CC BY
42
Физико-химическая биология Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, № 2 (3), с. 205-210
УДК 577.1:578.083:612.4.42.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТЕРЕОТИПИЯ В РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТА НЕКОТОРЫХ ЛЕЧЕБНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ: РОЛЬ NO
© 2012 г. А.К. Мартусевич, С.П. Перетягин
Нижегородский НИИ травматологии и ортопедии
cryst-mart@yandex. т
Поступила в редакцию 23.12.2011
Систематизированы сведения о новом универсальном молекулярном биорегуляторе - оксиде азо-та(11). Представлены краткие данные о его физико-химических свойствах, механизмах генерации в биологических системах и физиологической активности. Указаны его физиологические и патофизиологические эффекты. Сформулирована гипотеза о молекулярной стереотипии в реализации эффекта физико-химических факторов в отношении биологических систем, базирующаяся на универсальной мессенджерской функции оксида азота.
Ключевые слова: физические факторы, оксид азота, молекулярные механизмы, синглетный кислород, NO-синтаза.
В настоящее время в лечебных целях все более активно применяются физико-химические факторы. Являясь прерогативой физиотерапии, сейчас они успешно демонстрируют свои возможности как полноценного дополнительного [1], а в некоторых случаях - самостоятельного (фотодинамическая терапия, лазерная медицина, озоно-оксигенотерапия и др.) метода коррекции различных заболеваний и патологических состояний [2-6]. Несмотря на имеющую место в литературе дискуссию относительно эффективности применения данных технологий, последняя подтверждена, в частности, тридцатилетней историей экспериментальноклинического обоснования целесообразности применения озонотерапии при широком спектре патологии человека и животных [4, 7] и более чем десятилетней - для синглетно-кис-лородной терапии [6]. Исследования в области лазерных технологий прочно заняли свои позиции в медицине и биологии, результатом чего явились организация и успешное функционирование профильного научного центра, а также издание специализированного научного журнала.
Даже с учетом кажущегося полиморфизма молекулярных и клеточных эффектов, вызываемых действием данных факторов, четко установлено, что все они оказывают существенное корригирующее влияние на интенсивность процессов липопероксидации [2, 3, 5-9]. В свою очередь, окислительный стресс сейчас принято рассматривать как значимое патогенетическое звено различных патологических состояний
[10-12]. Это дает основание предположить возможность стереотипности молекулярного ответа клеток и тканей на изучаемые физикохимические воздействия.
Ситуация с раскрытием молекулярных механизмов действия различных физикохимических агентов становится еще более затруднительной в свете революционного открытия роли оксида азота(П) [NO] как одного из наиболее важных меж- и внутриклеточных молекулярных мессенджеров [13, 14]. Следствием этого стало признание NO «молекулой года» журналом «Science» в 1992 г. и получение учеными из США R.F. Furchgott, L.J. Ignarro и F. Murad Нобелевской премии в области физиологии и медицины за выяснение роли оксида азота в функционировании живого организма. Следует отметить, что в последнее десятилетие число работ в данной области науки растет лавинообразно [12-17]. Этими исследованиями было, в частности, показано, что NO определяет текущий тонус сосудов, ингибирует агрегацию тромбоцитов и их адгезию на стенках кровеносных сосудов, функционирует в центральной и вегетативной нервной системе, регулируя деятельность органов дыхания, желудочнокишечного тракта и мочеполовой системы. Кроме того, данное соединение является нейротрансмиттером, а также принимает участие в регуляции системы иммунитета. В целом, NO -токсичный газ, способный выступать в биосистемах как свободный радикал, имеющий короткий период полужизни (4 с) и легко подвергающийся различным химическим трансформа-
циям. Он непрерывно продуцируется в организме человека и животных ферментным и неферментным путями, оказывая ключевое воздействие на целый ряд принципиально различных физиологических и патологических процессов.
С этих позиций можно предположить, что результативное изменение продукции и биологической активности NO имеет место и при применении физико-химических воздействий. Поэтому целью данной работы является анализ потенциального участия оксида азота(П) как единого мессенджера эффекта терапевтических физико-химических факторов (озона, синглет-ного кислорода, лазерного и ультрафиолетового излучения и др.).
