Мобильная версия

Журнал «Здоровье ребенка» 6 (66) 2015

Активированные азотсодержащие метаболиты организма человека при заболеваниях органов дыхания. Генераторы и генерация (часть 1)

Авторы: Абатуров А.Е. - ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины»; Волосовец А.П. - Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев; Борисова Т.П. - ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины»

Рубрики: Педиатрия/Неонатология

Разделы: Справочник специалиста

В обзоре литературы изложена история открытия монооксида азота, рассмотрена характеристика нитрооксидсинтаз, представлены современные данные об активированных азотсодержащих метаболитах человеческого организма при заболеваниях органов дыхания.

В огляді літератури викладена історія відкриття монооксиду азоту, розглянута характеристика нітрооксидсинтаз, представлені сучасні дані щодо активованих азотовмісних метаболітів людського організму при захворюваннях органів дихання.

This literature review outlines the history of the discovery of nitric oxide, considers the characteristics of nitric oxide synthases, presents current data about the activated nitrogen-containing metabolites of the human body in diseases of the respiratory system.

Ключевые слова

активированные азотсодержащие метаболиты, легкие.

активовані азотовмісні метаболіти, легені.

activated nitrogen-containing metabolites, lungs.

Статья опубликована на с. 147-152

Введение

Молекула монооксида азота (NO), которая генерируется во время преобразования L-аргинина в L-цитруллин в большинстве клеток человека, является короткоживущей молекулой. NO в качестве вторичного мессенджера участвует в регуляции множества физиологических функций и процессов. В частности, влияет на экспрессию генов, выживаемость и пролиферацию различных типов клеток, обладает бактерицидными свойствами, участвует в контроле функционирования иммунной системы, регулирует тонус бронхиального дерева, сосудов, подвижность ресничек реснитчатого эпителия бронхов, активность неадренергической нехолинергической нейротрансмиссии, тромбоцитарную активность, выполняет цитотоксические и цитостатические защитные функции [5, 37, 39, 40, 44, 46]. Действие NO в организме млекопитающих зависит от уровня концентрации этой убиквитарной молекулы. Высокая концентрация NO, индуцированная воспалительной реакцией, может привести к развитию оксидативного, нитрозативного стресса и гибели собственных клеток. В то же время низкие концентрации NO непосредственно способствуют пролиферации и выживанию клеток [45].

Впервые в 1772 году NO, бесцветный и ядовитый газ, был открыт британским богословом и химиком Джозефом Пристли, который показал, что взаимодействие разбавленной азотной кислоты с медью может протекать в виде следующей реакции: 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O. Газообразный продукт данной реакции Джозеф Пристли назвал селитряным воздухом. Асканьо Собреро, исследуя взрывчатые вещества на основе пироксилина и других нитросульфатов, открыл в 1847 году нитроглицерин и отметил, что воздействие малых доз этого вещества вызывает сильную головную боль. Уильям Меррелл впервые использовал нитроглицерин при лечении стенокардии в 1876 году. Спустя 100 лет, в 1977 году Ферид Мурад обнаружил влияние нитроглицерина на тонус гладких мышц сосудов [26, 31]. Robert Francis Furchgott и John V. Zawadzki [19] в 1980 году предположили, что эндотелий продуцирует фактор, релаксирующий сосуды (endothelium-derived relaxing factor — EDRF), на самом деле этим фактором являлся монооксид азота. Так началась новая эра NO. Роберту Фрэнсису Ферчготту, Луису Игнарро и Фериду Мураду в 1998 году за открытие сигнальных свойств молекулы NO была присуждена Нобелевская премия [35]. В 1992 году NO была названа молекулой года, как молекулярный мессенджер и регулятор клеточных функций [13].

В дыхательных путях NO продуцируется нитрооксидсинтазами самых разнообразных клеток — эпителиоцитов, эндотелиоцитов, провоспалительных клеток иммунной системы (макрофагов, нейтрофилов, тучных клеток, Т-лимфоцитов), нейронов. Несмотря на то что уровень продукции NO эпителиоцитами не превышает объемы генерации NO макрофагами, эпителий респираторного тракта считают уникальным континуумным паттерном, который участвует в обмене NO [21, 38].

