CC BY
195
Оксид азота (NO): физиология и метаболизм (лекция)
Н.П. Гончаров
ФГБУ«Национальный медицинский исследовательский центр эндокринологии» Минздрава России; Россия, 117036 Москва, ул. Дм. Ульянова, 11
Контакты: Николай Петрович Гончаров[email protected]
Оксид азота как химическая субстанция является газом. N0 — одна из важнейших биологических молекул в организме млекопитающих, передающая сигнал бесконтактно и рассматриваемая как универсальный трансмиттер в развитии физиологических и патологических состояний, который занимает ключевое место в обеспечении всех жизненных функций организма, включая функции сердечно-сосудистой, центральной и периферической нервной, иммунной систем. Его содержание в организме определяется возрастом и постепенно снижается к 70 годам. Падение уровня N0 — предиктор формирования патологии сердечнососудистой системы, эндотелиальной дисфункции и ряда других нарушений. Он обладает также нейромодулирующей активностью, регулирует синтез и секрецию гормонов.
Ключевые слова: оксид азота, N0, функции, предиктор
Для цитирования: Гончаров Н.П. Оксид азота (N0): физиология и метаболизм (лекция). Андрология и генитальная хирургия 2020;21(3):75—79.
DOI: 10.17650/2070-9781-2020-21-3-75-79
Nitric oxide (NO): physiology and metabolism (lecture)
N. P. Goncharov
National Medical Research Center for Endocrinology, Ministry of Health of Russia; 11 Dm. Ulyanova St., Moscow 117036, Russia
The chemical compound nitric oxide is a gas with chemical formula NO. It is one of the impotant signaling molecules, in the body of mammalians including humans, one of the few gaseous signaling molecules known. The NO molecule is a free radical, which is relevant to understanding its high reactivity. It reacts with the oxygen in air to form nitrogen dioxide. NO plays a key role in the regulation of numerous vital biological functions: immunology, cardiovascular system, peripheral nervous system, cell proliferation. Humans lose ability to produce NO with aging. Loss of endothelian NO function is associated with several cardiovascular disorders, including atherosclerosis. Dietary nitrate metabolism is dependent upon bacteria and stomach acid.
Key word: nitric oxide, NO, functions, predictor
For citation: Goncharov N.P. Nitric oxide (NO): physiology and metabolism (lecture). Andrologiya i genital'naya khirurgiya = Andrology and Genital Surgery 2020;21(3):75—79. (In Russ.).
Введение Как свободный радикал с высокой химической ак-
Оксид азота — газ с химической формулой NO. Это тивностью, оксид азота при попадании в атмосферу
одна из самых важных биологических молекул в орга- вступает в реакцию с кислородом, образуя N2O.
низме млекопитающих, включая человека: он рассма- В 1980 г. R. Furchgott обнаружил в организме веще-
тривается как универсальный трансмиттер, участвую- ство, названное им сосудорасширяющим эндотелиаль-
щий в развитии физиологических и патологических ным фактором (endotelium-derived relaxing factor) в со-
состояний. В то же время NO является серьезным ток- ответствии с его свойствами, а L. Ignarro в 1987 г.
сичным веществом, содержащимся в атмосфере (в вых- доказал, что это вещество по своей химической струк-
лопных газах автомобилей и выбросах силовых тепло- туре является оксидом азота. Позже F. Murad открыл
станций). Оксид азота NO нередко путают с закисью механизм действия нитроглицерина: высвобождение
азота N2O (анестетиком) и диоксидом азота NO2 (рас- NO и активация соответствующих ферментов обеспе-
пространенным токсичным поллютантом). чивает расширение коронарных артерий и усиление
Е
и
АНДРОЛОГИЯ
И ГЕНИТАЛЬНАЯ ХИРУРГИЯ
ANDROLOGY
AND GENITAL SURGERY
3
Растения / Plants NO,
Оксимы протеинов / Protein oximes
Кислород / Oxygen
Церулоплазмин/ Ceruloplasmin
Окисление / Oxidation
Анаэробные бактерии (5-8 %) / Anaerobic (5-8 %)
Ферменты
млекопитающих («0,01 %) / Mammalian enzymes (-0,01 %)
Восстановление /Reduction
Е
u
L-аргинин / L-arginine
Рис. 1. Круговорот нитрогенов Fig. 1. The cycle of nitrogenous
кровотока в сердечной мышце. Вышеназванные ученые были удостоены Нобелевской премии по медицине в 1998 г.
