УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2007, том 38, № 4, с. 39-58
УДК 577.334.61; 577.152.6
ОКСИД АЗОТА (N0) И ЦИКЛ N0 В МИОКАРДЕ: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ, БИОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
© 2007 г. В. П. Реутов1, В. Е. Охотин2, А. В. Шуклин3, Е. Г. Сорокина4,
Н. С. Косицын1, В. Н. Гурин5
1 Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
2 Институт биологии гена РАН, Москва; 3 Российский кардиологический научно-производственный комплекс МЗ РФ; 4Государственное учреждение Научный центр здоровья детей РАМН, Москва; 5 Институт физиологии НАН Беларуси, Минск
В работе анализируются данные литературы о цикле оксида азота (N0). Рассмотрены молекулярные, биохимические и физиологические аспекты, связанные с внутриклеточной локализацией к0-синтаз-ных и нитритредуктазных систем, которые участвуют в механизмах регуляции содержания N0 в миокарде. Проанализированы данные литературы о регуляции N0-синтаз на уровне транскрипции и модуляции активности конститутивных и индуцибельных форм этого фермента на посттрансляционном уровне. Работа также включает основные данные литературы, характеризующие регуляторную роль N0 в обеспечении деятельности сердечной мышцы в норме и при патологии.
Пусть пути и методы наших научных поисков и достижений будут различны, но цель у нас одна -борьба за здоровье и жизнь человека.
И.П. Разенков
Физиологически активная молекула - оксид азота (N0), обладает широким спектром действия [2, 6, 12, 63, 64]. N0, являясь одним из мессендже-ров [78, 106, 175-177], участвует в регуляции систем внутри- и межклеточной сигнализации [114, 128, 177]. N0 идентичен эндотелиальному фактору релаксации (ЕБКР) [144, 163], расслабляющему гладкие мышцы сосудов [107, 111] и предотвращающему агрегацию тромбоцитов к эндотелию [74, 82, 153]. Наряду с регуляторными функциями [98, 99, 127, 133] N0 обладает цитотоксическими, ци-тостатическими и многими другими свойствами и функциями в различных органах и тканях [2, 82, 151, 178, 188]. Многие регуляторные функции, обнаруженные ранее в различных органах и тканях были в дальнейшем обнаружены в сердце [108, 109, 169, 171].
Синтез N0 в миокарде осуществляется не только в нейронах и эндотелии сосудов, но и в самих миоцитах [40, 41-44]. В образовании N0 участвуют не только конститутивные и индуци-бельные N0-синтазы, но и нитритредуктазные системы, которые связаны с гемсодержащими белками, способными в дезокси-форме восстанавливать нитриты в N0 [56, 59, 60, 62, 63, 80, 112, 179, 194]. Это свидетельствует о важной роли N0 в миокарде [13, 40]. В настоящее время все функции N0 в сердце еще нельзя назвать [40, 66-69]. Однако можно с определенностью сказать, что в миокарде N0 может регулировать функцию ор-
гана как непосредственно, так и через влияние на сосуды [4, 7, 40, 49, 85, 87]. Данное физиологически активное соединение способно регулировать тонус коронарных сосудов, свертываемость крови, воспалительные процессы, а также влиять на клеточные и межклеточные взаимодействия [25, 29, 30]. Оксид азота может оказывать прямое влияние на сократимость миокарда: от тонкой регуляции электромеханического сопряжения до модуляции вегетативного влияния на пре- и пост-синаптическом уровне [95, 96, 104, 105].
В основе многостороннего участия N0 в физиологии сердца лежит сложная система регуляции на молекулярном уровне всех трех типов N0-синтаз [8, 100, 108, 113, 154, 166, 169, 170, 190]. Показано, что локализация той или иной N0-^^ тазы влияет на клеточный ответ [113, 170, 189]. Это обстоятельство послужило основанием для формулировки и обоснования концепции клеточной и субклеточной компартментализации N0-^^^ [100, 108, 109, 142, 143, 164]. Эта концепция включает представления о пространственной аллостерической модуляции N0-синтаз специальными белками-посредниками, которые ограничивают и направляют влияние N0 на клеточные мишени для специфичного ответа на заданный стимул [100, 109, 143, 181-183].
Важную роль в регуляции содержания оксида азота в организме человека и животных играет
механизм циклического превращения N0: Ь - аргинин —- N0 —- Ш-/N03 —- N0 [56-59]. Нарушение механизмов регуляции содержания N0 в условиях ишемии/гипоксии [27, 29, 30, 32, 33], при воспалении [17, 41], действии специфических факторов (например, стимуляции цитокинами) [98, 99, 181-183] может приводить к глубоким нарушениям в кардиомиоцитах, ведущим к сердечной недостаточности [89, 90].
Настоящий обзор включает обобщение результатов исследования авторов по циклическим превращениям оксида азота в организме млекопитающих [56-59, 62-64] и анализ данных литературы о внутриклеточной локализации N0-^^ тазных и нитритредуктазных систем, которые участвуют в механизмах регуляции содержания N0 в миокарде [89, 90, 100, 108, 109]. Кроме того, проанализированы данные литературы о регуляции N0-синтаз на уровне транскрипции и о модуляции активности конститутивных и индуцибельных форм этого фермента на посттрансляционном уровне [123, 124]. Для анализа данных литературы о регуляции содержания N0 в миокарде в норме и при некоторых видах патологии были использованы концепция цикла оксида азота и принцип цикличности, ранее предложенный и обоснованный в работах [56-59, 62, 63].
