Оксид азота: биологическая роль и механизмы действия¶

Оксид азота (монооксид азота, NO) — неорганическое соединение, простейший оксид азота, который в живых организмах выполняет функцию универсального сигнального медиатора. В отличие от большинства газообразных молекул, NO является свободным радикалом, что обусловливает его высокую реакционную способность и короткое время жизни в биологических средах (несколько секунд). В 1998 году за открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Роберту Ферчготту, Луису Игнарро и Фериду Мураду.

¶История открытия

Долгое время оксид азота рассматривался исключительно как токсичный компонент атмосферного загрязнения и промежуточный продукт бактериального метаболизма. В 1980 году Роберт Ферчготт и Джон Зовадски установили, что расширение кровеносных сосудов под действием ацетилхолина зависит от целостности эндотелия, который выделяет нестабильный гуморальный фактор. В 1986—1987 годах Луис Игнарро и Сальвадор Монкада независимо друг от друга идентифицировали этот фактор как оксид азота. Дальнейшие исследования показали, что NO синтезируется в клетках млекопитающих из аминокислоты L-аргинина ферментами NO-синтазами.

¶Биосинтез

Синтез NO в тканях катализируется семейством ферментов NO-синтаз (NOS), которые преобразуют L-аргинин в L-цитруллин и NO. Выделяют три основные изоформы:

• Эндотелиальная NOS (eNOS, NOS3) — конститутивно экспрессируется в эндотелии сосудов, активность зависит от концентрации кальция и кальмодулина. Обеспечивает базальный уровень NO в кровеносном русле.
• Нейрональная NOS (nNOS, NOS1) — локализована в нейронах центральной и периферической нервной системы, участвует в синаптической передаче и долговременной потенциации.
• Индуцибельная NOS (iNOS, NOS2) — экспрессируется в макрофагах и других клетках иммунной системы в ответ на цитокины и бактериальные липополисахариды. Работает в высоких концентрациях, не зависит от кальция и обеспечивает цитотоксический эффект.

¶Механизмы действия

Основной механизм действия NO — активация растворимой гуанилатциклазы. Связывание NO с гемовой группой фермента приводит к конформационным изменениям и увеличению синтеза циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ). цГМФ, в свою очередь, активирует протеинкиназу G, которая фосфорилирует белки-мишени, регулирующие тонус гладкой мускулатуры, агрегацию тромбоцитов и нейрональную активность.

Помимо цГМФ-зависимого пути, NO может вступать в реакции с супероксид-анионом с образованием пероксинитрита (ONOO⁻). Это соединение обладает выраженными окислительными свойствами и участвует в патогенезе воспалительных и ишемических повреждений. Также NO способен нитрозилировать тиоловые группы белков (S-нитрозилирование), что модулирует активность множества ферментов и рецепторов.

¶Физиологические функции

¶Сердечно-сосудистая система

NO является главным эндотелиальным фактором релаксации сосудов. Он вызывает вазодилатацию, снижает артериальное давление, ингибирует агрегацию и адгезию тромбоцитов, предотвращает пролиферацию гладкомышечных клеток сосудистой стенки. Нарушение продукции NO эндотелием рассматривается как ранний маркер атеросклероза и фактор риска гипертонической болезни.

¶Нервная система

В центральной нервной системе NO выступает в роли ретроградного мессенджера: синтезируется в постсинаптическом нейроне и диффундирует к пресинаптическому окончанию, усиливая высвобождение нейромедиаторов. Этот механизм важен для процессов обучения и памяти. В периферической нервной системе NO участвует в регуляции моторики желудочно-кишечного тракта и расслаблении кавернозных тел полового члена.

¶Иммунная система

Индуцибельная NO-синтаза в макрофагах продуцирует высокие концентрации NO, обладающие бактерицидным и цитотоксическим действием. Оксид азота повреждает ДНК и ферменты патогенов, а также модулирует активность других клеток иммунной системы, включая Т-лимфоциты.

¶Другие функции

NO участвует в регуляции тонуса бронхов, моторики мочевыводящих путей, секреции инсулина поджелудочной железой и ангиогенеза. Вдыхаемый газообразный NO применяется в неонатологии для лечения персистирующей легочной гипертензии новорожденных.

¶Патологические аспекты

Избыточная продукция NO, особенно индуцибельной NO-синтазой, наблюдается при септическом шоке, хронических воспалительных заболеваниях кишечника, ревматоидном артрите и нейродегенеративных процессах. Образование пероксинитрита способствует повреждению клеток и тканей. Дефицит NO, напротив, ассоциирован с эндотелиальной дисфункцией, гипертензией и эректильной дисфункцией.

¶Фармакологическое значение

Понимание роли NO привело к созданию лекарственных препаратов, влияющих на эту систему. Нитроглицерин и другие органические нитраты действуют как доноры NO и используются для купирования приступов стенокардии. Ингибиторы фосфодиэстеразы-5 (силденафил, тадалафил) усиливают эффекты NO, блокируя распад цГМФ, и применяются при эректильной дисфункции и легочной гипертензии. Ведутся разработки селективных ингибиторов индуцибельной NO-синтазы для терапии сепсиса.

¶Источники

• Монкада С., Палмер Р. М., Хиггс Э. А. «Открытие оксида азота как сигнальной молекулы» // Nitric Oxide: Biology and Chemistry, 1991.
• Игнарро Л. Дж. «Оксид азота: уникальная сигнальная молекула» // Angewandte Chemie, 1999.
• Керр С. и др. «Нитрозилирование белков и редокс-регуляция» // Annual Review of Biochemistry, 2019.
• Учебник «Биологическая химия» под ред. Северина Е. С., 2019.