В 1994 году группа ученых под руководством Lars E. Gustafsson [36] впервые показала, что у больных бронхиальной астмой достоверно повышен уровень концентрации NO в выдыхаемом воздухе и жидкости бронхоальвеолярного лаважа. Было доказано, что данное повышение концентрации NO связано с усилением экспрессии нитрооксидсинтаз и сопряжено со степенью активности эозинофильного воспаления слизистой оболочки бронхиального дерева. Увеличение концентрации NO в выдыхаемом воздухе наблюдается при острых респираторных вирусных инфекциях, бронхоэктатической болезни, саркоидозе легких, фиброзирующем альвеолите. Снижение содержания NO в выдыхаемом воздухе характерно для пациентов с первичной цилиарной дискинезией (синдром Картагенера), муковисцидозом, дефицитом α1-антитрипсина, легочной артериальной гипертензией (табл. 1) [12, 18].

Характеристика нитрооксидсинтаз

Монооксид азота синтезируется нитрооксидсинтазами (NOS, КФ 1.14.13.39) из L-аргинина при участии кислорода, НАДФ, ионов Са2+ [11].

Известны три типа нитрооксидсинтаз: нейрональная нитрооксидсинтаза (nNOS, NOS1), индуцибельная или макрофагальная нитрооксидсинтаза (iNOS, mNOS, NOS2), эндотелиальная нитрооксидсинтаза (eNOS, NOS3). Также выделяют митохондриальную нитрооксидсинтазу (mtNOS), ассоциированную с внутренней мембраной митохондрии. mtNOS является альфа-изоформой nNOS, у молекулы которой ацилированы тирозиновый и сериновый остатки. Она участвует в процессе обратимого торможения потребления кислорода и АТФ [8, 10, 20]. Нейрональная нитрооксидсинтаза (nNOS, NOS1) экспрессируется нейронами, эпителиоцитами, эндотелиоцитами мелких артерий, тромбоцитами, миоцитами, -f3-клетками поджелудочной железы [6]. Индуцибельная или макрофагальная нитрооксидсинтаза (iNOS, NOS2) экспрессируется макрофагами, нейтрофилами, эпителиоцитами респираторного тракта, а также кардиомиоцитами, глиальными клетками, миоцитами сосудов, эндотелиоцитами и нейронами [34]. Эндотелиальная нитрооксидсинтаза (eNOS, NOS3) экспрессируется эндотелио-цитами, тромбоцитами, кардиомиоцитами, нейронами [16, 29, 30].

Различные изоформы нитрооксидсинтаз в организме человека выполняют следующие функции: nNOS преимущественно участвует в нейротрансмиссии и регуляции артериального давления, iNOS — в неспецифической противоинфекционной защите и модуляции воспалительного процесса, eNOS — в поддержании вазодилатации, вазопротекции и предупреждении развития атеросклероза [18].

Молекула nNOS (161 kDa) состоит из 1434 аминокислотных остатков, iNOS (131 kDa) — из 1153 аминокислотных остатков, eNOS (133 kDa) — из 1203 аминокислотных остатков [4, 28]. Гены, кодирующие nNOS, располагаются на хромосоме 12 (12q24.2-12q24.3), iNOS — на хромосоме 17 (17ql1.2-q12), еNOS — на хромосоме 7 (7q35-7q36) [9, 32].

Молекула NOS представляет собой гомодимер. Каждая субъединица последнего состоит из редуктазного С-терминального домена, содержащего никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), флавинаденина динуклеотид (ФАД), флавина мононуклеотид (ФМН), связывающие сайты, и оксигеназного N-терминального домена, содержащего связывающие сайты цитохром-Р450-подобного гемпротеина, L-аргинина и тетрагидроптерина (BH4), и кальмодулин-(CaM)-связывающей области, объединяющей редуктазный и оксигеназный домены. Домены ФАД и ФМН переносят электроны от НАДФ на гемсодержащий активный центр [14, 27]. Отличительным признаком молекулы nNOS является наличие в N-терминальном регионе PDZ домена, который связывается с гидрофобными аминокислотами C-концов протеинов мембраны или цитоскелета клетки, удерживая nNOS в необходимом месте; а молекулы eNOS — существование сайтов, которые участвуют в миристилировании (myr) — посттрансляционной модификации, которая заключается в присоединении к глицину цепи жирной миристиновой (тетрадекановой) кислоты, и пальмитилировании (palm), т.е. в присоединении к тиоловой группе цистеинового остатка алифатической пальмитиновой кислоты (рис. 1) [4].

