Рис. 9. Схема синтеза оксида азота из L-аргинина.

Перспективность использования L-аргинина как полузаменимой аминокислоты в терапии ряда патологий известна давно: дефицит аргинина приводит к дисфункции семенников, экзогенный аргинин оказывает защитное действие при гипероксии, гипотермии, поражении печени, повышает уровень инсулина и соматотропного гормона, ускоряет отторжение трансплантата, регрессию экспериментальных опухолей [13]. Однако в какой степени достигаемые эффекты (снижение артериального давления, коррекция эндотелиальной дисфункции при гиперхолистеринемии, терапия гломерулонефрита) опосредуются через NO, остается пока невыясненным. Снижение содержания аргинина в организме возможно также с помощью фермента аргиназы, превращающей его в орнитин. О возможности управления содержанием NO через модуляцию уровня кофакторов NO-синтаз свидетельствуют данные об индукции ее образования в изолированных сосудах ингибитором синтеза тетрагидроптерина - 2,4-диамино-гтдроксипиримидином.

Широкое применение в экспериментальных исследованиях нашли различные ингибиторы NO-синтаз. Однако необходим дальнейший поиск агентов, подавляющих синтез NO (например, анестетики), с приемлемыми фармакологическими характеристиками. Те же требования могут быть предъявлены и к активаторам синтеза NO, среди которых агонисты, иммуномодуляторы и др. содержание самого NO может модулироваться уровнем супероксидрадикала или других перехватчиков: железосодержащих соединений, гемоглобина. Окись азота уже испытана в качестве терапевтического агента при различных заболеваниях легких) гипертония, астма и др.) [1].

Заключение

Таким образом, образование NO при ферментативном окислении L-аргинина является уникальным биохимическим феноменом. Эксперименты на животных показали его чрезвычайно важную роль в регуляции сосудистого тонуса, активности тромбоцитов и лейкоцитов, нейропередаче и нейромодуляции, в обеспечении толерантности организма к патогенам. Некоторые из этих функций NO начинают успешно использоваться в терапии ряда заболеваний легких, сосудов, мозга [1]. Применение уже известных фармакологических средств и разработка новых для воздействия на физиологические и патофизиологические процессы, опосредуемые оксидом азота, несомненно, приведет к значительному прогрессу в лечении таких распространенных заболеваний, как атеросклероз, гипертония, диабет и др. Кроме того, следует учитывать биологические явления, связанные с NO, при изучении побочных эффектов традиционных терапевтических препаратов, а также вновь разрабатываемых средств для применения в иных областях медицины [1].

Открытие высокоактивного межклеточного посредника - NO позволило прояснить многие неясные вопросы жизни клеточного сообщества в организме человека и животных. В 1992 году NO в знак большого интереса к ней исследователей был назван молекулой года. В 1998 году Р. Фуршготт, Л. Игнарро и Ф. Мурад за работы по выяснению механизмов, связанных с участием NO, получили высшую оценку мировой науки - Нобелевскую премию. Однако, как это всегда бывает на пути познания, новое порождает еще больше вопросов. По-видимому, NO еще долго будет привлекать внимание исследователей, и можно надеяться, что будут получены новые интересные и значимые результаты [2].

Список используемой литературы

оксид азот синтаза фермент

1. С.Я. Проскурянов, А.Г. Конопляников, А.И. Иванников, В.Г. Скворцов «Биология окиси азота». Медицинский радиологический научный центр РАМН, Обнинск, 1999г.

2. А.А. Сосунов «Оксид азота как межклеточный посредник». Московский государственный университет им. Н.П. Огарева, Саранск.

3. И.П. Серая, Я.Р. Нарциссов «Современные представления о биологической роли оксида азота». Межрегиональный институт цитохимии, Москва, 2002г.

4. О.Ю. Колесниченко, Л.М. Филатова, З.А. Кривицина, Ю.И. Воронков «Эндотелиальная дисфункция и метаболические эффекты оксида азота у человека», 2003г.

5. Г.А. Рябов, Ю.М. Азизов «Роль оксида азота как регулятора клеточных процессов при формировании полиорганной недостаточности». Учебно-научный центр МЦ УД Президента РФ, Москва.

6. Н.А. Виноградов «Антимикробные свойства окиси азота и регуляция ее биосинтеза в макроорганизме». Центральный НИИ эпидемиологии, Москва.

7. Брюне Б., Сандау К., Кнетен А. // Биохимия. - 1988.- Т. 63, №7. - С. 966-975.

8. Малкоч А.В., Майданник В.Г., Курбанова Э.Г. «физиологическая роль оксида азота в организме (Часть 1). http://www.dialvsis.ru/magazin/1_2_2000/no1.htm

9. Габбасов З.А., Попов Е.Г. «Изучение агрегационной активности тромбоцитов у больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями методами лазерной агрегатометрии // Новости А/О ЮНИМЕД. 2001. Т.8. С.4.

10. Зеленин К.Н. «Оксид азота (II): Новые возможности давно известной молекулы.//Соросовский Образовательный Журнал. 1997.№10. С. 105-110.

11. Реутов В.П. «Цикл окиси азота в организме млекопитающих.// Успехи биол. химии. 1995. Т.35. С. 189-228.

12. Реутов В.П., Сорокина Е.Г., Охотин В.Е., Косицын Н.С. «Циклические превращения оксида азота в организме млекопитающих». М.: Наука, 1998. С. 156.

13. Малышев И.Ю., Манухина Е.Б. //Биохимия. 1998. Т.63. С.870.

14. Журавлева И.А., Мелентьев И.А., Виноградов И.А. //Клин. Медицина. 1997. Т.75. С.18.

15. Онуфриев М.В. // Бюл. эксперим. биологии и медицины. 1995. Т. 120. С.148.

16. Албертс А., Брей Д., Льюис Р. и др. «Молекулярная биология клетки: в 3 т.: Пер. с англ. 2-е изд. М.: Мир, 1994.

Размещено на Allbest.ru