ЦИКЛ ОКСИДА АЗОТА В ОРГАНИЗМЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Ранее нами было показано, что продукты превращения N0 - ионы N02 могут весьма эффективно в условиях дефицита кислорода снова превращаться в N0 [56-59, 62-64]. Нитритные ионы, восстанавливаясь в миокарде в N0, образуют Л-конформеры МЬ^0 комплексов (рис. 1), поскольку МЬ может с лигандом N0 образовывать только эти конформеры. В отличие от МЬ, комплексы N0 с НЬ могут находиться как в Я-, так и в Т-конформации (рис. 2). Таким образом, наличие N0-синтазного механизма обеспечивает эндогенный синтез N0, ионов N02 и N03:
Ь-аргинин —- N0 — N0- /N03, (1)
а высокая активность нитритредуктазных систем создает условия для того, чтобы цепочка (1) функционировала как замкнутый цикл, который был назван нами циклом N0 (рис. 3). Для ферментативного окисления Ь-аргинина при участии N0-синтаз, как указывалось выше, требуется кислород. Поэтому при ишемии/гипоксии N0-синтазный механизм должен ингибироваться. В то же время дефицит кислорода является тем фактором, который обеспечивает активную работу нитритредуктазных систем, связанных с гем-
содержащими белками - НЬ, МЬ, цитохромокси-дазой и цитохромом Р-450.
Действительно, как указывалось ранее, восстановление ионов N0- в N0 происходит в крови и клетках тканей [56, 62]. Важную роль в восстановлении N02 в крови играет НЬ, причем восстанавливать ионы N0- в N0 может лишь дезокси-НЬ [62, 80, 112]. Кислород, связанный с НЬ, препятствует превращению N02 в N0 [56-59, 62, 80, 112]. В миокарде и скелетных мышцах такую же нитритредуктазную активность может проявлять МЬ, находящийся в дезоксиформе [62, 179]. В тканях, содержащих и не содержащих МЬ, восстановление ионов N02 в N0 осуществляется в митохондриях и микросомах [59, 63]. В митохондриях, как указывалось выше, нитритредуктазной активностью обладает цитохромоксидаза [59, 63], а в микросомах - цитохром Р-450 [63]. Таким образом, гемсодержащие белки - НЬ, МЬ, цитохромоксидаза и цитохром .Р-450, обычно взаимодействующие с кислородом, - в дезоксиформе могут восстанавливать ионы N02 в N0 и таким образом замыкать цепочку превращений (1), как указывалось выше, в единый цикл N0 (рис. 4).
В настоящее время стали известны работы, авторы которых вслед за нами стали рассматривать возможность циклических реакций с участием N0 и продуктов его превращения [4, 5, 9, 14, 17, 23-27, 36, 41, 159, 187]. При дефиците кислорода роль N0-синтазного механизма может снижаться. При этом может активироваться более мощная нитритредуктазная компонента, которая, как было показано ранее, почти на три порядка выше, чем N0-синтазная [59, 62, 63, 194]. Имеются основания полагать, что активация этой мощной компоненты в условиях ишемии/гипоксии может быть дополнительным фактором и одной из составляющих ишемического повреждения мио-кардиоцитов в период реоксигенации.
Известно также, что вклад в несинтазный путь образования N0 могут вносить ксантиноксидоре-дуктаза и гемсодержащие белки - дезоксигемо-глобин, а также дезоксимиоглобин, цитохромоксидаза и цитохром Р-450 [59, 63, 112, 179, 187, 194]. Кроме того, ряд ученых, изучающих неэнзимати-ческий путь образования N0, пришли к выводу о том, что N0 может образовываться из нитрита в зоне ишемии в результате снижения рН с 7.4 до 5.5 (после 30 мин ишемии сердца) [194]. При этом они наблюдали 100-кратное увеличение концентрации N0 по сравнении с исходной [194]. Таким образом, в настоящее время уже нельзя ограничиваться лишь рассмотрением действия N0-^^ тазной реакции в клетках тканей и в организме в целом [112]. Необходимо также учитывать дей-
Гистидин F8 н
ГСх
N
СС
СН2 н
НС
I с СН2
С Гистидин Е7 Н
Плоскость гема
Гистидин Е7
ГЕМ
Рис. 1. Спектр ЭПР (а) и локализация железа гема в Л-конформерах МЬ^0 комплексов. Для этих конформеров характерна прочная связь железа гема с N0. Такие комплексы возникают в миокарде при действии N0-генерирующиx соединений или активации конститутивных (N05-1, N05-3) и индуцибельной (N05-2) N0-синтаз.
а
ствие мощной нитритредуктазной компоненты, связанной с гемсодержащими белками, находящимися в дезокси-форме [25-28, 59, 63, 112, 179, 194]; нитратредуктазной компонентой, обусловленной действием Мо-содержащих белков и, в первую очередь, ксантиноксидоредуктазного комплекса [59, 63]; и, наконец, с действием неэн-зиматического пути образования N0, связанного с превращением нитритов в N0 в зоне с пониженным рН [194] (рис. 5).
Однако при физиологических условиях сила "слабой" N0-синтазной компоненты заключает-
ся в том, что именно она лимитирует поступление субстрата N02 для "сильной" нитритредуктазной, состоящей из гемсодержащих белков, находящихся в дезокси-форме [59, 63], и неэнзима-тической [194] компонент цикла оксида азота. Другими словами, по-видимому, здесь действует принцип, аналогичный принципу дополнительности, хорошо известный физикам: сила "слабой" компоненты - в слабости "си
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.