WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ ОКСИД АЗОТА – РЕГУЛЯТОР КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА А. Ф. ВАНИН Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва ОТКРЫТИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ОКСИДА АЗОТА NITRIC OXIDE AS REGULATOR К середине 80-х годов XX века усилиями многочисленOF INTRACELLULAR METABOLISM ных исследователей в биологии сложилась достаточно стройная картина системы регуляции клеточного и A. F. VANIN тканевого метаболизма. Она включает в себя клеточные рецепторы, расположенные на внешней стороне The history of the discovery of nitric oxide's клеточной мембраны, реагирующие на гормоны, циregulatory functions in biological systems is токины и другие биологически активные агенты. С поpresented; the biochemical mechanisms of NO мощью специального внутримембранного белка, выполняющего сигнальные функции (белки этого типа formation in a cell are described, and a brief относятся к классу так называемых G-белков), сигнал overview of various physiological manifestaот рецепторов передается на другой белок. Этот белок, tions of the nitric oxide action is given.

расположенный на внутренней стороне клеточной мембраны, в свою очередь, обеспечивает синтез так назыРассказано об истории открытия регуляваемых вторичных мессенджеров. Последние и осущеторных функций оксида азота в биологиче- ствляют регуляцию клеточного метаболизма [1]. Среди вторичных мессенджеров особое внимание исследоских системах, рассмотрены биохимические вателей привлекал циклический аденозинмонофосфат механизмы образования NO в клетке и дан (цАМФ), образующийся из главной энергетической краткий обзор разнообразных физиологи“валюты” биосистем – аденозинтрифосфорной кислоческих проявлений действия оксида азота.

ты (АТФ) при участии мембраносвязанного белка – аденилатциклазы. Оказалось, что аналог цАМФ – циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), возникающий из другого нуклеотида – гуанозинтрифосфорной кислоты (ГТФ), также способен влиять на внутриклеточные процессы. Особый интерес вызывало его сосудорасширяющее действие, обусловленное высвобождением из гладкой мускулатуры сосудов внутриклеточного кальция. Попытки выделить фермент, способный осуществлять превращение ГТФ в цГМФ – гуанилатциклазу (по современной терминологии, гуанилилциклазу), привели к неожиданному результату.

Оказалось, что наряду с мембраносвязанной формой этого фермента существует и его водорастворимая форма, достаточно активно продуцирующая цГМФ из ГТФ. Обнаружение этой формы не соответствовало сложившимся к тому времени представлениям о механизме синтеза вторичных мессенджеров, предполагавшего мембраносвязанную природу ферментов, ответwww.issep.rssi.ru ственных за образование цГМФ. Предполагалось, что только в этом случае возможна передача регулирующего ВАНИН А.Ф. ОКСИД АЗОТА – РЕГУЛЯТОР КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА Ванин А.Ф., © БИОЛОГ ИЯ сигнала на эти ферменты от находящегося в мембране зогенных), но и из эндогенных источников. Иными G-белка, который активируется соответствующим ре- словами, NO может продуцироваться как регулятор цептором. Однако было установлено, что растворимая жизнедеятельности сердечно-сосудистой системы есгуанилилциклаза активируется под влиянием различ- тественным образом, в ходе метаболических процесных водорастворимых соединений без участия соеди- сов. Аналогичное предположение высказывалось в то нений, вызывающих активацию клеточных рецепто- же время и другим исследователем гуанилилциклазы – ров. Среди них оказались и лекарственные соединения ныне покойным немецким ученым Эйком Бёме. Это типа органических нитратов и нитропруссида натрия, предвидение блестяще подтвердилось в дальнейшем.

