Что такое оксид азота как он влияет на человека
Что такое оксид азота как он влияет на человека
Введение. Оксид азота (II) – молекула года, а также вещество, за исследование физиологических и биохимических свойств которого была присуждена Нобелевская премия на исходе прошедшего тысячелетия
Цель работы – расширить базовые представления об оксиде азота, при этом объясняя возросший интерес к данной молекуле в лице мирового научного сообщества.
История изучения биологических свойств окиси азота отсчитывается с середины 20 века и продолжается по сей день. В этот продолжительный период было сделано много важных открытий в изучении механизмов различных жизненно важных процессов человеческого организма, которые протекают с непосредственным участием NO:
• 1955 г. – Роберт Форчготт обнаружил расслабляющее действие света на аорту кролика;
• 1965 г. – А.Ф. Ванин опубликовал в журнале «Биофизика» статью «Свободные радикалы нового типа в дрожжевых клетках»;
• 1970-е гг. – Ферид Мьюрэд экспериментально подтвердил влияние NO на активацию гуанилатциклазы;
• 1980 – 1991 гг. – Р. Форшготт и параллельно с ним Луис Игнарро публикуют серию статей про EDRF (Endothelium-Derived Relaxing Factor);
• 1998 г. – Р. Форчготт, Ф. Мьюрэд и Л. Игнарро стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии или медицине за открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе.
Оксид азота (NO) – в нормальных условиях бесцветный газ, плохо растворимый в воде, однако хорошо растворимый в органических средах. Вследствие наличия в его электронной структуре неспаренного электрона относится к разряду радикалов (нитроксил-анион). Данный факт объясняет крайне непродолжительный срок существования молекулы в соответствующем состоянии.
Учитывая крайне высокую реакционную способность окиси азота, организму необходимо ее синтезировать и впоследствии хранить в нужных количествах на определенных этапах метаболизма.
Для синтеза эндогенного оксида азота в каждой клетке нашего организма предусмотрен ген, в результате активации которого происходит выработка фермента NO–синтазы. Данный фермент катализирует реакцию превращения аминокислоты L–аргинин в цитруллин с выделением молекулы NO.
Выделившись в результате описанной реакции, окись азота либо сразу же направляется на нужды организма, либо хранится до востребования последним в форме динитрозильного комплекса с железом (Fe+2). Подобные комплексы (сокращенно ДНКЖ) имеют важное биологическое значение: они не только стабилизируют никтроксил-анион, но и способствуют его транспорту от места образования до места действия.
Оксид азота – нейромедиатор.
Физико-химические свойства оксида азота (II) детерминируют его участие в механизме передачи импульсов по нервным волокнам. Нитроксил-анион – это универсальный трансмиттер химических синапсов.
Для большинства нейромедиаторов существует ряд ограничений: они передают импульс только в одном направлении (от пре- к постсинаптическому нейрону) посредством трансмембранных клеточных рецепторов соответственно всего двух нейроцитов, формирующих синапс. В то же время NO способен передавать сигнал не только в пределах лишь одного синапса, но и между целой группой близко расположенных нервных клеток, при этом осуществляя обмен информацией в обе стороны без участия рецепторов.
Такой вариант передачи возбуждения между клетками имеет определенный ряд преимуществ. Исключается необходимость существования в клетках механизмов специфического энзиматического расщепления (например нейромедиатор ацетилхолин расщепляется холинэстаразой), а также механизмов специфического обратного захвата для прекращения потерявшего актуальность сигнала (прошедшего синаптическую щель химического трансмиттера). Будучи высокореакционной частицей, молекула NO вступает в реакции с другими радикалами организменной среды, что в итоге приводит к неспецифическому прекращению его действия как медиатора.
Вазодилататорный эффект NO.
Endothelium-Derived Relaxing Factor (EDRF) – на русский язык дословно переводится как эндотелий-производный расслабляющий фактор, являющийся очередным эквивалентным названием оксида азота (II). Данная аббревиатура довольно четко и понятно описывает функциональное назначение NO в процессе вазодилатации (расширения) кровеносных сосудов нашего организма.
Ацетилхолин (АЦХ) – основной нейромедиатор парасимпатической нервной системы. При воздейтсвии АЦХ на сосуды из эндотелия последних высвобождается NO, который впоследствии стимулирует расслабление гладкомышечного слоя тех же сосудов.
Оксид азота очень важен для нормального функционирования человеческого организма. Многие его условно патологические состояния невозможно разрешить без участия NO. При физической нагрузке организму требуется большее количество кислорода, что в случае недостаточного усвоения может привести к гипоксии. Чтобы избежать длительного кислородного голодания активируется процесс бронходилатации (увеличение просвета воздухоносных путей в легких), вследствие чего усиливается газообмен между окружающей средой и организмом человека.
Естественное состояние при активном потреблении пищи и жидкости – увеличение объема желудка вследствие расслабления мышц его фундального отдела. Данный эффект также достигается при непосредственном участии NO.
Нитроглицерин – широко известный своим лекарственным действием нитроэфир. Стенокардия (возникает из-за недостаточного кислородного снабжения сердечной мышцы), кишечная колика (спазм гладкой мускулатуры кишечника), повышенный тонус матки и прочие патологические состояния нашего организма могут быть устранены применением данного вещества. Дело все в том, что при разрушении данной молекулы возможно образование окиси азота хорошо известной своим вазодилататорный эффектом и, как следствие, спазмолитическим действием на ткани организма. Поэтому при острых состояниях, сопровождающих многие заболевания внутренних органов человека, вполне может быть применен препарат, содержащий нитроглицерин, для устранения подобной болезненной симптоматики.
