Фізіологічна роль оксиду азоту в організмі Оксид азоту, Enliven, Nitro FX- Екстракт Ноні

1. The Physiological Role Of Nitric Oxide In Organism
2. Біохімія і властивості оксиду азоту
3. Біологічна дія і фізіологічна роль оксиду азоту

На головну

Фізіологічна роль оксиду азоту в організмі

The Physiological Role Of Nitric Oxide In Organism

Оксид азоту (NO) є одним з найбільш важливих біологічних медіаторів, який залучений в безліч фізіологічних і патофізіологічних процесів. Він являє собою унікальний за своєю природою і механізмам дії вторинний месенджер в більшості клітин організму. Зокрема, оксид азоту бере участь в реалізації багатьох важливих фізіологічних функцій, таких як вазодилатація, нейротрансмісію, зниження агрегації тромбоцитів, реакції імунної системи, регуляція тонусу гладких м'язів, стан пам'яті і ін., А також деяких патологічних процесів [20,22,24, 36]. Важлива роль оксиду азоту в численних біологічних процесах в організмі стала підставою для того, щоб назвати NO в 1991 році Молекулою Року [7,18].

У 1980 р Furchgott і Zawadzki вперше описали релаксацію шматочків аорти з інтактним ендотелієм у відповідь на ацетилхолін (АХ). Це свідчило про присутність речовини, що виділяється ендотеліальними клітинами і впливає на міоцити. Речовина була названа ендотелій-залежним релаксирующим фактором (EDRF) [10]. Було показано, що EDRF за допомогою активації розчинної гуанілатциклази (ГЦ) і подальшого синтезу вторинного месенджера циклічного гуанозинмонофосфату (цГМФ) викликає розслаблення гладкої мускулатури судин [10]. Пізніше Palmer et al. [28] ідентифікували EDRF як NO, який продукується ендотеліальними клітинами.

Біохімія і властивості оксиду азоту

Терміном «оксид азоту» (або «окис азоту») позначається відновлена ​​форма моноокиси азоту (NO) з періодом напіврозпаду від 2 до 30 з [20,21]. NO є розчинний у воді і жирах безбарвний газ з унікальними фізіологічними властивостями. У хімічному відношенні NO являє собою маленьку ліпофільную молекулу, що складається з одного атома азоту і одного атома кисню і має непарний електрон, що перетворює її в високо реактивний радикал, вільно проникає через біологічні мембрани і легко вступає в реакції з іншими сполуками [20,21] .

В організмі NO синтезується клітинами з амінокислоти L-аргінін [25,39]. Цей процес являє собою комплексну окислительную реакцію, каталізується ферментом NO-синтази (NOS), яка приєднує молекулярний кисень до кінцевого атома азоту в гуанідинового групі L-аргініну (рис.1).

В даний час ідентифіковано три ізоформи NOS, які названі згідно з тим типом клітин, де вони були вперше виявлені [8]: NOS-1 - нейрональная (nNOS) або мозкова (bNOS); NOS-2 - індуцібельная (iNOS) або макрофагальна (mNOS); NOS-3 - ендотеліальна (eNOS). Ізоформи NOS є продуктами різних генів. Ген першої з них розташований в 7-й, другий - в 12-й і третій - в 17-й хромосомах [1].

Хоча все ізоформи NOS каталізують освіту NO, кожна з них має свої особливості як у механізмах дії і локалізації, так і в біологічному значенні для організму. Тому зазначені ізоформи прийнято також поділяти на конститутивний (cNOS) і індуцібельная (iNOS) синтези оксиду азоту.

Конститутивна NOS (cNOS), яка включає дві ізоформи (NOS-1 і NOS-3), постійно знаходиться в цитоплазмі (тобто є інгредіентному), залежить від концентрації кальцію і кальмодулина, а також сприяє виділенню невеликої кількості NO на короткий період у відповідь на рецепторну і фізичну стимуляцію. Фермент істотно інактивується при низьких концентраціях вільного кальцію і максимально активний при його вмісті близько 1 мМ. NO, що утворюється під впливом cNOS, діє як переносник в ряді фізіологічних відповідей [8,26,39].

Що стосується особливостей локалізації, то nNOS, як було встановлено, у великій кількості присутній в нейронах, ендотеліальних клітинах, в тому числі ендотелії еферентної артеріоли нирок, в тромбоцитах, macula densa, в незначній кількості в товстій висхідній частині петлі Генле і інших тубулярних сегментах і , можливо, в низхідній vasa recta, а також в мозковому шарі надниркових залоз, скелетних м'язах і ін. [3,16]. eNOS локалізується в великих кількостях в ендотелії і, зокрема, в тромбоцитах, інтерлобулярних і афферентной артериолах, еферентної артеріоли, можливо, в низхідній vasa recta, а також в гломерулах, мезангіальних клітинах і ін. [3, 8].