известные своим сосудорасширяющим (вазодилатирующим) действием. Первое время полагали, что эти ле- ОКСИД АЗОТА – НОВЫЙ МАТЕРИК В БИОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКЕ карства действуют на гуанилилциклазу как агенты, влияющие на окислительно-восстановительное состоК этому времени в другой области биологии – имяние тиоловых групп молекулы гуанилилциклазы. Одмунологии существовали данные, которые, как оказанако сопоставление активации этого фермента, с одлось в дальнейшем, также имели отношение к биолоной стороны, органическими нитратами и особенно гическому действию NO. Речь идет об обнаружении нитропруссидом натрия, содержащими соответственнакопления нитратов и нитритов в среде инкубации но нитро- или нитрозогруппы, и, с другой стороны, иммуноактивных макрофагов (то есть макрофагов, споразличными редокс-агентами, окисляющими или воссобных обеспечивать ответ системы клеточного имстанавливающими соответственно тиоловые или димунитета). Накопление нитратов и нитритов коррелисульфидные группы в белках, показало существенно ровало с цитотоксическим действием макрофагов на более резко выраженное действие на фермент органиклетки-мишени. Позже было показано, что нитраты и ческих нитратов и нитропруссида. Этот результат познитриты появляются в этой системе как продукты волил группе американских исследователей во главе с окисления оксида азота, продуцируемого активироФеридом Мьюрэдом в конце 70-х годов предположить, ванными макрофагами, который и ответствен за их цичто высокая активность нитро- и нитрозосодержащих тотоксическое действие. Однако решающий прорыв, сердечно-сосудистых лекарств обусловлена их способопределивший бурное развитие новой отрасли биолоностью продуцировать оксид азота (NO), который и гии – биологии оксида азота, был сделан американявляется активатором гуанилилциклазы. Было предпоским физиологом Робертом Форчготтом. В 1980 году в ложено, что связывание NO с этой группой приводит к журнале “Nature” появилась его статья, в которой соконформационным изменениям гуанилилциклазы, что общалось об открытии в изолированных кровеносных и вызывает ее активацию. Эксперименты по обработке сосудах так называемого эндотелиального фактора регуанилилциклазы газообразным оксидом азота полнолаксации сосудов (ЭФРС, английский термин – “enстью подтвердили высказанное предположение. Таким dothelium-derived relaxing factor”, EDRF). Этот агент образом, впервые было продемонстрировано положипродуцировался в клетках кровеносных сосудов, вытельное биологическое действие NO, который раньше стилающих внутреннюю сторону сосуда (так называерассматривался только как вредный промышленный мые эндотелиальные клетки), в ответ на ацетилхолин, отход или опасный инициатор синтеза канцерогенных брадикинин и другие биологически активные вещества нитрозоаминов в организме животных и человека.



и вызывал расслабление гладкой мускулатуры сосудов.

Результаты группы Мьюрэда позволили понять ме- Время жизни ЭФРС оказалось чрезвычайно коротким:

ханизм сердечно-сосудистого действия органических в экспериментах с сосудом-донором ЭФРС и удаленнитратов, и среди них наиболее известного – нитро- ным от него предварительно сокращенным сосудомглицерина, использовавшегося в медицине уже более акцептором ЭФРС последний оказывал вазодилатасотни лет. Стало ясно, что способность нитроглицери- торное действие на сосуд-акцептор только в течение 6 с на купировать сосудистые спазмы обусловлена проду- (время пролета капли с ЭФРС от сосуда-донора к сосуцированием из него оксида азота. Активация им гауни- ду-акцептору). За это время вазодилатирующая активлилциклазы обеспечивает накопление цГМФ, запуска- ность этой капли снижалась до нуля. Короткое время ющего цепь биохимических процессов, приводящих к жизни ЭФРС в значительной степени определяется его выбросу кальция из гладкомышечных клеток сосудов и взаимодействием с кислородными радикалами (супертем самым к их расслаблению (вазодилатации).

оксидные радикалы O•- ), образующимися в клетках и тканях в ходе их жизнедеятельности [2].

Интересно, что еще в конце 70-х годов XX века Ф. Мьюрэд предположил, что оксид азота как регуля- Выяснению природы ЭФРС способствовали дантор гуанилилциклазы может продуцироваться в орга- ные группы Мьюрэда о вазодилатирующей активности низме животных и человека не только из внешних (эк- оксида азота, а также предыдущие исследования самого СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №11, БИОЛОГ ИЯ Р. Форчготта, изучавшего вазодилататорное действие различными производными аргинина. Использование нитрита натрия (NaNO2). Действие NaNO2 резко воз- специфических ингибиторов синтеза NO существенно растало при фотолизе нитрита, приводившего к гене- облегчило поиск биосистем, способных продуцировать рации NO. Через 6 лет после открытия ЭФРС Р. Форч- этот агент.

готт с сотрудниками показали, что поведение этого Оказалось, что оксид азота в качестве необходимоагента как вазодилататора напоминает поведение NO.