Участие в иммунном ответе.
Оксид азота (II) является условным цитотоксическим фактором, который вырабатывается макрофагами и некоторыми другими клетками иммунной системы с целью оказания повреждающего эффекта на клетки бактерий, грибов, простейших, а также на различные злокачественные образования макроорганизма хозяина. В основе данного процесса лежит реакция взаимодействия NO с супероксидом (O2−). В результате образуется высокотоксичный окислитель пероксинитрит (ONOO−), который уже непосредственно взаимодействует со структурными (белки) и генетическими (ДНК) компонентами инфекционных агентов, тем самым нейтрализуя их патогенный потенциал.
Самыми известными для широкой общественности антимикробными препаратами (АМП) являются препараты из группы нитроимидазолов (метронидазол и другие). Принцип действия препарата метронидазола следующий: в процессе метаболизма соответствующего соединения в клетке анаэробных микробов образуется нитроксил-анион (NO), оказывающий описанный ранее повреждающий эффект. В случае же более поздних эволюционных представителей (аэробов) подобной картины при приеме нитроимидазолов не наблюдается, поскольку образующийся в них NO сразу же окисляется с образованием относительно безвредных нитратов.
Стоит так же отметить, что при резком увеличении концентрации оксида азота (II) в результате различных иммунных реакций или при активно развивающихся инфекционных болезнях (сепсис, пневмония и др.) возможна следующая клиническая картина: в результате чрезмерной вазодилатации наблюдается резкое падение АД, что чревато коллапсом и гипоксией жизненно важных органов – печени, мозга, сердца и т.д. Таким образом излишняя продукция NO может оказывать отрицательное воздействие как на региональный воспалительный процесс (наблюдается чрезмерная интенсивность воспаления), так и на весь организм в целом.
Оксид азота: общие сведения, влияние на человека и окружающую среду
Оксид азота – химическое соединение группы окисей азота, в котором азот присутствует во II степени окисления. Он имеет один непарный радикальный электрон, следовательно, является нестабильным, имеет высокую реакционную способность и обладает свойствами свободного радикала.
Оксид азота или окись азота, а также известный как монооксид азота представляет собой молекулу с химической формулой NO. Это свободные радикалы, которые является важным промежуточным продуктом химических реакций.
В организмах млекопитающих и человека оксид азота является важной составляющей клеточных сигнальных молекул, участвующих во многих физиологических и патологических процессах. Это мощный вазодилататор с коротким, в несколько секунд, периодом полураспада в крови.
В конце 80-х годов было доказано, что особые ферментные системы организмов способны синтезировать газ оксида азота. Это происходит в результате окисления гуанидиновой группы аминокислоты L-аргинина с одновременным синтезом цитруллина.
Получение оксида азота
В лабораторных условиях получение оксида азота возможно путем проведения реакции разбавленной азотной кислоты с медью или восстановлением азотистой кислоты в виде нитрита натрия или нитрита калия.
Основным природным источником оксида азота являются электрические разряды молний в грозу. Оксид азота является побочным продуктом, возникающим при сгорании веществ в автомобильных двигателях и топлива на электростанциях.
Также получение оксида азота возможно из свободных элементов, для этого необходимо при температуре 1200-1300°C провести соединение азота с кислородом.
Применение оксида азота
Оксид азота используется в медицине для расширения кровеносных сосудов при ишемической болезни сердца путем уменьшения нагрузки на сердце.
Оксид азота используется при неотложной помощи для содействия капиллярному расширению легких для лечения первичной легочной гипертензии у новорожденных, связанной с врожденными дефектами. Терапия оксидом азота значительно повышает качество жизни и, в некоторых случаях, спасает жизнь детей с риском развития заболевания сосудов легких.
Оксид азота также вводится в виде спасительной терапии у больных с острой правожелудочковой недостаточностью, которая является вторичной по отношению к легочной эмболии.
В пищевой промышленности оксид азота известен под названием пищевая добавка Е942 и используется в качестве пропеллента и упаковочного газа.
Свойства оксида азота
Польза оксида азота
Оксид азота широко применяется в традиционной медицине при различных заболеваниях и оказывает положительное влияние на:
В дополнение ко всему оксид азота является богатым источником необходимых питательных веществ, таких как b-ситостерин, урсоловая кислота, гликозиды, растительные стерины, а также цинк, кальций, калий, железо и витамины А и С для организма.
Вред оксида азота
Применение оксида азота у большинства людей не вызывает побочных эффектов, однако, в случаях передозировки он приводит к диарее, слабости, тошноте, головной боли, учащению пульса и сердцебиения, задержкам воды, усталости, раздражениям на коже и сухости во рту.
Также побочными эффектами применения оксида азота являются проблемы с дыханием, сильная аллергия или сыпь, крапивница, зуд, одышка, опасные для жизни осложнения астмы, внезапный озноб, потливость, тремор, рвота и обмороки. В некоторых случаях применение оксида азота приводит к вспышкам герпеса, расширению сосудов и кровотечениям.
Влияние оксида азота на организм человека
Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота: NO2, N2O3, N2O4. Наибольшую опасность представляет NO2. Воздействие оксидов азота на человека приводит к нарушения функций легких и бронхов.
При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004 — 0,008 %) возникают астматические проявления и отек легких. Вдыхая воздух, содержащий оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предполагает отрицательных последствий.
При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами. NO2 тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.
Оксиды азота ответственны за возникновение смога и кислотных дождей. Смог вызывает затруднение дыхания, кашель у детей и способствует развитию болезней органов дыхания. Особенно страдают от смога астматики и дети.