Прежде всего, логично привести краткую физико-химическую характеристику NO с акцентом на свойства, необходимые для понимания его физиологических и биохимических эффектов. Оксид азота(П) [N0] - бесцветный газ, умеренно растворимый в воде (1.9 мкМ при 25 С), в водной среде легко окисляемый кислородом воздуха [13]. В связи с этим, сохранность растворов оксида азота некоторые авторы предлагают обеспечивать предварительной аэрацией их ультразвуком с последующим пропусканием через раствор, содержащий пирогаллол. В водных растворах в присутствии кислорода NO почти полностью превращается в нитрит-анион в процессе протекания следующих реакций
[13]:
NO + 1/2 О2 ^ NO2 (1)
2 NO2 ^ N2O4 (2)
NO + NO2 ^ N2O3 (3)
N2O3 + H2O ^ 2 NO2" + 2 H+ (4)
N2O4 + H2O ^ NO2" + NO3' + 2 H+. (5)
Показано, что в реальных жидкостях преобладают реакции (3) и (4) в сравнении с реакцией 5; вследствие этого образующиеся концентрации нитрат-иона невелики относительно концентрации нитрит-иона.
Свободнорадикальные свойства оксида азота проявляются в биологических и модельных системах в форме генерации пероксинитрита и гидроксил-анион радикала по следующей схеме:
И+
• N0 + 02 ^ ОШО^ 0N00Nrf Ш2 + • ОН
Пероксинитрат Гидроксил-радикал
Относительно метаболизма N0 сравнительно недавно В.П. Реутовым с соавт. [18] и
Е.Б. Меньшиковой с соавт. [12] сформулирована оригинальная концепция, характеризующая синтез, деградацию и рециркуляцию соединения в организме млекопитающих в форме нового метаболического цикла - «цикла оксида азота» (рис. 1). Следует отметить, что данный цикл является закономерным дополнением к уже хорошо изученным биохимическим циклам (Кребса, Кальвина, орнитиновому, люцифери-новому и др.) и взаимосвязан с ними.
По мнению указанных авторов, цикл оксида азота включает 2 компонента [18]:
а) NO-синтазные реакции, заключающиеся в трансформации L-аргинина в L-цитруллин и оксид азота, последний далее окисляется до нитритов и нитратов.
б) Нитритредуктазная реакция, катализируемая электронодонорными системами с участием НАДН, НАДФН, флавопротеинов, дезоксигемо-глобина и цитохрома Р450.
Одним из центральных компонентов данного цикла является фермент, обеспечивающий продукцию оксида азота - синтаза оксида азота (NO-синтаза, NOS) [19]. В настоящее время обнаружены 3 основных изоформы рассматриваемого энзима, 2 из которых - конститутивные, кальций/кальмодулин-зависимые, одна - инду-цибельная. Краткая характеристика изоформ NO-синтазы представлена в таблице.
Несмотря на то, что сейчас обнаружены многочисленные эффекты оксида азота в отношении регуляции состояния биологических систем, наибольшее клинико-патофизиологическое значение имеет вазодилататорное действие NO [20, 21]. Механизм данного эффекта изучен достаточно подробно и в общем виде может быть представлен в виде схемы (рис. 2). Соединение, синтезируемое конститутивными изоформами NO-синтазы в эндотелии и нервной системе, взаимодействуя с гуанилатциклазой и трансформируя ее пространственное строение, запускает синтез цГТФ, а через него - каскад других ферментных систем, результатом чего и является вазодилатация [17, 22].
Открытие данного механизма способствовало стимуляции исследований в области обнаружения способов увеличения продукции оксида азота соответствующей синтазой, что обусловлено многочисленностью патологии, сопровождающейся нарушением тонуса сосудов по спазматическому типу. В частности, заманчивой целью подобной коррекции являются артериальная гипертензия различного генеза, ишемическая болезнь сердца, инсульт и др. Наиболее простым и логичным подходом к решению данной проблемы с позиций патофизиологии и
Рис. 1. Цикл оксида азота (по В.П. Реутову [18])
биохимии служит экзогенное введение субстрата для N0-синтазы - Ь-аргинина [12, 13, 23]. Однако последующими работами было показано, что, во-первых, период полужизни оксида азота крайне мал [8, 23], а увеличение темпов депонирования соединения (как в форме Б-нитротиолов, так и комплексов железа) затруднительно; во-вторых, избыток N0 может по принципу обратной связи ингибировать собственную синтазу [13] и, в-третьих, высокая концентрация Ь-аргинина способствует изменению превалирующего продукта реакции на супероксид-анион радикал, обладающий, в частности, мембраноповреждающим действием [16, 24, 25]. Именно последнее обстоятельство реализуется в случае цитотоксического эффекта N0, когда в результате уже описанной реакции при взаимодействии продуктов функционирования N0-синтазы образуется перокси-нитрит, в отсутствии или недостаточной концентрации/активности молекул-гасителей (су-пероксиддисмутазы, восстановленного глута-тиона и др.) вызывающий повреждение соприкасающихся с ним клеточных элементов, прежде всего биомембран [13, 23]. В целом, наряду с позитивными эффектами у N0, как свободного радикала, присутствует и токсическое действие, проявляющееся только в определенных условиях (рис. 3). В связи с этим следует подчеркнуть, что для адекватного функционирования организма необходим оптимальный уровень синтеза оксида азота, а его отклонения (в любую сторону) ведут к негативным последствиям [25].