Хоча eNOS є мембранно-пов'язаної, а nNOS - цитозольних, механізм їх дії схожий і полягає в наступному. Ca2 + під впливом певних стимулів (ацетилхолін, гістамін, 5-оксіптріптамін, глутамат і ін.) Входить в клітку, де зв'язується в єдиний комплекс з кальмодулином в цитоплазмі. Комплекс Ca-кальмодулін виступає як кофактор і активує NOS. Під впливом інгредіентному NOS утворюються дуже малі кількості NO, які вимірюються пікомоль [35], але, що продукується під впливом цих ізоформ NOS, здійснює, головним чином, місцеву регуляцію, діючи в стандартних умовах. NO активує клітинний фермент гуанілатциклазу (ГЦ), що призводить до утворення циклічного гуанозіна моно фосфату (цГМФ), який і опосередковує всі ефекти NO. Будучи ліпофільній молекулою, NO легко дифундує через клітинні мембрани і проникає в сусідні клітини (наприклад, з ендотеліальних в міоцити судин), де утворюється цГМФ знижує рівень вільного Ca і активує киназу легкого ланцюга міозину, викликаючи дилатацію судини.

NO може також активувати натрій-калієвий насос зовнішньої клітинної мембрани, що призводить до її гіперполяризації. Саме цей механізм призводить до дилатації судини при збільшенні потоку крові і напруги (наприклад, пульсового) судинної стінки.

NO, що продукується під впливом nNOS і eNOS, при деяких формах патології, поряд з регуляторним, надає і протективное (захисне) дію.

Індуцібельная NOS, яка представлена ​​NOS-2, з'являється в клітинах тільки після індукції їх бактеріальними ендотоксинами і деякими медіаторами запалення. Зокрема, цей процес може провокуватися бактеріальними ліпополісахаридів, деякими ендотоксинами і цитокінами, такими як інтерлейкін-1, інтерлейкін-2, g-інтерферон, фактор некрозу пухлини та ін. [4,13,27].

У клітинах, що знаходяться в спокої, iNOS зазвичай не визначається, але після індукції з'являється в макрофагах, нейтрофілах, мезангії, клітинах епітелію канальців нирки, ендотелії афферентной артеріоли і інших ниркових судин, в клітинах капсули клубочка, м'язових клітинах судинної стінки, серця, матки, шлунково-кишкового тракту, сечостатевої системи, в купферовских клітинах, гепатоцитах, клітинах макро- і мікроглії та ін. Функціональна активність її не залежить від надходження іонів Са2 + в клітину, тому вона називається кальцій-незалежної, а активація я супроводжується підвищенням генної транскрипції [4,8,13,27].

Кількість NO, що утворюється під впливом iNOS, може варіювати і досягати великих цифр (наномоль). При цьому продукція NO зберігається довше. Саме iNOS і утворюється під її впливом NO відіграють головну роль в придушенні активності бактеріальних і пухлинних клітин шляхом блокування деяких їх ферментів, в розвитку артеріальної гіпертензії, порушення процесів перекисного окислення ліпідів, в розвитку і підтримці інших патологічних процесів, особливо в нирці [14].

В синтез NO за допомогою NOS включаються, по крайней мере, шість найважливіших кофакторов: нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат (НАДФ-Н), флавінаденіндінуклеотід (ФАД), флавинмононуклеотид (ФМН), тетрагідробіоптеріна, гем- і кальмодулін. NO може вступати в реакцію з гемической групою гемоглобіну, як і з іншими гемсодержащих протеїнами і ферментами, утворюючи при цьому метгемоглобін, який можна розглядати як транспортну форму оксиду азоту [15,26].

Біологічна активність NO стимулюється деякими агоністами, включаючи L-аргінін, АХ, брадикінін та ін. [14]. Але синтез NO є регульованим процесом і може гальмуватися різними аналогами L-аргініну, які є конкурентними інгібіторами NOS. При цьому N-омега-ціклопоріл-L-аргінін є селективним інгібітором cNOS, в той час як аміногуанідин - iNOS [2]. Деякі інші аналоги L-аргініну, такі як N-монометил-L-аргінін (L-NMMA), N-нітро-L-аргінінметіловий ефір (L-NAME), N-нітро-L-аргінін (L-NNA) здатні гальмувати вироблення NO обома ферментами [33]. Вироблення NO може також сповільнюватися або припинятися під впливом гемопротеинов, метиленового блакитного, супероксид радикалів, етанолу, глюкокортикостероїдів, індометацину [2].