Все ферменты NOS синтезируются в виде мономеров, но полностью активны только в состоянии гомодимеров, поэтому медикаментозное управление димеризацией NOS имеет особенное значение [25]. Мономерные формы NOS тоже способны переносить электроны с НАДФН на флавины ФАД и ФМН, так как могут связать кальмодулин (CaM), который и стимулирует перенос электронов, но имеют ограниченные возможности по восстановлению молекулярного кислорода. Однако мономерные формы NOS не в состоянии связаться с кофактором BH4 или L-аргинином и не катализируют генерацию NO. Связывание мономера NOS с гемом индуцирует димеризацию — гем является единственным кофактором, который абсолютно необходим для формирования активных димеров NOS. Гем также имеет значение для взаимодействия редуктазного и оксигеназного доменов, а также для междоменного переноса электрона от флавинов к гему противоположного мономера. Гем обусловливает перенос электронов на молекулу кислорода с образованием супероксиданиона радикала. При достаточном обеспечении субстратом — L-аргинином — и в присутствии кофактора BH4 димеры NOS генерируют NO с образованием L-цитруллина как побочного продукта [17].

Каждая изоформа NOS имеет определенные места локализации во внутриклеточном пространстве клетки (табл. 2) [41, 42].

В зависимости от характера функционирования различают конститутивные NOS (cNOS — NOS1, NOS3) и индуцибельную NOS (iNOS — NOS2). Конститутивные формы NOS являются кальций-кальмодулин-зависимыми ферментами со спонтанной активностью продукции низких концентраций NO. iNOS — кальций-независимый фермент, прочно связанный с кальмодулином, способный синтезировать высокие концентрации NO, однако для его возбуждения требуются триггерные факторы — патоген-ассоциированные молекулярные структуры (РАМP) инфекционных агентов или цитокины. nNOS является только конститутивной, mNOS — только индуцибельной формой, eNOS в 80 % случаев является конститутивной и в 20 % — индуцибельной ферментативной формой [6, 24]. В настоящее время получены доказательства, что синтез NOS1 и NOS3 также может иметь индуцированный, а NOS2 — конститутивный характер [3].

В последнее время были представлены доказательства физической ассоциации изоформ NOS с различными структурными и регулирующими белками (табл. 3) [23, 33, 43].

Активированные азотсодержащие метаболиты

Монооксид азота легко вступает в реакцию с различными молекулами внутриклеточной среды, образуя различные азотсодержащие метаболиты, обладающие преимущественно цитотоксическим действием. Основными реакциями, в которых участвует NO, являются образование пероксинитрита, нитрозилирование, нитрование тирозина (табл. 4).

Взаимодействие NO c супероксидным анион-радикалом приводит к образованию пероксинитрита (ONOO–), который обладает высокой бактерицидной и цитотоксической активностью. Считают, что примерно 15 % образующихся в организме супероксидных анион-радикалов участвует в образовании пероксинитрита, а остальные 85 % — в образовании перекиси водорода. Сформированный в митохондриях пероксинитрит, конкурируя с молекулярным кислородом, блокирует дыхательную цепь и способствует высвобождению цитохрома С — индуктора апоптоза клеток. Нитрозилирование — это реакция NO с цистеиновыми аминокислотными остатками протеинов, в результате которой образуются нитрозотиолы. Считают, что первично NO взаимодействует с кислородом, формируя N2O3. Последний вступает в реакцию с глутатионом с образованием S-нитрозоглутатионовой (GSNO) группы, которая является ключевым промежуточным продуктом в сигнальной трансдукции S-нитрозилирования. Под нитрованием тирозина понимают взаимодействие пероксинитрита с тирозиновым аминокислотным остатком целевых протеинов, в результате которого образуется 3-нитротирозин [22]. Нитрозилирование и нитрование тирозина целевых протеинов в респираторном тракте приводит к изменению функционирования различных внутриклеточных сигнальных каскадов, протеинов сурфактанта, мембранных каналов и др. [7, 15].

