Эндогенный газ оксид азота (II) играет множество различных ролей в биологических организмах.
Синтез эндогенного моноксида азота
Фермент синтаза оксида азота (NOS) синтезирует метастабильный свободный радикал оксид азота (II) (NO). Существует три изоформы белка этого фермента — эндотелиальная форма (eNOS, или NOS-3), нейрональная форма (nNOS, или NOS-1), и индуцируемая форма (iNOS, или NOS-2). Каждая из них выполняет свои физиологические функции. Нейрональная изоформа (NOS-1, nNOS) и эндотелиальная изоформа (NOS-3, eNOS) являются кальций-зависимыми и способны образовывать сравнительно небольшие количества оксида азота в качестве сигнальной молекулы (газотрансмиттера).
Индуцируемая изоформа синтазы оксида азота (iNOS, или NOS-2) является кальций-независимой и способна образовывать большие количества оксида азота, которые могут проявлять цитотоксическую, бактерицидную, противогрибковую и антипротозойную активность.
Синтаза оксида азота окисляет гуанидиновую группу L-аргинина в ходе процесса, который приводит к расходованию пяти электронов и образованию оксида азота (II) и эквимолярных количеств L-цитруллина. Этот процесс включает окисление НАДФ-H+ и восстановление молекулярного кислорода. Это превращение происходит в каталитическом сайте фермента, расположенном вблизи специфического участка связывания L-аргинина.Ignarro L.J. (2001): Nitric Oxide. A Novel Signal Transduction Mechanism For Transcellular Communication; 16: 477—483.
Оксид азота (II) является важнейшим регулятором и медиатором во множестве процессов в нервной, иммунной и сердечно-сосудистой системах. Регулируемые им процессы включают в себя, в частности, расслабление гладких мышц стенок сосудов, что приводит к вазодилатации и увеличению кровотока.Weller, Richard, Could the sun be good for your heart? TedxGlasgow March 2012, posted January 2013
Оксид азота (II) также является важным нейромедиатором, его действие ассоциируется с активацией нейронов и с различными физиологическими функциями, такими, как обучение избегающему поведению. Оксид азота (II) также частично опосредует цитотоксичность макрофагов против микроорганизмов и злокачественных клеток. Помимо опосредования оксидом азота нормальных физиологических функций, нарушения обмена оксида азота (II) играют роль в патогенезе столь различных патологических состояний, как сепсис и септический шок, артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца, инсульт, сердечная недостаточность, сахарный диабет, нейродегенеративные заболевания.Davies, S.A., Stewart, E.J., Huesmaan, G.R and Skaer, N. J. (1997): Neuropeptide stimulation of the nitric oxide signalling pathway in Drosophila melanogaster Malpighian tubules. Am. J. Physiol..; 273, R823-827.