Оксид азота играет ключевую роль в обеспечении всех жизненно важных функций организма.
Физические свойства NO
В свободном состоянии монооксид азота — это бесцветный газ без запаха с высокой реакционной способностью. Молекулярная масса его составляет 30,01 г/моль, растворимость в воде — 74 см3/дм3, коэффициент преломления 1,0002697, температура плавления равняется — 163,6 °С, температура кипения —151,7 °С.
Термином «оксид азота» обозначают восстановленную форму монооксида азота с периодом полураспада от 2 до 30 с. NO — липофильная молекула, растворимая в воде и жирах. Она имеет непарный электрон, который превращает ее в высокореактивный радикал, свободно проникающий через клеточные мембраны и активно вступающий в биохимические реакции с другими биомолекулами.
Естественным природным источником NO считаются грозовые электрические разряды. Антропогенный источник NO — выхлопные газы автомобилей, а также промышленные выбросы тепловых станций, промышленных предприятий, которые используют органическое топливо. При этом они выбрасывают разные оксиды азота, около 90 % которых разлагаются до NO, а остальные 10 % превращаются в диоксид азота.
Поскольку оксид азота и диоксид азота в атмосфере встречаются всегда вместе, их влияние на организм также необходимо оценивать совместно. Высокая концентрация оксида азота наблюдается только вблизи источника его выброса. NO раздражает дыхательные пути,
поэтому человек может его почувствовать. При вдыхании N0 образует с гемоглобином нестойкое нитросоедине-ние, которое быстро превращается в метгемоглобин, в котором Fe2+ переходит в Fe3+, что лишает гемоглобин способности связывать кислород. Концентрация метге-моглобина в крови, составляющая 60—70 % от общего содержания гемоглобина, несовместима с жизнью, однако такая концентрация метгемоглобина может образоваться лишь в закрытом помещении. Некоторые добровольцы, участвовавшие в исследованиях влияния N0 на организм, ощущали присутствие оксида азота в воздухе при его концентрации 230 мкг/м3.
Цикл нитрогенов в окружающей атмосфере
В атмосфере нитрогены преимущественно присутствуют в виде газообразного азота который играет важную роль в развитии жизни на Земле. Большинство растений получают нитрогены в виде ионов аммония ^Н4+) и ионов нитратов (N0^). Большая часть аммония превращается в нитриты с участием специфических бактерий (Nitrоsomonas). Дальнейшая модификация нитратов в нитриты происходит с участием другой бактерии (Nitrоbacter). Все нитрогены, потребляемые животными при поедании растений, на определенном этапе, попадая в организм, образуют замкнутую пищевую цепочку. Схематично это можно представить следующим образом (рис. 1).
Образование оксида азота в организме
Образование N0 происходит в результате окисления атомом кислорода L-аргинина с участием специфического фермента N0-синтазы. N0 синтезируют самые разные клетки организма: лимфоциты, нейтро-филы, тромбоциты, макрофаги, нейроны, гепатоциты и др. N0 контролирует многие их функции и биохимические процессы. Этим определяется наличие в организме специфических изоформ N0-синтаз, которые регулируют биоактивность оксида азота.
Идентифицированы следующие основные изофор-мы N0-синтаз: эндотелиальные (еN0S), нейрональные (nN0S), макрофагальные (mN0S). Их биоактивность разная: еN0S — около 15 нмоль/мг/мин, nN0S — приблизительно 300 нмоль/мг/мин, mN0S — около 1000 нмоль/мг/мин.
Молекула nN0S (161 кДа) состоит из 1434 аминокислотных остатков, молекула mN0S (131 кДа) — из 1153 аминокислотных остатков, eN0S (133 кДа) — из 1203 аминокислотных остатков. Две изоформы (nN0S и mN0S) локализованы главным образом в цитоплазме клеток, а еN0S содержится в мембранах клетки. Все изоформы N0-синтазы катализируют образование N0, однако механизм действия и локализация каждой изо-формы имеют специфические особенности, что определяет и особенности их биологического эффекта.
В синтез N0 посредством синтаз включены следующие коферменты: никотинамидадениндинуклео-тидфосфат, флавинадениндинуклеотид и флавинмо-нонуклеотид, а также комплекс кальций-кальмодулин, который выступает в качестве кофактора, активирующего N0-синтазу.