Ощущение запаха и незначительного раздражения во рту отмечается при концентрации NO2 порядка 0,0002 мг/л. Вредное воздействие оказывают оксиды азота и на нервную систему человека. Содержание в атмосферном воздухе оксидов азота свыше 0,28 мг/м3 приводит к повреждению некоторых видов растений вызывает затруднение дыхания, кашель у детей и способствует развитию болезней органов дыхания.
Вторичная реакция на воздействие оксидов азота проявляется в образовании в человеческом организме нитритов и всасывании их в кровь. Это вызывает превращение гемоглобина в метагемоглобин, что приводит к нарушению сердечной деятельности.
Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на строительные материалы и металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образования смога. В уходящих газах дизелей концентрации СО и NOx могут достигать 0,5 % (по объему).
Влияние оксида азота на окружающую среду
Оксид азота является естественным компонентом атмосферы. Однако интенсивное использование искусственных азотных удобрений и сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет большую часть антропогенных выбросов оксида азота. На него приходится около 6% глобального потепления. Если общее ежегодное выделение оксидов азота в мире оценивалось в 1967 г. в 53 млн. т, то уже в 1995 г. оно составило 130 млн. т.
Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м 3 может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.
Читайте также:
Влияние кофе на печень
Влияние пчелиного подмора на поджелудочную железу
Влияние пива на поджелудочную железу
Влияние алкоголя на печень и поджелудочную железу
Влияние антибиотиков на поджелудочную железу
Окись азота и судьба человека
Доктор биологических наук Ю. ПЕТРЕНКО.
Лавинообразный рост числа публикаций по исследованию роли окиси азота в биологических объектах дал основание Американской ассоциации развития науки и авторитетному научному журналу «Science» («Наука») назвать в 1992 году окись азота молекулой года.
Чем же продиктован такой все возрастающий научный интерес к окиси азота?
Таким образом, в мыслительной деятельности окись азота является и непосредственным участником, и косвенным регулятором. Что касается телесного существования, то и здесь ее роль не меньшая.
Кардиологи и специалисты, изучающие систему кровообращения, интересуются окисью азота, поскольку она регулирует расслабление гладких мышц сосудов и синтез так называемых «белков теплового шока», которые «защищают» сосуды при ишемической болезни сердца.
Гематологов окись азота интересует в связи с тем, что она тормозит агрегацию (слипание) тромбоцитов, влияет на перенос кислорода эритроцитами, а также на реакции с участием химически активных молекул (свободных радикалов) в крови.
Онкологи проявляют повышенный интерес к окиси азота из-за ее предполагаемого участия в процессе развития злокачественных образований.
Физиологи, занимающиеся проблемами регуляции водно-солевого обмена в организме, и нефрологи интересуются окисью азота по той причине, что она регулирует почечный кровоток и солевой обмен в почечных канальцах.
Но и это еще не все. В последние годы лавинообразно нарастает поток информации о влиянии окиси азота на функционирование генома.
Судьба человека определяется его поведением и характером, на которые, в свою очередь, влияет состояние его души и тела. Значит, судьба человека в некотором смысле связана с окисью азота.
Что же представляет собой молекула окиси азота?
Известно, что, когда в электронном семействе какой-либо молекулы имеется электрон без своей пары, то есть для него нет партнера, все семейство испытывает беспокойство и проявляет повышенную агрессивность по отношению к другим соединениям, стремясь найти и отобрать чужой недостающий электрон. Соединения, имеющие неспаренный электрон, называются радикалами. Радикалы обычно неустойчивы и появляются на промежуточных стадиях химических реакций.
Окись азота же сама по себе таких эффектов не вызывает. Но закись азота, поступающая в определенные отделы мозга, химически разрушается там с образованием окиси азота, действие которой на нервные клетки и определяет эффекты, вызываемые вдыханием закиси. Алкоголь действует на клетки головного мозга так же опосредованно и через окись азота.
За разработку проблемы окиси азота в биологии и медицине ряд ученых удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине 1998 года. Точная формулировка звучит так: «Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена за открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе». Нобелевскими лауреатами стали американские ученые Роберт Форшготт, Ферид Мьюрэд и Луис Игнарро.
А началось все с открытия, результаты которого были опубликованы Робертом Форшготтом в 1955 году. Ученый, проводя физиологические эксперименты с кровеносными сосудами, обнаружил расслабляющее действие света на аорту кролика. Это загадочное поведение аорты в ответ на действие света стало в дальнейшем для него и других исследователей объектом пристального внимания. Можно считать, что оно явилось своеобразной точкой отсчета нового раздела биологической науки.
В 1965 году журнал «Биофизика» опубликовал его небольшую, но, как позже оказалось, чрезвычайно важную статью под названием «Свободные радикалы нового типа в дрожжевых клетках». В ней говорилось, что в биологических объектах обнаружены радикалы неизвестной природы, которые никто в мире еще не наблюдал. Наша страна тогда была «впереди планеты всей» по части создания аппаратуры для обнаружения радикалов, основанной на явлении электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Приборы и средства обнаружения радикалов, работающие на его основе, называются радиоспектрометрами. Именно этими приборами и была оснащена лаборатория, где работал Анатолий Федорович, который сегодня считается одним из признанных авторитетов в области ЭПР-спектроскопии.
Явление ЭПР в 1944 году открыл профессор Казанского университета Е. К. Завойский. Суть этого явления связана со способностью радикалов, находящихся в магнитном поле, избирательно поглощать энергию радиоволн.
Неизвестная радикальная субстанция сначала была обнаружена в культурах дрожжей, а затем и в клетках животного происхождения. Стало понятным, что открыто новое вещество, которое присутствует во всех живых клетках.