Другие источники NO
Экзогенные источники оксида азота (II), как в виде содержащегося в норме в атмосфере в малых количествах оксида азота (II), так и в виде доноров оксида азота, поступающих с пищей, и его прекурсоров (нитратов и нитритов) также играют важную роль в его нормальном метаболизме. Важное значение они имеют и в клинической практике, особенно при заболеваниях, при которых организм не в состоянии синтезировать достаточное количество эндогенного оксида азота для обеспечения физиологических потребностей в адекватной вазодилатации (например, при ишемической болезни сердца, сердечной недостаточности, лёгочной гипертензии, гипертонической болезни, сахарном диабете, атеросклерозе сосудов, эректильной дисфункции). Поэтому учёные постоянно исследуют различные методы более эффективной доставки оксида азота (II) к страдающим от его недостатка и недостаточной вазодилатации органам, такие, как новые доноры и прекурсоры NO (в частности новые варианты нитратов и нитритов), NO-высвобождающие устройства, улучшение биодоступности, всасываемости и других фармакологических свойств лекарственных форм уже существующих доноров и прекурсоров NO. Некоторые эндогенные и экзогенные соединения, помимо L-аргинина, являющегося прекурсором NO в «обычном» пути биосинтеза, могут служить донорами или прекурсорами NO или даже сами, непосредственно, вызывать NO-подобные физиологические реакции в организме. Важными примерами таких соединений являются S-нитрозотиолы, некоторые органические и неорганические нитраты и нитриты, нитрозилированные комплексные соединения переходных металлов, в особенности комплексы динитрозил-железа, а в условиях гипоксии также ионы нитрита (NO2−).Radicals for life: The various forms of nitric oxide. E. van Faassen and A. Vanin, eds. Elsevier, Amsterdam 2007. ISBN 978-0-444-52236-8.Nitrite as regulator of hypoxic signaling in mammalian physiology. Med Res Rev 29, 2009, 683—741 Помимо этого, некоторые другие эндогенные газообразные соединения, такие, как эндогенный угарный газ, эндогенный сероводород и эндогенный оксид серы (IV), могут выступать в роли своеобразных NO-миметиков, слабых NO-агонистов, особенно при низких концентрациях NO, вызывая аналогичные NO физиологические изменения, в частности вазодилатацию. При этом некоторые из них (например угарный газ) при более высоких концентрациях NO могут оказывать противоположное, антагонистическое действие на сосудистый тонус, конкурируя с NO за связывание с гуанилатциклазой и ограничивая тем самым силу NO-ответа.
Роль в вазодилатации
Оксид азота (II) критически важен для регуляции нормального сосудистого тонуса, как медиатор вазодилатации (расширения сосудов). Выработка оксида азота (II) усиливается при воздействии различных факторов, таких, как гипоксия, повреждение тканей (в частности, повреждение эндотелия сосудов) и др. Через ряд промежуточных стадий это приводит к изменению активности сократительных белков гладкомышечной клетки. Конечным результатом этого является расслабление гладкомышечной клетки, вазодилатация и усиление кровотока. Вазодилатирующее действие оксида азота на почечные клубочки играет ключевую роль в почечной регуляции содержания внеклеточной жидкости в организме и в поддержании адекватной скорости клубочковой фильтрации, что, в свою очередь, важно для регуляции общего объёма циркулирующей крови (ОЦК), скорости системного кровотока и уровня артериального давления. Вазодилатирующее действие оксида азота также важно для обеспечения эрекции полового члена.
Индукция биосинтеза
Различные факторы, выделяемые тромбоцитами, в частности некоторые простагландины, механическое повреждение эндотелия сосудов, гипоксия, воздействие таких сосудорасширяющих эндогенных веществ, как ацетилхолин, аденозин, гистамин, ряд цитокинов, стимуляция β-адренорецепторов или 5-HT1A-рецепторов стенок сосудов приводят к увеличению активности эндотелиальной синтазы оксида азота (eNOS) и к повышению биосинтеза оксида азота (II). Таким образом, сосудорасширяющее действие ацетилхолина, гистамина, аденозина, простагландинов реализуется отчасти через повышение биосинтеза NO (хотя это не единственный механизм их сосудорасширяющего действия). И напротив, стимуляция α-адренорецепторов или 5-HT2-рецепторов стенок сосудов приводит к снижению биосинтеза NO, что является одним из механизмов вызываемой катехоламинами и серотонином вазоконстрикции, хотя, опять-таки, не единственным.
Эндотелиальная синтаза оксида азота синтезирует оксид азота (II) из терминального гуанидинового азота L-аргинина, при этом в качестве побочного продукта реакции образуется L-цитруллин. Образование оксида азота (II) эндотелиальной синтазой оксида азота требует участия тетрагидробиоптерина, НАДФ, кальция и кальмодулина и ряда других кофакторов.