Новая парадигма: цикл нитрогенов у человека
Потребляемые нитраты быстро попадают в кровоток, где они смешиваются с нитритами, продуктами системы N0-синтазы/N0. Однако большая часть нитратов поглощается слюнными железами и секре-тируется со слюной в ротовую полость. При участии специфических ферментов они также превращаются в нитриты, которые со слюной попадают в желудок и под влиянием оксидаз превращаются в оксид азота. При этом оставшиеся нитраты быстро адсорбируются и аккумулируются в тканях, где они регулируют клеточную функцию, превращаясь в N0. Оксид азота и нитриты превращаются с помощью оксидаз в нитраты, которые вновь попадают в систему циркуляции слюнные железы — желудок, или экскретируются с мочой.
Метаболизм нитратов, поступающих в организм с пищей, зависит от наличия бактерий и кислотности в желудке. Он происходит в следующей последовательности:
1. Нитраты поглощаются с пищей.
2. Нитраты адсорбируются в желудке и тонком кишечнике.
3. С кровотоком нитраты попадают в слюнные железы и там концентрируются.
4. Нитраты экскретируются почками (частично).
5. Бактерии слюны редуцируют нитраты в нитриты.
6. В кислой среде желудка нитриты редуцируются до N0.
7. N0, попадая в портальную циркуляцию, окисляется до нитритов.
8. Нитриты транспортируются в артериальную систему.
9. Нитриты редуцируются до N0 в стенках сосудов, вызывая их дилатацию и падение кровяного давления.
Энтеральный и парентеральный способы питания содержат очень малое количество нитритов и нитратов. Например, в случае интубации пациента блокируется процесс глотания и исключается поступление N0 со слюной в желудок. Возможно, повышенная смертность пациентов на диализе связана с нарушением метаболизма оксида азота. Пациенты теряют 60 % нитритов и 70 % нитратов при диализе в течение 4—5 ч.
Участие бактерий
В организме имеется семейство специфических бактерий, которые обеспечивают его постоянным запасом нитритов и оксида азота, образующихся
из поступающих с пищей нитратов. Тем самым они вносят свой вклад в поддержание оптимальной работы сердечно-сосудистой системы. Отсутствие таких специфических бактерий в ротовой полости нарушает гомеостаз оксида азота. Дефицит таких бактерий у человека сопровождается дефицитом N0, что, возможно, увеличивает риск развития сердечно-сосудистой патологии. Подобная ситуация, например, может наблюдаться в случае чрезмерного использования антисептических средств для санации ротовой полости.
Оксид азота потенциально оказывает целый ряд биологических и клинических эффектов.
В иммунной системе он участвует в формировании неспецифического иммунитета, реакции отторжения трансплантата, ингибирует процесс репликации вирусов, обеспечивает защиту от бактериальных и параци-тарных инфекций.
В урогенитальном тракте он обеспечивает развитие пенальной эрекции и преждевременных родов.
В кардиоваскулярной системе он отвечает за сосудистую релаксацию, регуляцию клеток крови, сокращения миокарда, микроваскулярную проницаемость, расширяет коронарные артерии, повышает уровень поступления кислорода и предупреждает повреждение миокарда и гибель его клеток (т. е. участвует в механизме действия нитроглицерина, так как нитроглицерин является донором N0). Он играет важную роль в контроле кровяного давления беременных, поскольку плод нуждается в большом количестве L-аргинина для роста и развития.
В периферической нервной системе оксид азота участвует в передаче сигналов нервных клеток, в центральной нервной системе — в процессах запоминания информации, нейродегенерации, центральном контроле кровяного давления. Он важен для обеспечения чувствительности к боли.
В респираторном тракте оксид азота принимает участие в механизме расширения бронхов. Он может быть ингалирован для снижения кровяного давления в легких новорожденных.
Оксид азота также регулирует пролиферацию клеток, их апоптоз, ангиогенез, рост опухолевых клеток.
Окситоцин и оксид азота
Рецепторы окситоцина присутствуют в эндотелии всех кровеносных сосудов. Окситоцин участвует в контроле микроциркуляции посредством высвобождения оксида азота.
Недостаток оксида азота ведет к ослаблению кровотока, что проявляется хронически холодными руками и ступнями ног и бледными ушами. Поступление оксида азота в организм устраняет эти симптомы. Продукция оксида азота увеличивается при нормальной беременности и снижается в условиях преэклампсии.