Работы Форшготта и Ванина застолбили новое научное направление. Сейчас ученым понятно, что открытые Анатолием Федоровичем неизвестные радикалы не что иное, как молекулы окиси азота. Но в то время предстояло еще выполнить немало сложнейших исследований, чтобы узнать, какие именно радикалы подают необычный ЭПР-сигнал. Одно было ясно уже тогда: науке эти радикалы неизвестны. Годы напряженного труда позволили Ванину сделать второе открытие. Он доказал, что сигналы подает окись азота, причем не одна, а в комплексе с ионами железа и белками, содержащими сульфгидрильные группы. Теперь их называют «динитрозильные комплексы».
Какова роль комплекса окиси азота и белка в живой клетке? На этом вопросе и сконцентрировалось внимание Ванина и других исследователей, подключившихся к изучению проблемы.
Форшготт обнаружил, что ацетилхолин, являющийся одним из медиаторов нервной системы, обычно вызывал сжатие кровеносных сосудов, но в некоторых опытах он их почему-то расслаблял. Анализируя эти эксперименты, Форшготт обратил внимание, что расслабляющее действие ацетилхолина на сосуды наблюдалось только в тех случаях, когда они были плохо очищены от эндотелиальных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность сосудов. Форшготт догадался, что именно присутствие эндотелия меняло физиологический эффект ацетилхолина на противоположный. После проведения серии остроумных опытов сомнений не оставалось: сделано открытие. Так и был обнаружен эндотелиальный фактор расслабления сосудов (EDRF). Это научное достижение приобрело широкий общественный резонанс и взбудоражило весь ученый мир. Большинство ученых сразу поняли, насколько оно важно для физиологии, патофизиологии и практической медицины.
Как ученый-физиолог, Форшготт в своих научных исследованиях шел от явлений (физиологии) к их механизмам. Это путь от сложного к простому. Для Ванина, как биофизика и биохимика, путь от простого к сложному, от факта к его роли и значению был более естественным. Ванин и начал с того, что открыл существование радикальной субстанции в живых объектах и стал изучать, что это за молекула и какие функции она выполняет.
Форшготт и Ванин, пройдя каждый свою половину пути, встретились в 1989 году во Всесоюзном кардиологическом научном центре в Москве. О чем они говорили тогда, понятно: конечно же, о научных планах, своих невероятных догадках и сомнениях. Их общение продолжилось в Лондоне на 1-й конференции по биологической роли оксида азота и в последующей переписке.
Где же те весы, на которых можно было бы объективно взвесить признание заслуг ученого, чтобы справедливо воздать ему за них?
Эндотелий и оксид азота
Дина Гайнуллина, Светлана Софронова, Ольга Тарасова
«Природа» №9, 2014
Об авторах
Дина Камилевна Гайнуллина — кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры физиологии человека и животных биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, специалист в области физиологии кровообращения. Область научных интересов — особенности регуляции сосудистой системы в раннем постнатальном онтогенезе.
Светлана Ивановна Софронова — аспирант той же кафедры, занимается проблемами гормональной регуляции синтеза эндотелиального оксида азота.
Ольга Сергеевна Тарасова — доктор биологических наук, профессор той же кафедры и ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии мышечной деятельности ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН», специалист в области кровообращения и автономной нервной системы. Область научных интересов — взаимодействие системных и локальных механизмов регуляции сердечно-сосудистой системы.
Тонус кровеносных сосудов и уровень артериального давления в организме регулируются слаженной работой многих систем и механизмов, среди которых важную роль играет эндотелий сосудов. Секреция оксида азота (NO) — одна из ключевых функций эндотелиальных клеток, а их дисфункцию при различных заболеваниях врачи часто связывают с уменьшением продукции NO. Каковы же современные представления о работе этой системы? Попытаемся ответить на этот вопрос в нашей статье.
История вопроса
Слой клеток, выстилающий все кровеносные и лимфатические сосуды, а также сердечные полости, впервые описал в 1847 г. Т. Шванн как «отчетливо различимую мембрану», которую спустя 18 лет В. Гис назвал эндотелием. В сравнительно крупных сосудах (артериях и венах) этот слой служит барьером между кровью и гладкомышечными клетками, а стенки мельчайших сосудов, капилляров, целиком построены из эндотелиальных клеток. Их общее количество очень велико: в теле взрослого человека суммарная масса превышает 1 кг!
В 50–60-х годах XX в. ученые, вооружившись электронным микроскопом, в деталях описали строение эндотелия, однако его роль в регуляции функций сердечно-сосудистой системы оставалась неясной. Вплоть до 1980 г. эндотелий считался лишь селективно проницаемым барьером между кровью и сосудистой стенкой, хотя уже в то время было известно, что он способен выделять вещества, препятствующие свертыванию крови.
Начало современным представлениям о функциях эндотелия было положено в 1980 г., когда Р. Фарчготт и Дж. Завадски обратили внимание на его роль в регуляции тонуса сосудов [1]. В элегантных экспериментах исследователи доказали, что такое вещество, как ацетилхолин, вызывает расслабление препаратов аорты, изолированных из организма кролика, только при наличии эндотелия. Это наблюдение оказалось столь важным, что впоследствии Фарчготт стал одним из лауреатов Нобелевской премии (1998). В наше время зависимая от эндотелия реакция сосудов в ответ на ацетилхолин и другие вещества описана в огромном количестве научных работ, выполненных на самых различных артериальных сосудах — не только крупных, но и мелких, регулирующих кровоснабжение органов (рис. 1).