го компонента участвует в работе желудочно-кишечноОтсюда было сделано предположение, что ЭФРС или го тракта и мочеполовой системы, функционировании идентичен NO, или последний является составляющей секреторных клеток и тканей, в частности в выработке частью ЭФРС. Аналогичное предположение одновреинсулина, в работе органов дыхания, жизнедеятельноменно с Р. Форчготтом было сделано американским сти кожного покрова и болевой реакции, в качестве инфармакологом и физиологом Луисом Игнарро, активгибирующего фактора регулирует тромбообразование но изучавшим ЭФРС и назвавшим его оксидом азота и адгезию тромбоцитов на поверхности сосудов. Важэндотелиального происхождения (endothelium-derived ным звеном в регуляции работы многих внутренних nitric oxide, EDNO).

органов вегетативной нервной системой является генеВскоре эта гипотеза была проверена группой анграция NO в нервных окончаниях, иннервирующих орлийского исследователя латиноамериканского происганы, в частности органы желудочно-кишечного тракхождения Сальвадора Монкады, использовавшей для та. Особый интерес вызвал факт функционирования регистрации NO метод хемилюминесцентного анализа этого агента в работе репродуктивной системы живот(свечение продукта реакции NO с озоном) [3]. В капле ных и человека.

с ЭФРС, снятой с культуры эндотелиальных клеток, В центральной нервной системе оксид азота обесадсорбированных на шариках смолы и активированпечивает выделение нейромедиаторов, участвует в ных брадикинином, они действительно обнаружили синаптической передаче и формировании длительно оксид азота. Более того, было показано, что оксид азофункционирующих связей между нейронами – постсита, обнаруживаемый в препарате ЭФРС и подведенный наптической потенциации, лежащей в основе памяти, в том же количестве в свободном виде к предварительобучения, наконец, творческой деятельности человека.

но сокращенному сосуду, вызывает такое же его расслабление, как и сам ЭФРС. Отсюда был сделан вывод Регуляторные функции NO проявляются при его об идентичности ЭФРС и NO. Вскоре после этого ангконцентрациях в нескольких микромолей на 1 кг ткани.

лийские исследователи (Джон Гарствэйт с сотрудникаПри больших концентрациях проявляется цитотоксими) обнаружили, что срезы ткани мозга животных при ческое или цитостатическое действие этого агента. Таих возбуждении выделяют вещество, способное аналокое действие полезно при работе системы клеточного гично ЭФРС расслаблять изолированные сосуды. Акиммунитета, обеспечивающего ее действие на клеткитивным компонентом этого вещества оказался тот же мишени. При повышенной генерации NO, которое обоксид азота.

наруживается при разнообразных патологиях в гладкой мускулатуре сосудов, миокарде, нервной ткани и ткаОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДА АЗОТА В КЛЕТКЕ нях секреторных органов, действие оксида азота приИ ЕГО ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ водит к трудно поправимым отрицательным последствиям. Так, например, усиленный синтез NO в сосудах Еще до публикаций Р. Форчготта (1986) и С. Монкады при бактериальной инфекции организма может закан(1987) американские исследователи (Майкл Марлетта с соавторами) получили данные о генерации NO в био- чиваться эндосептическим шоком, обусловленным резким снижением периферического сопротивления кросистемах. Они первые сделали вывод, что оксид азота, генерируемый активированными макрофагами, ответ- веносных сосудов из-за их значительного расслабления ствен за их цитотоксическое действие. Спустя некото- оксидом азота с быстрым необратимым снижением рое время американский иммунолог Джон Хиббс пока- кровяного давления. Другой пример: при усиленной активации синтеза NO в нейронах, вызванной ослаблезал, что источником NO в активированных макрофагах выступает единственное вещество – аминокислота ар- нием снабжения этих клеток кислородом и питательгинин. Позже М. Марлетта описал схему реакций, при- ными веществами при повреждении кровеносных соводящих к образованию NO из аргинина, превращаю- судов, NO может оказывать цитотоксическое действие на соседние нейроны. В результате развивается мозгощегося при этом в другую аминокислоту – цитрулин:





вой инсульт. Таким образом, оксид азота как активный L- аргинин L- цитрулин оксид азота биологический агент может оказывать как положительСтало ясно, что образование NO в биосистемах – ное (регуляторное) действие, так и существенно отриферментативный процесс, который может подавляться цательное, приводящее к разнообразным патологиям.