Е
и
АНДРОЛОГИЯ
И ГЕНИТАЛЬНАЯ ХИРУРГИЯ
ANDROLOGY
AND GENITAL SURGERY
3
Е
u
Оксид азота и возраст
Продукция оксида азота остается относительно стабильной у здоровых мужчин и женщин моложе 20 лет, а затем с увеличением возраста начинает неуклонно снижаться и к 70 годам не превышает 8—12 % от максимального уровня.
Снижение доступности NO рассматривается как предиктор ряда нарушений в сердечно-сосудистой системе.
Эндотелиальные дисфункции являются результатом нарушения биохимических процессов в клеточных структурах эндотелия, покрывающего внутреннюю стенку артерий, вен, а также внутреннюю поверхность лимфатических сосудов и сердца. Поэтому снижение уровня NO ассоциировано с возникновением ряда нарушений в сердечно-сосудистой системе, включая атеросклероз, который считается следствием снижения продукции оксида азота или повышения процесса его деградации (рис. 2).
АСН
4
L-аргинин / L-arginine
I
NOS
4
т
L-цитруллин /L-citrullin
ЭНДОТЕЛИЙ / ENDOTHELIUM
NO
I
NO
ГЛАДКИЕ МЫШЦЫ / I SMOOTH MUSCLE
Гуанилатциклаза (неактивная) / — Guanylate cyclase (inactive)
Гуанилатциклаза (активная) / Guanylate cyclase (active)
Силденафил / Sildenafil
->GTP
+ cGMP
4
Релаксация / Relaxation
Рис. 2. Механизм действия оксида азота Fig. 2. The mechanism of nitric oxide action
Как в экспериментальных, так и в клинических исследованиях получены доказательства того, что развитие эндотелиальной дисфункции обусловлено нарушением метаболизма оксида азота, что не только приводит к формированию гиперлипидемии, диабета и артериальной гипертензии, но и может быть предиктором прогрессирования атеросклеротического процесса.
В связи с этим дисфункция в системе N0,^0-^^ таза в настоящее время рассматривается как ранний маркер формирования патологии сердечно-сосудистой системы в результате прогрессирующего атеросклеротического поражения сосудов.
Факторы, снижающие продукцию оксида азота: неподвижный образ жизни, диета с недостаточным количеством зеленых овощей, злоупотребление антибиотиками, чрезмерное употребление антисептиков для промывания ротовой полости, ахлоргидрия, гемодиализ.
Методы определения количества №
Современные системы определения микроколичеств оксида азота используют соотношение N02/N03 в исследуемых биологических материалах.
С учетом общебиологической значимости оксида азота для обеспечения физиологических и биохимических процессов в организме млекопитающих возникла необходимость создания метода его количественного определения. Проблема заключалась в том, что N0, передающий свои сигналы бесконтактным путем, является нестабильной молекулой и имеет время полураспада от 1 до 40 с.
Первоначально были разработаны и использовались флуорометрические, амперометрические методы его определения и высокоэффективная жидкостная хроматография. Однако в рутинном исполнении они оказались трудоемкими, недостаточно точными, требующими высококвалифицированных операторов и существенных финансовых расходов на их подготовку и покупку оборудования. Они обеспечивают определение в биологических материалах одновременно уровня нитрата (N0^ и нитрита (N0^, которые являются источниками оксида азота (N0) в организме.
Долгое время велись работы по созданию незатратного, точного и удобного для применения в рутинной практике метода определения уровня N0. Не так давно они увенчались успехом.
Революционный принцип новой технологии определения N0 основан на использовании микроион-электродов, позволяющих определять ионы N02 и N0^ Суммарное количество этих ионов позволяет определять количество N0 в пробе биоматериала с использованием специальных компьютерных программ для эксплуатации данной технологии.
Нитрит-микроион-электрод обладает чувствительностью до 3 мкмоль/л и требует для исследования 50 мкл биоматериала. Эта уникальная технология имеет следующие преимущества перед существующими.
1. Позволяет определять оксид азота в микрообъемах цельной крови, сыворотки, плазмы, моче, слюне, культуре клеток и в гомогенатах тканей.
2. Не требует больших затрат на оборудование.
3. Обеспечивает низкую стоимость одного исследования.
4. Не требует сложной подготовки проб исследуемого материала.