Рис. 1. Кривые, иллюстрирующие эксперименты на двух сегментах мелкой артерии, приносящей кровь к коже задней конечности мыши. Как и в опытах Фарчготта и Завадски [1], препараты предварительно сокращали норадреналином, а затем добавляли ацетилхолин. Видно, что норадреналин вызывает сокращение сосудов вне зависимости от наличия эндотелия. Однако добавление ацетилхолина приводит к расслаблению сегмента только с интактным эндотелием, на сегмент же с поврежденным эндотелием оно влияния не оказывает
К 1986 г. выяснилось, что расслабление гладкой мышцы сосудов вызывает именно оксид азота (NO), который выделяется из эндотелия под действием ацетилхолина. Как же за такое короткое время (всего шесть лет) удалось вычленить NO из длинного ряда других претендентов на роль посредника между эндотелием и гладкой мышцей сосудов? Дело в том, что еще за 10 лет до знаменитой работы Фарчготта и Завадски было изучено сосудорасширяющее действие NO. Ведь к тому времени уже 100 лет нитроглицерином (он служит источником молекул NO) лечили стенокардию, возникающую из-за спазмов сосудов сердца. Идентичность эндотелиального расслабляющего фактора и NO установили и по таким показателям, как чрезвычайная нестабильность (особенно в присутствии активных форм кислорода), инактивация при взаимодействии с гемоглобином и родственными белками, а также способность вызывать сходные биохимические изменения в гладкомышечных клетках сосудов.
Кроме оксида азота в клетках эндотелия синтезируются и другие вещества, влияющие на тонус сосудов, кровоснабжение тканей и артериальное давление [3]. Так, помощниками NO в расслаблении сосудов могут быть простациклин (простагландин I2) и эндотелиальный гиперполяризующий фактор. Доля их участия зависит от пола и вида животного, типа сосудистого русла и размеров сосуда. Например, действие NO сильнее проявляется в сравнительно крупных сосудах, а гиперполяризующего фактора — в более мелких.
В эндотелии образуются не только сосудорасширяющие вещества, но и сосудосуживающие: некоторые простагландины, тромбоксан, пептиды эндотелин-1 и ангиотензин II, супероксиданион. В здоровом организме секреторная активность эндотелия направлена на продукцию сосудорасширяющих факторов. Но при различных заболеваниях (системной или легочной гипертензии, ишемии миокарда, сахарном диабете и т. д.) или в здоровом организме при старении секреторный фенотип эндотелия может меняться в сторону сосудосуживающих влияний [3].
Несмотря на многообразие регуляторных механизмов, зависимых от эндотелия, его нормальную функцию чаще всего связывают со способностью секретировать NO. Когда при заболеваниях эндотелий изменяет свои свойства, врачи называют такое состояние дисфункцией эндотелия, подразумевая при этом уменьшение продукции NO. В связи с такой важностью NO мы рассмотрим современные представления о его регуляторной роли, сначала в норме, а затем при некоторых формах сосудистой патологии.
Синтез и регуляция NO в эндотелии
В природе синтез оксида азота может протекать по различным путям. Так, в тропосфере он образуется из O2 и N2 под действием грозовых разрядов, в растениях — благодаря фотохимической реакции между NO2 и каротиноидами, а в организме животных — при взаимодействии нитритов и нитратов с белками, содержащими атомы металлов (например, с гемоглобином). Все перечисленные реакции идут без участия биологических катализаторов — белков-ферментов, поэтому контролировать скорость сравнительно трудно. Однако в организме животных основное количество NO как регулятора физиологических процессов образуется под действием специальных ферментов NO-синтаз (NOS), а источником атома азота служит аминокислота L-аргинин [4, 5].
Существует несколько разновидностей (изоформ) NO-синтаз, которые кодируются разными генами. В 1990 г. из мозга крысы выделили нейрональную форму фермента (nNOS). Чуть позже в клетках иммунной системы (макрофагах) обнаружили индуцибельную NOS (iNOS), а в эндотелии — эндотелиальную NOS (eNOS). Еще одна изоформа NOS локализуется в митохондриях, она регулирует процессы клеточного дыхания. Поскольку в синтезе NO участвует большое число кофакторов, все изоформы фермента имеют для них специфические участки связывания. Каждая молекула NOS состоит из двух одинаковых половинок. Для их объединения в димер необходим кофактор тетрагидробиоптерин. При его недостатке eNOS переключается на продукцию активных форм кислорода (супероксид-аниона и Н2О2), что может приводить к повреждению эндотелия и других клеток сосудистой стенки.
Две изоформы фермента — eNOS и nNOS — называют конститутивными, потому что они всегда присутствуют в клетках и синтезируют NO в относительно небольших (по сравнению с iNOS) количествах, причем активность этих изоформ регулируется физиологическими стимулами. В отличие от них, iNOS постоянно синтезируется лишь в некоторых клетках, например в макрофагах, а в эндотелиальных, нервных и многих других появляется лишь в ответ на внешние, в основном воспалительные, стимулы (например, элементы клеточных стенок бактерий — бактериальные липополисахариды). Активная iNOS продуцирует NO в 1000 раз быстрее, чем eNOS и nNOS. Макрофаги используют такие большие количества NO для умерщвления возбудителей перед тем, как их уничтожить.
Таким образом, основная NO-синтаза в сосудистой стенке — eNOS, и содержится она преимущественно в эндотелии. Транскрипцию гена eNOS в гладкомышечных клетках предотвращают специальные механизмы, например метилирование «стартового» участка. Синтаза связывается с наружной мембраной эндотелиальной клетки в особых впячиваниях, кавеолах, где сосредоточено большое количество регуляторных молекул (различных ионных каналов и рецепторов). Такая «фиксация» фермента обеспечивает его функциональную связь с рецепторами и каналами, что облегчает регуляцию активности eNOS. В кавеолах локализуется белок кавеолин, который тормозит активность фермента в отсутствие побуждающих стимулов.