Совокупность свойств и убиквитарность оксида азота как низкомолекулярного регулятора физиологических и патологических процессов
указывают на потенциальную многочисленность механизмов, звеном которых является данное соединение. Это касается и внешних воздействий. Так, одним из механизмов реализации саногенетического эффекта многих лекарственных препаратов, как было установлено в последнее десятилетие, служит модуляция синтеза N0, причем подобное действие обнаружено и для целого ряда известных и давно применяемых в медицине и ветеринарии лекарственных средств (нитроглицерина, нитропрус-сида натрия, изосорбида мононитрата, пропра-нолола) [13, 14, 19, 26]. Данные препараты, являясь донорами N0, запускают соответствующий каскад его эффектов, оказывая необходимое клиническое (прежде всего - антианги-нальное) действие [27, 28]. С учетом этого аспекта действия лекарств с подобной химической структурой разрабатываются средства, комбинирующие N0-донорные свойства и способность выступать в качестве лигандов к рецепторам [29]. Например, известный препарат небиволол сочетает в себе N0-донорный и Р1-адреноблокирующий эффекты [30].
Другие интересные варианты сочетанных эффектов лекарственных средств включают комбинацию N0-донорных свойств и характеристик нестероидного противовоспалительного препарата [13, 31]. К ряду таких лекарств, в частности, относится мелоксикам [32, 33]. Его «гибридные» молекулы способны предотвратить гастропатию, обусловленную длительным приемом неселективных блокаторов циклоокси-геназы. Таким образом, различные экзогенные соединения при введении в организм обладают модулирующим действием в отношении оксида азота.
Таблица
Изоформы синтаз оксида азота (NOS) (по В.Г. Гранику, Н.Б. Григорьеву [13])
Рис. 2. Схема генерации и вазодилаторного действия оксида азота (по В.Г. Гранику, Н.Б. Григорьеву [13], с изменениями)
В то же время эти исследования касаются исключительно фармакологических препаратов, тогда как физико-химические факторы, существенно изменяющие многие параметры клеточного гомеостаза, характеристики биологических жидкостей и функциональное состояние органов и тканей, как модуляторы генерации оксида азота практически не рассматривались. Упоминание о подобном эффекторном каскаде приводится лишь в единичных работах по применению генераторов синглетного кислорода [8, 34]. Кроме того, предполагается, что применение экзогенного N0 также стимулирует и эндогенный синтез данного соединения [13].
Принцип молекулярных мишеней в отношении действия физических факторов наиболее полно изучен и представлен для фотодинамиче-ской терапии, однако синглетный кислород является не единственной мишенью, т.к. в процессе фотохимических реакций образуется не
только он, но и другие активные биорадикалы [5, 23]. Сходные внутриклеточные процессы наблюдаются при действии ультрафиолетового и лазерного излучения на биологические объекты, хотя каждое из данных воздействий имеет особенности реализации эффекта [3, 9].