Особливе значення в розгляді фізіологічної ролі NO має питання регуляції активності NO-синтази. Конститутивні (інгредіентному) форми NOS (eNOS і nNOS) регулюються рівнем внутрішньоклітинного Ca. Позаклітинні гормони і інші агенти, взаємодіючи з поверхневими клітинними рецепторами, відкривають кальцієві канали, і Ca проникає всередину, де в комплексі з кальмодулином активує NOS. Пов'язаний з NOS кальмодулин сприяє передачі електрона з НАДФ-Н на флавопротєїновим домен NOS і далі з Флавіна на гемов домен NOS. Цей електрон необхідний для активації заліза гемового домену, після чого залізо зв'язує кисень, який реагує з L-аргініном з утворенням NO і цитруллина. Очевидно, що наявність всіх перерахованих компонентів, також як і їх недостатність, важливі для регуляції синтезу NO конститутивним формами NOS.

Кліренс NO відбувається шляхом утворення нітритів і нітратів, а цГМФ метаболізується до гуанозіна (рис. 1). У кліренс NO можуть бути залучені проміжні ступені, пов'язані з гемоглобіном або зі взаємодією супероксида з утворенням пероксінітріта.

Біологічна дія і фізіологічна роль оксиду азоту

Характерною особливістю NO є його здатність швидко дифундувати через мембрану синтезувала його клітини в міжклітинний простір і також легко (не потребуючи рецепторах) проникати в клітини-мішені. Усередині клітини він активує одні ензими і пригнічує інші. Однією з важливих мішеней NO є внутрішньоклітинна розчинна ГЦ [20,21]. Активація цього ензиму супроводжується утворенням цГМФ, під впливом якого відбувається релаксація гладких волокон судинної стінки ( Мал. 2 ). Цьому сприяє пряма активація К + каналів [30]. Базальний тонус судин визначається виразністю тонічного напруги розташованих в їх стінці гладком'язових волокон. Активний вазоконстрикторний тонус цих м'язів визначається впливом адренергической системи, головне ядро ​​якої розташоване в ромбовидної ямці [5]. Крім вазоконстрикторної тонусу, судини мають здатність до активної вазодилатації, яка обумовлена ​​секрецією NO його синтазою, розташованої в клітинах судинного ендотелію [20,21].

Узагальнюючи результати проведених раніше досліджень, можна сказати, що в кожен момент часу тонус судин, а отже і рівень артеріального тиску, визначається балансом вазоконстрікторних і вазодилататорних впливів на гладкі м'язи судинної стінки [5,23,36].

Необхідно звернути увагу, що для дії таких вазодилататорів як ацетилхолін, гістамін, брадикінін, серотонін, адениновую нуклеотиди і деяких інших чинників необхідною умовою є збереження цілісності ендотелію судин. Тому вони отримали назву «ендотелій-залежні вазодилататори». Стимуляція ендотелію цією групою речовин призводить до вироблення NO, який, диффундируя до гладком'язових клітин, викликає розширення судини через освіту цГМФ (рис. 2) [30]. Такий процес має місце в фізіологічних умовах, коли виділяються локально невеликі кількості NO швидко інактивуються оксидной реакцією, переходячи в нітрит (NO2-) або нітрат (NO3-), кожен з яких не є вазодилататором.

NO по суті є локальним тканинним гормоном, що підтримує активну вазодилатацию, і одним з основних факторів, що регулюють кровотік і контролюючих базальное артеріальний тиск [6,38].

У серці NO, що виділяється ендотеліальними клітинами, через підвищення внутрішньоклітинної концентрації цГМФ забезпечує контрактільную функцію міокарда, посилюючи релаксацію шлуночків і збільшуючи диастолическую розтяжність [29]. Показано також, що NO, який утворюється всередині кардіоміоцитів, є надзвичайно важливим в здійсненні b -адренергіческогоінотропного і хронотропної відповідей [30].

Давно відомо, що ендотеліальні клітини впливають на процеси коагуляції і тромбозу, але тільки недавно з'ясувалося, що цей процес залежить від NO. Встановлено, що ендотеліальні клітини за допомогою секреції NO підвищують внутрішньоклітинний рівень цГМФ в тромбоцитах, що сприяє ингибиции їх адгезії і агрегації [31]. Причому цей процес здійснюється за принципом негативного зворотного зв'язку, оскільки тромбоцити також мають здатність до синтезу NO і можуть активувати агрегацію.