ВАНИН А.Ф. ОКСИД АЗОТА – РЕГУЛЯТОР КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА БИОЛОГ ИЯ ФЕРМЕНТЫ, продукция NO полностью прекращается и все изозимы СИНТЕЗИРУЮЩИЕ ОКСИД АЗОТА NOS начинают генерировать только супероксидные радикалы (O-• ).

В 90-е годы XX века биохимикам удалось выделить в чистом виде три изоформы фермента, ответственного ПЕРОКСИНИТРИТ – ЦИТОТОКСИЧЕСКИЙ за синтез NO из L-аргинина – так называемые NOПРОДУКТ ОКСИДА АЗОТА синтазы (NOS). Две изоформы, которые постоянно Генерация супероксидных радикалов при одновременприсутствуют в клетках (так называемые конститутивном синтезе NO опасна тем, что эти агенты легко встуные формы), были получены из эндотелиальных клепают в реакцию с высокой скоростью с образованием ток сосудов (еNOS) и нервной ткани (nNOS). Третья аниона пероксинитрита (ONOO- ):

изоформа, выделенная из активированных макрофагов, синтезируется под действием цитокинов и других NO + O-• ONOOбиологически активных веществ, появляющихся в организме при патологиях, требующих вмешательства При физиологических (нейтральных) значениях рН иммунной системы. Эта изоформа обозначается как этот анион протонируется и быстро (в течение секуниндуцибельная NOS (iNOS).

ды) распадается:

В активном состоянии все изоформы NOS предONOO- + H+ OH• + NOставляют собой димеры, образованные двумя идентичТем не менее даже за такое короткое время протонироными субъединицами, молекулярные массы которых ванная форма пероксинитрита как очень сильный равны 135 (для еNOS), 160 (для nNOS) и 130 кДа (для окислитель может оказать значительное отрицательное iNOS). Суединицы всех изоформ состоят из двух домевоздействие на клеточные компоненты.

нов: редуктазного (со стороны С-конца) и оксигеназного (со стороны N-конца) (рис. 1). Считают, что именно пероксинитрит выступает в качестве основного цитотоксического/цитостатичесРедуктазный домен осуществляет перенос электрокого агента, продуцирумого макрофагами и направлянов от восстановительного субстрата – никотинамидемого на клетки-мишени. Его появление определяет, динуклеотидфосфата (NADPH) по цепи переноса элепо-видимому, и цитотоксическое действие повышенктронов, включающей флавинадениндинуклеотид и ных концентраций NO в неиммунокомпетентных клетфлавинаденинмононуклеотид (FAD и FMN), на оксиках и тканях при различных патологиях. Накоплению геназный домен. Оксигеназный домен содержит гепероксинитрита в них способствует активация синтеза мовую группу, вблизи которой связываются молекулы iNOS и супероксида, характерная для различных патоL-аргинина и кислорода. На этом участке фермента логий.

происходит окисление L-аргинина с выделением из него молекулы NO. В оксигеназном домене сущестКАК МОЖНО ОБНАРУЖИТЬ венную роль играет связывание с ним молекулы (6R)-5,6,7,8-тетрагидро-L-биоптерина (ВН4). Без ВН4 ОКСИД АЗОТА В КЛЕТКЕ Взаимодействие NO с супероксидом существенно снижает его уровень в клетках и тканях, что затрудняет e– NADPH NADPH e– количественные измерения NO. Для улавливания NO FAD FAD нашей группой было предложено использовать специальные ловушки – комплексы двухвалентного железа с FMN FMN BH4 BHпроизводными тиокарбоновой кислоты – дитиокарбаArg Arg мата (R2NCS-, где группа R, например, представляет собой С2Н5). Эти комплексы связывают молекулу NO Рис. 1. Структура димера NOS. Редуктазный домен и образуют относительно стабильные парамагнитные включает в себя переносчики электрона флавинадекомплексы с железом, которые можно зарегистрирониндинуклеотид (FAD) и флавинаденинмононуклеовать методом электронного парамагнитного резонанса тид (FMN), с помощью которых осуществляется перенос электронов от никотинамиддинуклеотидфос- (ЭПР). По интенсивности сигнала ЭПР (рис. 2) можно фата (NADPH) на оксигеназный домен. Оксигеназный судить о количестве продуцируемого NO (подробнее о домен, в котором происходит окисление L-аргинина методе ЭПР и его биологических применениях см. [4]).

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.