С другой стороны, многие методы лечения, основанные на действии физико-химических факторов, традиционно рассматриваются с позиций самостоятельного эффекта их действующего начала [35-38]. Так, биологическая активность озона достаточно подробно изучена и положена в основу тактики применения озоноте-рапии при различных патологических состояниях [4, 39, 40], тогда как в этом случае результирующее действие связано с совокупностью образующихся активных форм кислорода и озона. Одним из косвенных доказательств связи озона и метаболизма оксида азота является то, что только в присутствии окислителей (перок-
SIN-1
ON 00 (В отсутствие
N0+ 0'г
БОО
* N0,
цГМФ-
SOD и QSH) GSH U' GSH
* Cu* _
СО2 GSNO » NO
і Ферментативно
Повреждение
клеток NO-депо SOD - супероксиддисмутаза
Релаксации ** сосудов
Рис. 3. Комплекс позитивных и негативных молекулярно-клеточных эффектов N0 [13]
Рис. 4. Гипотетическая схема реализации молекулярной стереотипии в действии физико -химических факторов на биосистемы
сида водорода, кислорода, озона и др. [24]) реакция N0 с тиолами приводит к образованию Б-нитрозотиолов - известных молекулярных депо оксида азота [20, 41].
Учитывая вышеперечисленные факты, можно предположить, что оксид азота способен выступать в качестве единого молекулярного интермедиата, реализующего на клеточном уровне эффекты действия различных физико-химических факторов (рис. 4). Есть основания причислять к спектру данных воздействий озоноте-рапию, синглетно-кислородную терапию, фото-динамическую терапию, применение ультрафиолетового и лазерного излучения, местную дарсонвализацию, а также непосредственно N0-терапию. Важно подчеркнуть, что большинство из перечисленных воздействий опосредует эффект через дополнительные промежуточные звенья, среди которых особое место занимает
эндогенный синглетный кислород [8, 34, 42]. Кроме того, принимая в расчет нестабильность оксида азота, в рамках предлагаемой концепции предполагается, что рассматриваемые факторы влияют и на процессы депонирования и высвобождения N0, на что, в частности, указывает роль окислителей в формировании Б-ни-тротиолов [13, 20, 41, 43].
В целом имеющиеся данные позволяют предположить наличие молекулярной стереотипии в реализации эффекта физико-химических факторов в отношении биологических систем, базирующейся на универсальной мессенджер-ской функции оксида азота. Следует подчеркнуть, что для верификации приведенной гипотезы требуется проведение целенаправленных изысканий, ориентированных на уточнение компонентов данного молекулярного каскада и характера их взаимодействий.
Список литературы
1. Пономаренко Г.Н. Электромагнитотерапия и светолечение. СПб.: ООО «НПО «Профессионал»», Мир и семья-95, 1995. 248 с.
2. Буйлин В.А., Москвин С.В. Низкоинтенсивные лазеры в терапии различных заболеваний. М.: ТОО «Фирма «Техника», 2005. 176 с.
3. Илларионов В.Е. Основы лазерной терапии. М.: Респект, 1992. 122 с.
4. Перетягин С.П., Стручков А.А., Мартусевич А.К. с соавт. // Скорая медицинская помощь. 2011. Т. 12. № 3. С. 39-43.
5. Узденский А.Б. Клеточные-молекулярные механизмы фотодинамической терапии. М.: Наука, 2010. 321 с.
6. Tuner J., Hodl L. Laser Therapy in Dentistry and Medicine. Prima Books AB, 1996. 156 p.
7. Гречко В.Н., Воробьев А.В. Фото-озоно-терапия в хирургии: монография. Н. Новгород: Пламя, 2008. 168 с.
8. Синглетно-кислородная терапия. Научнометодическое пособие / Под ред. И.З. Самосюк, Л.И. Фисенко. Киев: Здоровье, 2007. 228 с.
9. Karu T. // J. Photochem. Photobiol. 1999. V. 49. N 1. P. 1-17.
10. Величковский Б.Т. // Вестник РАМН. 2001. № 6. С. 45-53.
11. Владимиров Ю.А. // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 12. С. 13-19.
12. Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А. Окислительный стресс: патологические состояния и заболевания. Новосибирск: АРТА, 2008. 284 с.
13. Граник В.Г., Григорьев Н.Б. Оксид азота (NO). Новый путь к поиску лекарств. М.: Вузовская книга, 2004. 360 с.
14. Nitric Oxide. Basic Research and Clinical Application / Ed. R.J. Gryglewsky, P. Minuz. Amsterdam; Berlin; Oxford; Tokyo; Washington: IOS Press, DC, 2001. Р. 6368.
15. Ванин А.Ф., Капелько В.И., Шумаев К.Б. с соавт. // Кардиологический вестник. 2011. № 1. С. 5358.
16. Ванин А.Ф., Писаренко О.И., Студнева И.М. с соавт. // Кардиология. 2009. № 12. С. 43-49.