NO також має здатність пригнічувати адгезію лейкоцитів до стінки судин і впливати на вироблення факторів росту, а також надає антімітогенное і антипроліферативну дію [14,30].

Ще один дуже важливий аспект фізіологічної ролі NO пов'язаний з його біологічними властивостями як нейротрансмітера, що обумовлено тривалістю життя NO і здатністю дифундувати від місця синтезу на 100 мкм [32]. NO широко представлений як в центральній, так і в периферичної нервової системи. Він виділяється в постсинаптичних нейронах під впливом нейротрансмітерів, з яких найбільш вивчений глутамат [41]. Відомо, що глутамат, який синтезується пресинаптичними нейронами, стимулює N-метил-D-аспартат-рецептори (NMDA-рецептори) постсинаптических нейронів, активація яких сприяє підвищенню внутрішньоклітинної концентрації Ca2 + і в подальшому - посилення активності nNOS, що в кінцевому підсумку призводить до підвищення синтезу NO [41]. NO специфічно не зв'язується з рецепторами постсинаптичної мембрани, як у випадках з класичними нейротрансмиттерами, але він дифундує в інші ділянки, включаючи пресинаптические нейрони (тобто діє як ретроградний месенджер) та інші суміжні нейрони і гліальні клітини (рис. 3). Вважають, що NO діє, ймовірно, як нейромодуляторов, швидше за опосредуя динамічну активність нейронів, а не надаючи прямий вплив на активність їх потенціалів [11].

Разом з тим встановлено, що NO може виступати в ролі нейротрансмітера, опосредуя ефекти так званих неадренергических-нехолинергических нейронів (NANC-нейрони), які, поряд з холін і норадренергическими провідниками автономної нервової системи, можуть представляти третій тип нервової системи [32]. Цей тип нейронів називають ще нітрінергіческімі, і вони описані в серце, травній системі і в дихальних шляхах, де вони іннервують як судинну, так і позасудинного гладку мускулатуру [32]. Стимуляція NANC-нейронів призводить до біосинтезу і виділення ними NO, який за допомогою цГМФ викликає, наприклад, бронходилатацию [2], глибоку релаксацію артеріальних судин, адаптивну релаксацію шлунка, гладких м'язів нижньої частини стравоходу і гладких м'язів дванадцятипалої кишки, а також циркулярної м'язи тонкої кишки , що забезпечує перистальтику і пересування харчових мас уздовж кишечника [12,17].

NO відіграє важливу роль в регуляції функцій легких і в патофізіології захворювань системи дихання. У легких NO проводиться під впливом cNOS в ендотеліальних клітинах легеневої артерії і вени, в інгібіторних неадренергических-нехолинергических нейронах. У ряді клітин, наявних в легких і здатних виробляти NO, включаючи макрофаги, нейтрофіли, гладкі клітини, ендотеліальні, гладеньких м'язів, епітеліальні клітини і, можливо, клітини інших типів, представлена ​​експресія iNOS. Пізніші дослідження показали, що в дихальних шляхах cNOS характеризується високою гомологичную до iNOS і присутній в епітеліальних клітинах [2].

Крім синтезу NO в ендотелії легеневих судин, NOS представлена ​​в епітелії повітроносних шляхів. Людський трахеальний, бронхіальний і бронхоальвеолярний епітелій НАДФ-Н-діафораза-реактивний, що є ідентичним cNOS. Вивчено стан НАДФ-Н-діафорази людського плоду в першій і другій половині вагітності. З'ясовано, що у плода в першій половині вагітності знижена активність ферменту в напрямку від більш великих (11-го порядку) до більш дрібним (16-го порядку) бронхіолах, що відповідає напрямку формування легких в онтогенезі. У плода в другій половині вагітності градієнт активності ферменту зростає від бронхіол 11-го порядку до бронхіолах 16-го порядку. Мабуть, у плода у віці 35-37 тижнів. підвищення активності cNOS в претермінальній бронхиолах, що відповідають за наповнюваність повітрям респіраторних відділів легені, пов'язане з підготовкою легких до функціонування [2].

У здорових дітей и дорослих в освіті ендогенного NO в основном беруть участь Верхні діхальні шляхи. При цьом в порожніні носа утворюється более 90% NO и 50-70% утворівся NO аутоінгаліруется и потрапляє в легені. Нижні діхальні шляхи такоже беруть участь в утворенні NO, но в повітрі з ніжніх діхальніх Шляхів Кількість газу значний менше, чем в повітрі, что находится в порожніні носа и рота [2]. Вважають, що виробляється конститутивно верхніми відділами дихальних шляхів NO необхідний для підтримки воздухопроводімості цього відділу легких.