Список литературы

1. Абатуров А.Е. Роль монооксида азота в системе неспе-цифической защиты респираторного тракта // Здоровье ребенка. — 2009. — № 1 (16). — С. 130-137.

2. Козина О.В., Огородова Л.М. Образование и биологическая роль NO при аллергическом воспалении // Бюллетень сибирской медицины. — 2009. — № 3. — C. 95-105.

3. Agorreta J. Effects of Acute Hypoxia and Lipopolysaccharide on Nitric Oxide Synthase-2 Expression in Acute Lung Injury / J. Agorreta, M. Garayoa, L.M. Montuenga, J.J. Zulueta // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2003 Aug 1;168(3):287-96. doi: 10.1164/rccm.200209-1027OC.

4. Alderton W.K., Cooper C.E., Knowles R.G. Nitric oxide synthases: structure, function and inhibition // Biochem. J. 2001 Aug 1; 357(Pt 3): 593-615. PMID: 11463332.

5. Allain A. Role of nitric oxide in developmental biology in plants, bacteria, and man / A. Allain, V.T. Hoang, G.F. Lasker et al. // Curr. Top. Pharmacol. 2011; 15(2): 25-33. PMID: 24563585.

6. Arzumanian V., Stankevičius E., Laukevičienė A., Kėvelaitis E. Mechanisms of nitric oxide synthesis and action in cells // Medicina (Kaunas). 2003; 39(6): 535-41. PMID: 12829875.

7. Atochina-Vasserman E.N., Beers M.F., Gow A.J. Review: Chemical and structural modifications of pulmonary collectins and their functional consequences // Innate Immun. 2010 Jun; 16(3): 175-82. doi: 10.1177/1753425910368871.

8. Attia M.S., Lass E,. Loch Macdonald R. Nitric oxide synthases: three pieces to the puzzle? // Acta Neurochir Suppl. 2015; 120: 131-5. doi: 10.1007/978-3-319-04981-6_22.

9. Bieńkowska-Haba M. Tlenek azotu wytwarzany przez leukocyty płucne w astmie oskrzelowej // Postepy Hig. Med. Dosw (Online). 2005; 59: 584-601. PMID: 16407797.

10. Bogdan C. Nitric oxide synthase in innate and adaptive immunity: an update // Trends Immunol. 2015 Mar; 36(3): 161-78. doi: 10.1016/j.it.2015.01.003.

11. Bokhari A.R., Murrell G.A. The role of nitric oxide in tendon healing // J. Shoulder Elbow Surg. 2012 Feb; 21(2): 238-44. doi: 10.1016/j.jse.2011.11.001.

12. Cobos Barroso N. Óxido nítrico exhalado en niños: un indicador no invasivo de la inflamación de las vías aéreas / N. Cobos Barroso, E.G. Pérez-Yarza, O. Sardón Prado, C. Reverté Bover, S. Gartner, J. Korta Murua // Arch. Bronconeumol. 2008 Jan; 44(1): 41-51. PMID: 18221726.

13. Culotta E., Koshland D.E., Jr. NO news is good news // Science. 1992 Dec 18; 258(5090): 1862-5. doi:10.1126/science.1361684.

14. Doucet M.V., Harkin A., Dev K.K. The PSD-95/nNOS complex: new drugs for depression? // Pharmacol. Ther. 2012 Feb; 133(2): 218-29. doi: 10.1016/j.pharmthera.2011.11.005.

15. Evangelista A.M., Kohr M.J., Murphy E. S-nitrosylation: specificity, occupancy, and interaction with other post-translational modifications // Antioxid. Redox. Signal. 2013 Oct 10; 19(11): 1209-19. doi: 10.1089/ars.2012.5056.

16. Fleming I. Molecular mechanisms underlying the activation of eNOS // Pflugers Arch. 2010 May; 459(6): 793-806. doi: 10.1007/s00424-009-0767-7.

