УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2012, том 43, № 3, с. 62-81
УДК 57.023; 577.3; 616.9
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ОКСИДА АЗОТА ПРИ ИНФЕКЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ
© 2012 г. Н.Г. Плехова1, 2, Л.М. Сомова1
1 ФГБУ "Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии "
СО РАМН, Владивосток 2 Дальневосточный Федеральный университет, Владивосток
В обзоре представлены современные данные о физиологической роли молекулы оксида азота [N0] и ее производных в патогенезе бактериальных и вирусных инфекций. Анализ данных литературы и результатов собственных исследований показал, что действеи N0 на отдельные клетки, участвующих в воспалении и иммунной регуляции, может быть неоднозначным, и зависит от клеточного окружения, концентрации N0 и других факторов. Так, взаимодействие между супероксидным анион-радикалом и N0 обеспечивает молекулярную основу для синергии между респираторным взрывом и синтезом N0, которое обеспечивает формирование пероксинитрита, обладающего мощным бактерицидным потенциалом. В то же время продукция N0 может противодействовать окси-дантному повреждению клеточных мембран, блокируя реакции окисления липидов и защищать клетки от повреждения, например, путем подавления респираторного взрыва. Таким образом, нитрозативный и окислительный стресс, наблюдаемый при патофизиологических состояниях, оказывает модулирующее влияние на функции клеток и тканей различных органов.
Ключевые слова: оксид азота, активные формы азота, активные формы кислорода, пероксинитрит, инфекции.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес исследователей к изучению патогенетической роли оксида азота [N0] первоначально был обусловлен публикациями конца прошлого века, свидетельствующими о том, что эндотели-альный фактор релаксации сосудов идентичен оксиду азота, а многочисленные лекарственные нитраты реализуют свой ангиотропный эффект благодаря освобождению из нитратов оксида азота [19]. Свойство молекулы N0 за счет одного не-спаренного электрона к очень быстрому периоду полураспада (например, в крови, он составляет меньше 100 мсек) долгое время не позволяло в должной мере оценить физиологическую и патофизиологическую роль этого химического соединения в организме человека. За короткий период, прошедший с момента открытия биологической роли оксида азота, на основе данных экспериментальных и клинических исследований были определены молекулярный механизм физиологического и патофизиологического эффекта оксида азота, субстрат биосинтеза этой молекулы, ферменты и изоферменты, принимающие участие в процессе ее биосинтеза, а также их активаторы и ингибиторы.
Известно, что оксид азота обладает высокой проницаемостью через мембраны клеток и субклеточных структур благодаря отсутствию заряда и малым размерам его молекулы. Молекула N0 активна и может взаимодействовать с другими свободными радикалами, низкомолекулярными соединениями и белками, содержащими в активном центре ионы переменных металлов, а также вступать в окислительно-восстановительные процессы, образуя многочисленные азотсодержащие соединения [81]. В качестве регулятора N0 функционирует практически во всех тканях организма, в которых непосредственно образуется при участии N0-синтаз в так называемом цикле оксида азота, где в качестве субстрата используется Ь-аргинин [10].
МЕТАБОЛИТЫ ОКСИДА АЗОТА И ИЗОФОРМЫ NO-СИНТАЗ
В организме оксид азота существует в трех формах, которые могут переходить друг в друга при окислении или восстановлении. Кроме радикальной формы N0, существуют еще две формы: нитрозоний-катион [N0+] и нитроксил-анион
[NO-], которые образуются, соответственно, в ходе окисления или восстановления оксида азота. Взаимодействия NO и NO-производных метаболитов с белками тиолов, вторичными аминами и металлами приводит к образованию 5"-нитрозо-тиолов, N-нитрозаминов и нитрозольного гема, что соответственно представляет независимое от цГМФ действие NO. Истинное понимание роли NO в физиологии возможно на основе экспериментов in vivo при одновременной выборке нескольких совокупностей данных. Подобные исследования при возможности сравнения параметров крови с показателями различных тканей у животных в эксперименте позволяют создать основу для оценки их значения в клинической медицине, и установить, насколько показатель NO имеет диагностическую и прогностическую ценность как биомаркер в норме и при патологии. Причем, необходимо отметить, что содержание NO в крови точно не отражает соответствующее содержание NO в тканях [31], что свидетельствует о необходимости создания адекватных систем, основанных на методах аналитической биохимии.