Встановлено, що порушення продукції і / або руйнування NO має значення при виникненні гіперреактивності дихальних шляхів у патофізіології бронхіальної астми. Величезний інтерес до NO пов'язаний також з можливістю використання його в якості терапевтичного агента. У багатьох випадках інгаляції NO усувають легеневу вазоконстрикцію, пов'язану з гіпоксією, первинної легеневої гіпертонією, серцевими вадами, персистуючої гіпертонією новонароджених і респіраторним дистрес-синдромом. На відміну від інших відомих вазодилататорів, які можуть викликати системну гіпотонію, інгаляції NO не дають системного ефекту і покращують артеріальну оксигенацію. Інгаляції екзогенного NO можуть розглядатися в якості альтернативної терапії бронхоспазму [2].

Вплив NO на систему травлення вивчено менш докладно. Імуногістохімічними методами встановлено зміст NOS в нейронах сплетення Ауербаха [17]. Їх електрична стимуляція супроводжується секрецією NO і релаксацією кишечника, що може бути припинено призначенням інгібіторів NOS. Нейрони, що містять NOS, виявлені також в адвентиції судин шлунково-кишкового тракту. Це свідчить про те, що NO є нейротрансмиттером також в периферичних нервах шлунково-кишкового тракту [17].

Серед фізіологічних функцій NO щодо травної системи найбільш важливою є забезпечення моторної функції шлунково-кишкового тракту, а також регуляції надходження жовчі в кишечник [1,17]. Крім того, NO слід віднести до числа найбільш важливих факторів захисту слизової шлунка. Його вплив здійснюється шляхом впливу на кровопостачання слизової. Блокада NOS різко зменшує кровотік в судинах слизової. Побічно це позначається на функції шлунка, на здатності його слизової протистояти впливу на неї факторів агресії, на виникненні і загоєнні ерозій і виразок [1].

Як вже було зазначено, в різних відділах нирки представлені всі три ізоформи NOS і продукується з їх участю NO відіграє одну з ключових ролей її фізіології [3,9,35]. Як було нещодавно встановлено, NO є важливим регулятором ниркової гемодинаміки і гломерулярної фільтрації [34], пригнічує транспорт натрію і збільшує його екскрецію [37]. Більш детально роль NO в фізіології і патофізіології нирки в віковому аспекті буде висвітлена в спеціальному огляді.

Продукується в результаті активації iNOS NO перш за все призначений для захисту організму хазяїна, він сприяє зниженню активності прикордонних запальних клітин, загибелі мікроорганізмів і внутрішньоклітинних паразитів, гальмуючи агрегацію тромбоцитів і покращуючи місцевий кровообіг. У той же час, у вогнищі запалення накопичується продукт часткового відновлення кисню - супероксид, кількість якого при патологічних ситуаціях досягає 0,01-0,1 мМ. NO і супероксид-аніон піддаються швидкому радикал-радикальному взаємодії з утворенням медіатора окисного клітинного пошкодження-пероксінітріта. Пероксинітрит викликає пошкодження білків і ліпідів клітинних мембран, пошкоджує судинний ендотелій, збільшує агрегацію тромбоцитів, бере участь в процесах ендотоксемії, гострому легеневому пошкодженні при респіраторному дистрес-синдромі [2]. При цьому NO легко проходить через зовнішню і внутрішню мембрани клітин і, опинившись всередині клітини, він пошкоджує ДНК клітини-мішені шляхом її дезаминирования [40], а також ингибиции рібонуклеотідредуктази [19], яка регулює швидкість реплікації ДНК. Крім того, NO інактивує глицеральдегид-3-фосфатдегідрогенази, блокуючи цим гликолитический синтез АТФ, і пригнічує електронний транспорт в мітохондріях [20]. Це і пояснює її цитотоксичну дію на клітину-мішень. Отже, NO, надмірно накопичуючись в клітині, може викликати пошкодження ДНК і давати прозапальний ефект при ендотоксемії, септичному шоці, запальних захворюваннях легенів [2].

Таким чином, NO, що продукується різними изоформами NOS, надає надзвичайно важлива дія на численні фізіологічні процеси в організмі. При цьому дія iNOS проявляється в основному при патологічних ситуаціях, тому особливості функціонування та механізми регуляції цієї ізоформи, а також виділяється нею NO залежать від характеру патологічного процесу і ураженого органу. Очевидно, що подальше вивчення ролі NO в нормі і при патології призведе до поглиблення знань про патогенез хвороб, а звідси - до появи нових методів їх терапії.

на головну