17. Förstermann U., Münzel T. Endothelial nitric oxide synthase in vascular disease: from marvel to menace // Circulation. 2006 Apr 4; 113(13): 1708-14. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.105.602532.

18. Förstermann U., Sessa W.C. Nitric oxide synthases: regulation and function // Eur. Heart J. 2012 Apr; 33(7): 829-37, 837a-837d. doi: 10.1093/eurheartj/ehr304.

19. Furchgott R.F., Zawadzki J.V. The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine // Nature. 1980 Nov 27; 288(5789): 373-6. PMID: 6253831.

20. Giulivi C., Kato K., Cooper C.E. Nitric oxide regulation of mitochondrial oxygen consumption I: cellular physiology // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 2006 Dec; 291(6): C1225-31. doi: 10.1152/ajpcell.00307.2006.

21. Goodrum K.J., Poulson-Dunlap J. Cytokine Responses to Group B Streptococci Induce Nitric Oxide Production in Respiratory Epithelial Cells // Infect. Immun. 2002 Jan; 70(1): 49-54. doi: 10.1128/IAI.70.1.49-54.2002.

22. Knott A.B., Bossy-Wetzel E. Nitric oxide in health and disease of the nervous system // Antioxid. Redox. Signal. 2009 Mar; 11(3): 541-54. doi: 10.1089/ARS.2008.2234.

23. Kone B.C. Protein interactions with nitric oxide synthases: controlling the right time, the right place, and the right amount of nitric oxide/ B.C. Kone, T. Kuncewicz, W. Zhang, Z.-Y. Yu // Am. J. Physiol. Renal. Physiol. 2003 Aug; 285(2): F178-90. doi: 10.1152/ajprenal.00048.2003.

24. Krumenacker J.S., Hanafy K.A., Murad F. Regulation of nitric oxide and soluble guanylyl cyclase // Brain Res. Bull. 2004 Feb 15; 62(6): 505-15. doi:10.1016/S0361-9230(03)00102-3.

25. Lee K.S. Differential effects of substrate-analogue inhibitors on nitric oxide synthase dimerization/ K.S. Lee, D.K. Lee, D. Jeoung, H. Lee, J. Choe, K.S. Ha, M.H. Won, Y.G. Kwon, Y.M. Kim // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2012 Feb 3; 418(1): 49-55. doi: 10.1016/j.bbrc.2011.12.123.

26. Levine A.B., Punihaole D., Levine T.B. Characterization of the role of nitric oxide and its clinical applications // Cardiology. 2012; 122(1): 55-68. doi: 10.1159/000338150.

27. Li D. Regulation of the Monomer-Dimer Equilibrium in Inducible Nitric-oxide Synthase by Nitric Oxide/ D. Li, E.Y. Hayden, K. Panda, D.J. Stuehr, H. Deng, D.L. Rousseau, S.-R. Yeh // J. Biol. Chem. 2006 Mar 24; 281(12): 8197-204. doi: 10.1074/jbc.M507328200.

28. Li H., Poulos T.L. Structure-function studies on nitric oxi-de synthases // J. Inorg. Biochem. 2005 Jan; 99(1): 293-30. doi:10.1016/j.jinorgbio.2004.10.016.

29. Li J., Billiar T.R. The role of nitric oxide in apoptosis // Semin. Perinatol. 2000 Feb; 24(1): 46-50. PMID: 10709859.

30. Luo S. Molecular mechanisms of endothelial NO synthase uncoupling / S. Luo, H. Lei, H. Qin, Y. Xia // Curr. Pharm. Des. 2014; 20(22): 3548-53. PMID: 24180388.

31. Marsh N., Marsh A. A short history of nitroglycerine and nitric oxide in pharmacology and physiology // Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 2000 Apr; 27(4): 313-9. doi: 10.1046/j.1440-1681.2000.03240.x.

32. Nagy G. Nitric oxide, mitochondrial hyperpolarization and T-cell activation/ G. Nagy, A. Koncz, D. Fernandez, A. Perl // Free Radic. Biol. Med. 2007 Jun 1; 42(11): 1625-31. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2007.