5. Позволяет избежать интерференции с НАДФН.
6. Устраняет этап восстановления N03, который требовался при применении других методов.
7. Длительность исследования одной пробы — 45 с.
8. Кроме N0, система позволяет определять ионы натрия, кальция, калия, а также Rеdox, рН, р02 и рС02.
Заключение
Во многих случаях в медицинской практике и при применении фармпрепаратов может возникнуть нарушение продукции оксида азота.
Улучшение образа жизни и выбор правильной стратегии лечения заболеваний восстанавливает продукцию N0, что чрезвычайно важно для поддержания здоровья и улучшения общего самочувствия.
Диета и оптимальные физические нагрузки обеспечивают оптимальный гомеостаз оксида азота.
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Taddei S., Virdis A., Ghiadoni L. et al. Effect of calcium antagonist or beta blockade treatment on nitric oxide-dependent vasodilation and oxidative stress in essential hypertensive patients. J Hypertens 2001;19(8):1379-86. DOI: 10.1097/00004872-200108000-00005.
2. Lundberg J.O., Weitzberg E., Cole J.A., Benjamin N. Nitrate, bacteria and human health. Nat Rev Microbiol 2004;2(7):593-602. DOI: 10.1038/ nrmicro929.
3. Webb A.J., Patel N., Loukogeorgakis S. et al. Acute blood pressure lowering, vasoprotective, and antiplatelet properties of dietary nitrate via bioconversion to nitrite. Hypertension 2008;51(3):784-90. DOI: 10.1161/
HYPERTENSI0NAHA.107.103523.
4. Bailey S.J., Winyard P., Vanhatalo A. et al. Dietary nitrate supplementation reduces the O2 cost of low-intensity exercise and enhances tolerance to high-intensity exercise in humans. J Appl Physiol (1985) 2009;107(4):1144-55. DOI: 10.1152/ japplphysiol.00722.2009.
5. Petersson J., Carlstrom M., Schreiber O. et al. Gastroprotective and blood pressure lowering effects of dietary nitrate are abolished by an antiseptic mouthwash. Free Radic Biol Med 2009;46(8):1068-75. DOI: 10.1016/j. freeradbiomed.2009.01.011.
6. Govoni M., Jansson E.A., Weitzberg E., Lundberg J.O. The increase in plasma nitrite after a dietary nitrate load is markedly attenuated by an antibacterial mouthwash. Nitric Oxide 2008;19(4):333-7. DOI: 10.1016/j.niox.2008.08.003.
7. Bryan N., Loscalzo J. Nitric and nitrate in human health and disease. Human Press, 2016.
8. Jansson E.A., Huang L., Malkey R. et al. A mammalian functional nitrate reductase that regulates nitrite and nitric oxide homeostasis. Nat Chem Biol 2008;4(7):411-7. DOI: 10.1038/ nchembio.92.
9. Ванин А.Ф. Оксид азота в биомедицинских исследованиях. Вестник Российской академии медицинских наук 2000;(4):3-5. [Vanin A.F. Nitric oxide
in biomedical research. Vestnik Rossiyskoy akademii meditsinskikh nauk = Annals of the Russian Academy of Medical Sciences 2000;(4):3-5. (In Russ.)].
10. Казаков В.Н., Снегирь М.А., Снегирь А.Г. Пути взаимодействия нервной, эндокринной и иммунной систем в регуляции функций организма. Архив клинической и экспериментальной медицины 2004;13(1):3—10. [Kazakov V.N., Snegir M.A., Snegir A.G. Ways of interaction of the nervous, endocrine and immune systems in the regulation of body functions. Arkhiv klinicheskoy i eksperimentalnoy meditsiny = Archive of clinical and experimental medicine 2004;13(1):3-10. (In Russ.)].
11. Полетаев А.Б., Морозов С.Г., Ковалев И.В. Регуляторная метасистема: иммунно-нейроэндокринная регуляция гомеостаза. М.: Медицина, 2002. 168 c. [Poletaev A.B., Morozov S.G., Kovalev I.V. Regulatory megasystem: immune-neuroendocrine regulation of homeostasis. Moscow: Meditsina, 2002. 168 p. (In Russ.)].
E
u
09
oa
Статья поступила: 01.08.2020. Принята к публикации: 01.09.2020. Article submitted: 01.08.2020. Accepted for publication: 01.09.2020.