Внутриклеточный сигнальный каскад
Оксид азота (II), высокореактивный свободный радикал, диффундирует сквозь клеточные мембраны гладкомышечных клеток кровеносных сосудов и взаимодействует с простетической группой гема растворимой гуанилатциклазы, нитрозилируя её и приводя к разрыву связи железа гема с проксимальным валином и изменению конфигурации фермента, что приводит к его активации. Активация гуанилатциклазы приводит к повышению образования в клетке вторичного посредника — циклического ГМФ (цГМФ) — (3’,5’-гуанозин-монофосфата) из ГТФ (гуанозинтрифосфата). Помимо этого, оксид азота (II) также нитрозилирует группы гема других важных железосодержащих ферментов, в частности цитохромов и цитохромоксидаз, что приводит к угнетению их активности, замедлению скорости окислительного метаболизма в митохондриях и снижению потребления кислорода гладкомышечной клеткой (что важно в условиях гипоксии). Накопившийся в клетке цГМФ активирует цГМФ-зависимую протеинкиназу G и ряд других цГМФ-зависимых белков и ферментов. Протеинкиназа G, в свою очередь, фосфорилирует ряд важных внутриклеточных белков, которые регулируют концентрацию внутриклеточного кальция и активность калиевых каналов. Это приводит к усилению обратного захвата кальция из цитоплазмы во внутриклеточные хранилища в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме, снижению уровня кальция цитоплазмы и чувствительности клетки к кальциевым сигналам (десенситизации клетки к кальцию) и к открытию кальций-зависимых калиевых ионных каналов и входу ионов калия в клетку. А входящий ток ионов калия приводит к гиперполяризации клетки и снижению её биоэлектрической активности. А снижение концентрации внутриклеточного кальция приводит к деактивации кальций-зависимых киназ актина и миозина, вследствие чего миозин не может сократиться, а актиновые микрофиламенты не могут реорганизоваться. Конечным результатом действия является расслабление гладкомышечных клеток, вазодилатация и усиление кровотока, ликвидация тканевой гипоксии, снижение повышенного артериального давления.
Роль в обеспечении эрекции пениса
Вазодилатирующий эффект оксида азота (II) играет роль в обеспечении наступления и в дальнейшем в поддержании эрекции полового члена в процессе мастурбации или полового акта. Расширение кровеносных сосудов, снабжающих пещеристые тела полового члена при одновременной блокаде венозного оттока вызывает переполнение пещеристых тел кровью, их полнокровие и, как следствие, возникновение эрекции. Силденафил (Виагра) и его аналоги усиливают эрекцию за счёт того, что блокируют изофермент фосфодиэстеразы-5 (PDE-5), присутствующий в основном в гладкомышечных клетках сосудов полового члена и превращающий цГМФ обратно в ГТФ (это превращение приводит к снижению активности протеинкиназы G, прекращению NO-опосредованного сигнала, повышению концентрации внутриклеточного кальция и снижению концентрации калия, фосфорилированию актина и миозина, сокращению гладкомышечных клеток и в итоге к вазоконстрикции, снижению кровотока и прекращению эрекции). Таким образом, силденафил повышает концентрацию цГМФ в гладкомышечных клетках сосудов полового члена за счёт блокады разрушения цГМФ и усиливает NO-опосредованный сигнал, усиливая тем самым вазодилатацию, приток крови к половому члену и в конечном итоге силу и продолжительность эрекции.
Значительные количества PDE-5 находятся также в гладкомышечных клетках сосудов лёгких, поэтому ещё одно применение силденафила и других ингибиторов фосфодиэстеразы-5 — это лечение лёгочной гипертензии и высотной болезни.
Роль в иммунной системе
Макрофаги и некоторые другие клетки иммунной системы производят большие количества оксида азота (II) с целью убийства вторгающихся в организм патогенных микроорганизмов, таких, как бактерии, грибки, простейшие, а также с целью уничтожения образующихся в самом организме злокачественных клеток. Ответственной за это является другая изоформа синтазы оксида азота, так называемая индуцируемая синтаза оксида азота (iNOS).