В отличие от других сигнальных молекул, оксид азота обладает способностью как прямого, так и опосредованного воздействия на биомолекулы [7]. Прямой эффект этой молекулы, как правило, доминирует при физиологических состояниях организма. Как мощный эндогенный вазодилататор оксид азота принимает участие в регуляции системного и легочного сосудистого сопротивления и процессах коагуляции крови. В этом случае молекула NO выполняет сигнальные и регуляторные функции, взаимодействуя непосредственно с молекулами, например, с железом металлопротеинов клеток. Причем, по сравнению с молекулой O2 в комплексах гема NO обладает большей реакционной способностью за счет сильного химического связывания [13]. Также прямое действие молекулы NO обусловлено ее реакциями с мишенями, например, при стимуляции гуанилатциклазы молекула нитрорадикала способствует быстрому образованию вторичного мессенджера - циклического гуанозинмонофос-фата, большинство эффектов которого проявляется опосредованно через ц-ГМФ-зависимую протеинкиназу, именуемую протеинкиназой G [2, 45]. В норме оксид азота необратимо инактиви-руется реакцией с гемоглобином (оксигенирован-ной и деоксигенированной формами) в просвете кровеносных сосудов, а также супероксидным радикалом в стенке кровеносного сосуда или кислородом в свободном растворе. Реакция оксида азота с кислородом сопровождается образовани-
ем стабильных конечных продуктов - нитрита и нитрата, которые являются косвенными маркерами концентрации оксида азота в организме [71]. Кроме того, NO является одной из ключевых сигнальных молекул, способных запускать программированную гибель клеток - апоптоз [74].
Непрямые эффекты NO проявляются в химических реакциях и, как правило, опосредуются его активными формами, образованными при взаимодействии с супероксидом [О-], кислородом [О2] или перекисью водорода. При непрямом действии катион нитрозония [NO+] присоединяется к аминам, тиолам или гидроксильным группам ароматических углеводов, в результате чего развивается либо нитрозативный (формирование нитрозоаминов, «S-нитрозотиолов, дезаминирова-ние оснований ДНК), либо окислительный стресс [108].
В организме оксид азота синтезируется с помощью двух основных механизмов - ферментативным и неферментативным. Под неферментативным путем обычно понимают восстановление нитритов или нитратов до NO при реакции дис-пропорционирования нитрита или азотистой кислоты на фоне закисления среды (pH < 6), а также при прямом восстановлении нитрита (например, ионами железа) [102]. В образовании NO ферментативным путем принимают участие NO-синта-зы - уникальные димерные соединения, которые имеют тканевую специфичность. Эти биомолекулы являются компонентами цепи переноса электронов с редуктазного домена, где находится никотинамидадениндинуклеофосфат (НАДФ), на оксигеназный домен, где при помощи тетрагид-робиптерина происходит электронное окисление субстрата молекулы NO [18, 73]. Промежуточные соединения реактивного азота представлены оксидом азота, способным реагировать с кислородом и образовывать более сильные окислители, например, двуокись азота [NO2].
В настоящее время идентифицированы три изоформы NO синтаз (NOS), которые названы согласно с тем типом клеток, где они были впервые обнаружены [104]: NOS-1 - нейрональная [«NOS]; NOS-2 - индуцибельная [/NOS]; NOS-3 -эндотелиальная [eNOS]. Изоформы NOS являются продуктами различных генов. Ген первой из них расположен в 7-й, второй - в 12-й и третий - в 17-й парах хромосом [2].
Хотя все изоформы NOS катализируют образование NO, каждая из них имеет свои особенности как в механизмах действия и локализации, так и в биологическом значении для организма. Поэтому указанные изоформы принято также подразделять
на конститутивную [cNOS] и индуцибельную [/NOS] синтазы оксида азота. Несмотря на длительную историю изучения, точные данные о механизме образования NO при участии NO-синтаз до сих пор не получены, а модель их строения остается во многом гипотетической [49]. Согласно этой модели, активные изоформы всех трех видов представлены гомодимерами, в которых каждый мономер, в свою очередь, состоит из нескольких дискретных доменов [5, 49]. Начиная с СООН-конца, различают редуктазный, кальмодулинсвя-зывающий, оксигеназный домены и N-концевую последовательность, специфическую для каждого типа NOS. В состав редуктазного домена входят две простетические группы - ФАД (флавиновый динуклеотид) и ФМН (флавиновый мононуклео-тид) [44].
Конститутивная NOS [cNOS], которая включает две изоформы (NOS-1 и NOS-3), постоянно находится в цитоплазме клеток (то есть является ин-гредиентной), зависит от концентрации кальция и кальмодулина, а также способствует выделению небольшого количества NO на короткий период в ответ на рецепторную и физическую стимуляцию. Фермент существенно инактивируется при низких концентрациях свободного кальция и максимально активен при его содержании около 1 мМ. NO, образующийся под влиянием cNOS, действует как переносчик в ряде физиологических ответов [30]. Что касается особенностей локализации, то «NOS в большом количестве присутствует в нейронах, эндотелиальных клетках [104], а eNOS - эндотелии, тромбоцитах и др. [20].
Хотя eNOS является мембранно-связанной, а «NOS - цитозольной, механизм их действия сходен и состоит в следующем. Са2+ под влиянием определенных стимулов (ацетилхолин, гистамин, 5-оксиптриптамин, глутамат и др.) входит в клетку, где связывается в единый комплекс с кальмо-дулином в цитозоле. Комплекс Са-кальмодулин выступает как кофактор и активирует
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.