33. Paige J.S., Jaffrey S.R. Pharmacologic manipulation of nitric oxide signaling: targeting NOS dimerization and protein-protein interactions // Curr. Top. Med. Chem. 2007; 7(1): 97-114. PMID: 1726659.

34. Pautz A. Regulation of the expression of inducible nitric oxi-de synthase / A. Pautz, J. Art, S. Hahn, S. Nowag, C. Voss, H. Klei-nert // Nitric. Oxide. 2010 Sep 15; 23(2): 75-93. doi: 10.1016/j.niox.2010.04.007.

35. Pereira A.C. Nitric oxide synthesis and biological functions of nitric oxide released from ruthenium compounds / A.C. Pereira, M. Paulo, A.V. Araújo, G.J. Rodrigues, L.M. Bendhack // Braz. J. Med. Biol. Res. 2011 Sep; 44(9): 947-57. http: //dx.doi.org/10.1590/S0100-879X2011007500084.

36. Persson M.G. Single-breath nitric oxide measurements in asthmatic patients and smokers / M.G. Persson, O. Zetterstrom, V. Agrenius, E. Ihre, L.E. Gustafsson // Lancet. 1994 Jan 15; 343(8890): 146-7. PMID: 7904005

37. Predonzani A. Spotlights on immunological effects of reactive nitrogen species: When inflammation says nitric oxide / A. Predonzani, B. Calì, A.H. Agnellini, B. Molon // World J. Exp. Med. 2015 May 20; 5(2): 64-76. doi: 10.5493/wjem.v5.i2.64.

38. Rao K.M.K. Molecular mechanisms regulating iNOS expression in various cell types // J. Toxicol. Environ. Health B Crit. Rev. 2000 Jan-Mar; 3(1): 27-58. doi: 10.1080/109374000281131.

39. Ricciardolo F.L.M. Multiple roles of nitric oxide in the airways // Thorax. 2003 Feb; 58(2): 175-82. doi: 10.1136/thorax.58.2.175.

40. Ricciardolo F.L.M., Sterk P.J., Gaston B., Folkerts G. Nitric Oxide in Health and Disease of the Respiratory System // Physiol. Rev. 2004 Jul; 84(3): 731-65. doi: 10.1152/physrev.00034.2003.

41. Saini R. Nitric oxide synthase localization in the rat neutrophils: immunocytochemical, molecular, and biochemical studies / R. Saini, S. Patel, R. Saluja, A.A. Sahasrabuddhe, M.P. Singh, S. Habib, V.K. Bajpai, M. Dikshit // J. Leukoc. Biol. 2006 Mar; 79(3): 519-28. doi: 10.1189/jlb.0605320.

42. Stuehr D.J. Update on Mechanism and Catalytic Regulation in the NO Synthases / D.J. Stuehr, J. Santolini, Z.-Q. Wang, -C.-C. Wei, S. Adak // J. Biol. Chem. 2004 Aug 27; 279(35): 36167-70. doi: 10.1074/jbc.R400017200.

43. Su Y. Regulation of endothelial nitric oxide synthase activity by protein-protein interaction // Curr. Pharm. Des. 2014; 20(22): 3514-20. PMID: 24180383.

44. Sugiura H., Ichinose M. Nitrative stress in inflammatory lung diseases // Nitric Oxide. 2011 Aug 1; 25(2): 138-44. doi: 10.1016/j.niox.2011.03.079.

45. Tejedo J.R. Low concentrations of nitric oxide delay the differentiation of embryonic stem cells and promote their survival / J.R. Tejedo, R. Tapia-Limonchi, S. Mora-Castilla et al. // Cell. Death. Dis. 2010 Oct 7; 1: e80. doi: 10.1038/cddis.2010.57.

46. Witte M.B., Barbul A. Role of nitric oxide in wound repair // Am. J. Surg. 2002 Apr; 183(4): 406-12. doi: http: //dx.doi.org/10.1016/S0002-9610(02)00815-2.

47. Xu W., Zheng S., Dweik R.A., Erzurum S.C. Role of epithelial nitric oxide in airway viral infection / W. Xu, S. Zheng, R.A. Dweik, S.C. Erzurum // Free Radic. Biol. Med. 2006 Jul 1; 41(1): 19-28. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2006.01.037.