Фосфорилирование по сайту Thr495 уменьшает активность фермента. Такое негативное влияние может усиливаться при некоторых патологических состояниях — окислительном стрессе, сахарном диабете и др. Напротив, при некоторых нормальных физиологических воздействиях фосфат удаляется (т. е. происходит дефосфорилирование Thr495), благодаря чему повышается сродство eNOS к Са 2+ и, следовательно, увеличивается ее активность. Таким образом, интенсивность работы eNOS в эндотелиальных клетках может динамично регулироваться уровнем Са 2+ и фосфорилированием / дефосфорилированием под действием разных протеинкиназ. Это в конечном счете обеспечивает тонкую регуляцию синтеза оксида азота и, соответственно, его физиологических эффектов на сердечно-сосудистую систему.
Механизмы расслабления гладкомышечных клеток
Каким же образом NO, секретируемый эндотелиальными клетками, вызывает расширение сосудов? Сокращение всех типов мышечных клеток обеспечивается взаимодействием двух белков — актина и миозина, причем моторная активность последнего в гладкомышечных клетках проявляется только после его фосфорилирования. Это подразумевает наличие большого числа регуляторных механизмов, влияющих на сократительную активность гладкомышечной клетки, к числу которых относится и оксид азота [7].
Протеинкиназа G активирует некоторые типы калиевых каналов, что вызывает гиперполяризацию (сдвиг мембранного потенциала в сторону более отрицательных значений) гладкомышечных клеток, закрывает управляемые потенциалом кальциевые каналы наружной мембраны и тем уменьшает вход Ca 2+ в клетку. Кроме того, этот фермент в активном состоянии подавляет выброс Са 2+ из внутриклеточных депо, а также способствует его удалению из цитоплазмы. Это тоже уменьшает концентрацию Са 2+ и расслабляет гладкие мышцы.
Физиологическая регуляция продукции NO
Рис. 3. Схема влияния фосфорилирования молекул eNOS на активность этого фермента. Под действием нормальных стимулов (напряжения сдвига, многих гормонов, физиологической гипоксии и др.) такие протеинкиназы, как Akt, АМФ-активируемая (АМПК) и протеинкиназа А (ПКА), осуществляют фосфорилирование по серину-1177 (Ser117; левая часть схемы). В результате эндотелиальная NO-синтаза активируется, что приводит к синтезу NO. С другой стороны, гипергликемиия, активные формы кислорода, окисленные липопротеиды или медиаторы воспаления действуют на протеинкиназу С (ПКС), которая фосфорилирует треонин-495 (Thr495). При этом активность eNOS уменьшается, а следовательно, сокращается и продукция оксида азота. Таким образом, интенсивность работы eNOS в эндотелиальных клетках может регулироваться разными протеинкиназами
Важную роль в чувствительности эндотелия к напряжению сдвига играет гликокаликс. Это покрывающий клетки слой полимерных молекул углеводной природы, толщина которого может составлять несколько микрометров и даже превышать толщину самого эндотелия [8]. Поскольку «кустики» гликопротеидов растут внутрь просвета сосуда, именно они в первую очередь испытывают действие потока крови. Деформируясь, волокна гликокаликса передают сигнал мембранным белкам и далее — eNOS. Хотя этот механизм пока изучен мало, о его важности говорит тот факт, что нарушение реакции сосудов на напряжение сдвига при различных заболеваниях (атеросклерозе, сахарном диабете и др.) сопряжено с «облысением» эндотелия, т. е. с уменьшением толщины и изменением структуры гликокаликса.
Повышение скорости кровотока ведет к активации эндотелиальной NO-синтазы и к расширению сосудов, а подобные длительные или многократные воздействия увеличивают содержание этого фермента в эндотелии. На этом основано благотворное влияние физических упражнений: известно, что с помощью тренировки можно значительно улучшить работу эндотелия без применения лекарств! Однако следует отметить, что такое полезное влияние оказывают не любые упражнения. Во-первых, нагрузка должна сопровождаться повышением скорости кровотока в работающих мышцах, как это происходит при быстрой ходьбе, беге или езде на велосипеде, а силовые упражнения с гирями такого влияния не оказывают. Во-вторых, нельзя тренироваться через силу: при чрезмерных нагрузках резко повышается секреция основного гормона стресса, кортизола, который снижает активность eNOS.
Дополнительную активацию эндотелиальной NO-синтазы при физической нагрузке обеспечивает протеинкиназа, активируемая аденозинмонофосфатом (АМФ), которая содержится почти во всех клетках нашего организма, в том числе и в эндотелиальных. Этот фермент называют «сенсором энергетического статуса клеток», потому что он активируется, когда в цитоплазме клетки повышается отношение АМФ / АТФ, т. е. расход энергии начинает превышать ее образование. В эндотелии артерий, расположенных внутри интенсивно сокращающихся скелетных мышц, это может происходить в результате гипоксии — мышечные клетки потребляют много О2, и его не хватает эндотелию сосудов. Кроме того, недавно было показано, что активация этой протеинкиназы в эндотелиальных клетках возможна при увеличении напряжения сдвига, т. е. при усилении притока крови к работающим мышцам. Активированная протеинкиназа фосфорилирует eNOS по сайту Ser1177, продукция NO увеличивается и сосуды расширяются.