17. Murad F. // Neurotransmissions. 1994. V. 10. P. 1-4.
18. Реутов В.П., Сорокина Е.Г., Охотин В.Е., Ко-сицын Н.С. Циклические превращения оксида азота в организме млекопитающих. М.: Наука, 1998. 238 с.
19. Ванин А.Ф. // Вестник РАМН. 2000. № 4. С. 3-5.
20. Ванин А.Ф., Манухина Е.Б., Малышев И.Ю. с соавт. // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1999. № 6. С. 629-632.
21. Ванин А.Ф. с соавт. // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2006. № 12. С. 626-630.
22. Kamasaki Y., Waldman S.A., Murad F. // Fed. Proc. 1985. V. 44. P. 699.
23. Костюк В.А., Потапович А.И. Биорадикалы и биоантиоксиданты. Минск: БГУ, 2004. 174 с.
24. Ванин А.Ф. с соавт. // Кардиологический вестник. 2007. № 2. С. 31-37.
25. van der Vliet A.., Eiserich J.P., Halliwell B., Cross C.E. // J. Biol. Chem. 1997. V. 272. P. 7617-7625.
26. Ванин А.Ф., Башкатова В.Г., Панченко Л.Ф. с соавт. // Вопросы наркологии. 2007. № 1. С. 12-17.
27. Мазур Н.А. // Кардиология. 2005. № 8. С. 92-96.
28. Марцевич С.Ю. // Сердце. 2003. Т. 8. № 2. С. 88-90.
29. Korzycka L., Szmigielska H., Czarnecka E. // Acta Pol. Pharm. 2000. V. 57. № 6. P. 419-424.
30. Cominacini L., Pasini A.F., Garbin U. et al. // JACC. 2003. V. 42. № 10. P. 1838-1844.
31. Машковский М.Д. Лекарства XX века. М.: Новая волна, 1998. 145 с.
32. Насонов Е.Л. // Научно-практ. ревматология. 2001. № 1. С. 58-62.
33. Barrachina M.D., Panes J., Esplugues J.V. // Curr. Pharm. Des. 2001. V. 7. N 1. P. 31-48.
34. Заворотная Р.М. // Украинский ревматологический журн. 2002. Т. 7. № 1. С. 35-37.
35. Владимиров Ю.А. // В кн.: Эфферентная медицина. М.: ИБМХ РАМН, 1994. С. 51-67.
36. Девятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.Б., Макеева Н.С. // Успехи современной биологии. 1987. Т. 103. № 1. С. 31-43.
37. Захаров С.Д., Еремеев Б.В., Перов С.Н., Пана-сенко М.А. // В кн.: Методы лазерной биофизики и их применение в биологии и медицине / Под ред. О.К. Скобелкина. Тарту, 1989. С. 59-92.
38. Lubart R., Malik Z., Rochkind S., Fisher T. // Laser Theor. 1990. V. 2. № 1. P. 65-68.
39. Масленников О.В., Конторщикова К.Н., Грибкова И.А. Руководство по озонотерапии. Н. Новгород: Изд-во «Вектор-ТиС», 2008. 326 c.
40. Щербатюк Т.Г. // Современные технологии в медицине. 2010. № 1. С. 99-106.
41. Ванин А.Ф., Манухина Е.Б., Малышев И.Ю. с соавт. // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2003. № 9. С. 260-264.
42. Moncada S., Radomski M.W., Palmer R.M.J. // Biochem. Pharmacol. 1988. V. 37. P. 2495-2501.
43. Stamler J.S., Singel D.J., Loscalso J. // Science. 1992. V. 258. P. 1898-1902.
MOLECULAR STEREOTYPY IN THE ACTION MECHANISM OF SOME THERAPEUTIC PHYSICAL AND CHEMICAL FACTORS: POSSIBLE ROLE OF NITRIC OXIDE
A.K. Martusevich, S.P. Peretyagin
Systematized information is presented on the new universal molecular bioregulator, nitric oxide (II), including its physical and chemical properties, mechanisms of generation in biological systems and physiological activity. Physiological and pathophysiological effects of nitric oxide are discussed. A hypothesis is proposed concerning molecular stereotypy in the action of physical and chemical factors on biological systems. This hypothesis is based on the universal messenger function of nitric oxide.
Keywords: physical factors, nitric oxide, molecular mechanisms, singlet oxygen, NO synthase.