Врачи-кардиологи хорошо знают, что путем регулярных физических тренировок можно улучшить функцию эндотелия не только в скелетных мышцах и сердце, которые при работе интенсивно снабжаются кровью, но и в органах, напрямую не задействованных в тренировке, — в головном мозге, коже и т. д. Это говорит о том, что помимо влияния потока крови на эндотелий имеются и другие механизмы регуляции эндотелиальной NO-синтазы. Среди них ведущая роль принадлежит гормонам, которые продуцируются железами внутренней секреции, транспортируются кровью и распознают клетки-мишени в различных органах по наличию специальных белков-рецепторов [9].
Из гормонов, которые могут влиять на функцию эндотелия при физической нагрузке, отметим гормон роста (соматотропный гормон), который секретируется гипофизом. Как сам по себе, так и через свои посредники, инсулин-подобные факторы роста, гормон роста увеличивает образование эндотелиальной NO-синтазы и ее активность.
Наиболее известный пример гормональной регуляции функций эндотелия — это влияние женских половых гормонов, эстрогенов. Исходно такое представление сформировалось благодаря эпидемиологическим наблюдениям, когда выяснилось, что по какой-то причине женщины детородного возраста по сравнению с мужчинами меньше страдают от сосудистых нарушений, связанных с дисфункцией эндотелия. Более того, у женщин его способность продуцировать NO меняется в течение менструального цикла, причем в первой половине, когда концентрация эстрогенов в крови высокая, расширение сосудов, зависимое от эндотелия, более выражено. Эти наблюдения послужили толчком к проведению многочисленных экспериментов на животных. Так, удаление яичников у самок крыс уменьшало содержание и активность эндотелиальной NO-синтазы в артериях разных органов (головного мозга, сердца, скелетных мышц, почек, кишечника и др.), а введение таким самкам эстрогенов способствовало нормализации нарушенной функции. Влияние эстрогенов на активность eNOS связано с активацией протеинкиназы Akt, а повышение синтеза eNOS — с их воздействием на геном эндотелиальных клеток.
Интересно, что нарушение реакций артерий мозга обнаружили и в экспериментах с удалением половых желез у самцов, хотя семенники секретируют не эстрогены, а андрогены, мужские половые гормоны. Этот парадокс стал понятным, когда в эндотелии артерий мозга обнаружили ароматазу — фермент, превращающий андрогены в эстрогены. Таким образом, защитное влияние эстрогенов на эндотелий сосудов может иметь место и у особей мужского пола. Однако в данном случае следует говорить о локальной регуляции, которая обеспечивается эстрогенами, образующимися непосредственно в сосудистой стенке.
Известно, что гормоны щитовидной железы играют ключевую роль в дифференцировке тканей в развивающемся организме. Но их влияние не сводится лишь к ускорению или замедлению протекающих процессов, а зачастую имеет программирующий характер. Это означает, что при недостатке гормонов щитовидной железы в определенном критическом возрасте клетки не смогут превратиться в полноценно функционирующие, даже если вводить гормоны на последующих этапах жизни (у человека гормональная терапия эффективна лишь в течение первых месяцев после рождения). Механизмы программирующего влияния гормонов щитовидной железы подробно изучены лишь для нервной системы, а для остальных систем — значительно хуже. Вместе с тем хорошо известно, что гипотиреоз у матери во время беременности служит, помимо прочего, фактором риска развития у ребенка сердечно-сосудистых заболеваний. Интересно, что в артериях детенышей крыс в первые недели после рождения выявляются повышенные уровни рецепторов тиреоидных гормонов, а также фермента дейодиназы, который превращает тироксин (тетрайодтиронин) в более активный трийодтиронин. На основании этих наблюдений заманчиво предположить, что гормоны щитовидной железы могут оказывать программирующее влияние и на эндотелий сосудов. Насколько это верно, покажут будущие исследования.
Механизмы нарушения секреции NO эндотелием
К сожалению, возможности эндотелия наших сосудов обеспечивать продукцию NO не безграничны. Активность регуляторных систем организма высока в молодом и зрелом возрасте, но снижается при старении под влиянием целого ряда факторов. Во-первых, лишь немногие пожилые люди могут примерить к себе высказывание древнегреческого философа Аристотеля: «Жизнь требует движения». Во-вторых, с возрастом угасает деятельность многих гормональных систем: снижается секреция гормона роста и половых гормонов, «засыпает» щитовидная железа. В-третьих, происходят изменения в метаболизме всех клеток. В частности, энергетические станции клетки, митохондрии, начинают в большом количестве продуцировать активные формы кислорода, которые инактивируют NO, а также подавляют активность и снижают содержание эндотелиальной NO-синтазы. Видимо, возрастные изменения эндотелия нельзя предотвратить, но их можно замедлить, увеличивая подвижность, ограничив потребление высококалорийной пищи (это также повышает активность протеинкиназы, активируемой АМФ), используя заместительную гормональную терапию (например, у женщин после наступления менопаузы) или антиоксиданты, разработка которых была и остается приоритетным направлением геронтологии [10].
Почему же синтез NO в эндотелии сосудов нарушается при различных патологиях? Здесь возможны два типа изменений: быстрые (снижение активности NO-синтазы в эндотелии), и долговременные — уменьшение ее содержания в клетках. Мы не будем рассматривать различные заболевания в отдельности, а перечислим общие для них механизмы зловредного влияния на работу eNOS. Снижение активности этого фермента при заболеваниях, как правило, связано с повышением его фосфорилирования по сайту Thr495, обусловленным увеличением активности протеинкиназы С. Ее мощный активатор — диацилглицерол. В норме он — вторичный посредник в передаче сигнала от многих мембранных рецепторов [6], но его чрезмерное накопление в эндотелиальных клетках ведет к патологии.
Ярким примером подобных изменений может быть такое заболевание, как сахарный диабет, при котором нарушение синтеза или же действия инсулина на клетки приводит к повышенной концентрации глюкозы в крови [11]. Поскольку транспорт глюкозы в эндотелий не регулируется инсулином (в отличие от клеток скелетных мышц, сердца, жировой ткани и некоторых других), сахар там накапливается и становится субстратом для синтеза диацилглицерола, который и активирует протеинкиназу С.
Маркером многих сердечно-сосудистых патологий служит уже упоминавшийся окислительный стресс. Повышенное образование активных форм кислорода характерно и для сахарного диабета, и для атеросклероза, и для многих форм артериальной гипертензии. При этих состояниях часто наблюдается высокая активность ренин-ангиотензиновой системы, а ангиотензин II — мощный провокатор окислительного стресса, который, с одной стороны, снижает активность eNOS (например, окисленные липопротеиды низкой плотности могут активировать протеинкиназу С), а с другой, уменьшает экспрессию гена eNOS, что также сокращает продукцию NO. Применение антиоксидантов или веществ, препятствующих образованию или действию ангиотензина II (ингибиторов ангиотензин-превращающего фермента или блокаторов ангиотензина II), почти всегда усиливает образование NO. Надо сказать, что уменьшение продукции оксида азота при заболеваниях может быть связано не только с прямым влиянием на eNOS. Так, действие глюкокортикоидов на эндотелий снижает содержание не только самого фермента, но и его кофактора, тетрагидробиоптерина.
Нарушение работы эндотелиальной NO-синтазы может быть связано с недостатком ее основного субстрата — L-аргинина. Как правило, эта аминокислота поступает в организм с пищей в достаточном количестве и, кроме того, может непосредственно синтезироваться во взрослом организме. Однако аргинин помимо NO-синтаз служит субстратом для многих других ферментов, в частности аргиназы, которая располагается в различных типах клеток, в том числе и в эндотелии сосудов. При сахарном диабете, окислительном стрессе, а также при воспалительных процессах под действием секретируемых клетками иммунной системы цитокинов (фактора некроза опухоли и др.) содержание аргиназы в эндотелии повышается.
Наконец, в организме людей и других животных могут появляться ингибиторы эндотелиальной NO-синтазы, например диметиларгинин. Этот «ложный субстрат» эндотелиальной NO-синтазы конкурирует с истинным субстратом, L-аргинином, за активный центр фермента. В норме диметиларгинин образуется в организме лишь в небольших количествах (у взрослого человека
60 мг/сут), однако при самых различных патологиях кровообращения (артериальной гипертензии, атеросклерозе, коронарной недостаточности и т. д.) его продукция существенно растет, а активность эндотелиальной NO-синтазы, соответственно, снижается.
Итак, оксид азота — это важный регуляторный фактор, посредством которого эндотелий оказывает расслабляющее действие на соседствующие с ним гладкомышечные клетки, вызывая расширение сосудов и сглаживая нежелательные повышения артериального давления на системном уровне. Пока эндотелий сохраняет способность секретировать NO в достаточном для решения этих задач количестве, о состоянии сосудистой системы можно не беспокоиться.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект НК 14-04-31377 мол-а.
Литература
1. Furchgott R. F., Zawadzki J. V. The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine // Nature. 1980. V. 288. P. 373–376.
2. Мелькумянц А. М., Балашов С. А. Механочувствительность артериального эндотелия. Тверь, 2005.
3. Медведева Н. А., Гаврилова С. А., Графов М. А. и др. Секреторная функция эндотелия как фактор регуляции сосудистого тонуса в норме и при патологии сердечно-сосудистой системы // Росс. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2001. Т. 87. № 11. С. 1518–1526.
4. Ванин А. Ф. Оксид азота — регулятор клеточного метаболизма // Соросовский образовательный журн. 2001. № 11. С. 7–12.
5. Bruckdorfer R. The basics about nitric oxide // Mol. Aspects Med. 2005. V. 26. № 1–2. P. 3–31.
6. Балезина О. П. Многоликий кальций // Природа. 2012. № 9. С. 14–21.
7. Гайнуллина Д. К., Кирюхина О. О., Тарасова О. С. Оксид азота в эндотелии сосудов: ругуляция продукции и механизмы действия // Успехи физиол. наук. 2013. Т. 44. № 4. С. 88–102.
8. Мелькумянц А. М. О роли эндотелиального гликокаликса в механогенной регуляции сопротивления артериальных сосудов // Успехи физиол. наук. 2012. Т. 43. № 4. С. 45–58.
9. Duckles S. P., Miller V. M. Hormonal modulation of endothelial NO production // Pflugers Arch. 2010. V. 459. P. 841–851.
10. Скулачев В. П. Попытка биохимиков атаковать проблему старения: «Мегапроект» по проникающим ионам. Первые итоги и перспективы // Биохимия. 2007. Т. 72. № 12. С. 1572–1586.
11. Болеева Г. С., Мочалов С. В., Тарасова О. С. Функциональные изменения артериальных сосудов при экспериментальном сахарном диабете 1 типа // Успехи физиол. наук. 2014. Т. 45. № 2. С. 20–36.
* Кальцитонин-ген-родственный пептид (Calcitonin Gene Related Peptide) образуется из того же гена, что и кальцитонин, при альтернативном мРНК-сплайсинге в мозге и периферической нервной системе.
** Номера остатков приведены в соответствии с расположением в молекуле eNOS человека.