Курсовая работа: Источники и пути образования оксида азота в организме

Курсовая работа: Источники и пути образования оксида азота в организме

Введение

Современные представления о регуляции клеточных процессов позволяют особо выделить некоторые химические соединения, обладающие полифункциональным физиологическим действием. К числу таких соединений с полным основанием можно отнести оксид азота. Данный свободный радикал способен оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на различные метаболические процессы, протекающие в организме млекопитающих и человека. Несмотря на многочисленные исследования, значение оксида азота в системной регуляции гомеостаза клеток и тканей не вполне понятно.

Оксид азота (NO) – газ, хорошо известный химикам и физикам, в последнее время привлек пристальное внимание биологов и медиков. Интенсивное изучение биологического влияния NO началось с 80-х годов, когда Р. Фуршготт и Дж. Завадски показали, что расширение кровеносных сосудов под влиянием ацетилхолина происходит только при наличии эндотелия – эпителиоподобных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность всех сосудов. Вещество, выделяющееся эндотелиальными клетками в ответ не только на ацетилхолин, но и на многие другие внешние воздействия, приводящие к расширению сосудов, получило название «сосудорасширяющий эндотелиальный фактор». Несколько позже было доказано, что это вещество является газом NO и в клетках имеются особые ферментные системы, способные его синтезировать.

В настоящей работе предпринята попытка проанализировать известные на сегодняшний день данные и представить по возможности полную картину физиологической и метаболической роли данного медиатора.

По своей химической структуре оксид азота относится к нейтральным двухатомным молекулам. Благодаря наличию неспаренного электрона на внешней π-орбитали молекула NO обладает высокой реакционной способностью и свойствами свободного радикала.

Синтез оксида азота

В организме человека и млекопитающих оксид азота главным образом образуется в результате окисления гуанидиновой группы аминокислоты L-аргинина с одновременным синтезом другой аминокислоты цитруллина под влиянием фермента NO-синтазы. Фермент был назван синтазой, а не синтетазой, поскольку для его работы не требуется энергия АТФ (см. [2] в списке литературы).

Рис. 1. Схема синтеза окиси азота из L-аргинина

Кроме L-аргинина NOS может использовать в качестве субстратов гомоаргинин, аргиниласпарагин, метиловый эфир аргинина, гуанидинотиолы. При недостатке субстрата в клетках или Н4Б фермент начинает восстанавливать кислород до супероксид радикала и перекиси водорода. Такие условия могут быть следствием как нарушения транспорта аминокислоты (в некоторых тканях она не синтезируется), так и недостатка в пище, поскольку синтез L-аргинина при этом в организме не увеличивается [1].

Структура NO-синтазы. Основные типы фермента

NO-синтаза – это сложно устроенный фермент, представляющий собой гомодимер. То есть он состоит из двух одинаковых белковых субъединиц, к каждой из которых присоединено несколько кофакторов, определяющих каталитические свойства фермента. Активность фермента проявляется только при объединении двух его субъединиц [2].

Фермент является димером, состоящим из двух одинаковых белковых молекул, каждая из которых связана с необходимыми для работы фермента кофакторами: НАДФ, ФАД, ФМН, гемовая группа, содержащая железо, кальмодулин, и тетрагидробиоптерин (ВН4). Связь между белковыми субъединицами происходит в области их N0конца, где с ними связаны гемовые группы. Стрелками показан перенос электронов [2].

Рис. 2. Схематичное представление строения NO-синтазы.

NO-синтазы составляют семейство, то есть имеется группа ферментов, несколько различающихся по аминокислотной последовательности белковой части молекулы и механизмам, регулирующим их активность, но тем не менее, катализирующих одну и ту же реакцию превращения аминокислот с образованием оксида азота. В настоящее время хорошо изучена структура разных изоформ NO-синтазы (NOS), известны механизмы, регулирующие их активность, и хромосомная локализация генов, ответственных за синтез ферментов, проведено клонирование (получение большого числа копий) этих генов, получены генетические модификации мышей без генов разных изоформ фермента (так называемые нокаут мыши) [2].

Синтезировать и выделять NO способны большинство клеток организма человека и животных, однако наиболее изучены три клеточные популяции: эндотелий кровеносных сосудов, клетки нервной ткани (нейроны) и макрофаги – клетки соединительной ткани, обладающие высокой фагоцитарной активностью. В связи с этим традиционно выделяют три основные изоформы NO-синтаз (NOS): нейрональную, макрофагальную и эндотелиальную (обозначаются соответственно как NO-синтаза I, II и III). Нейрональная и эндотелиальная изоформы фермента постоянно присутствуют в клетках и называются конститутивными, а вторая изоформа (макрофагальная) является индуцибельной – фермент синтезируется в ответ на определенное внешнее воздействие на клетку [2].

Молекулы всех изоформ фермента NOS содержат N-терминальный оксигеназный домен и С-терминальный домен редуктазы. Домен оксигеназы с примерно 500 аминокислотными остатками включает участки для связывания гемовой группы, кофактора Н4В и субстрата L-аргинина. Домен с редуктазной активностью, состоящий из 570-625 аминокислотных остатков, участвует в связывании молекул ФАД, ФМН и НАДФ*Н. между этими доменами расположена последовательность из 30 аминокислотных остатков для связывания белка кальмодулина (СаМ) – переносчика электронов с флавина на железо гемовой группы оксигеназы [3].

Каждый изофермент имеет специфическую N-терминальную лидирующую последовательность аминокислотных остатков, не участвующую в катализе и, вероятно, определяющую внутриклеточную локализацию фермента. Так, N-терминальная последовательность эндотелиального фермента включает три участка ацилирования жирными кислотами, которые играют важную роль в процессе связывания с мембраной. Нейрональная NOS содержит в N-концевом домене PDZ-фрагмент из 100 аминокислотных остатков. Это фрагмент, участвуя в процессе узнавания белка, определяют субклеточную локализацию молекул NOS[3].

Все три типа NOS в своей активной форме – гомодимеры. В образовании димера принимает участие оксигеназный домен NOS. Процесс димеризации инициируется присоединением к субъединицам гемовых простетических групп. Последующее присоединение Н4В стабилизирует образовавшийся димер NOS. Без гемовой группы NOS является мономером, не проявляющим NO-синтазной активности. При этом мономерная форма NOS обладает полной цитохром-с-редуктазной активностью и способностью связывать ФАД и ФМН [3].

Последовательность редуктазного домена на 50% гомологична другим ФМН и ФАД-содержащим редуктазам (например, цитохром Р-450 редуктаза), что свидетельствует о сохранении основных признаков этого класса ферментов для редуктазы NOS. Так, экспрессируясь отдельно или как часть холофермента, домен редуктазы может непосредственно переносить электроны с НАДФ*Н на оксигеназный домен и другие акцепторы, такие как цитохром с и феррицианид. Редуктаза NOS стабилизируется одноэлектронным восстановлением флавина и может принимать, по крайней мере, 3 электрона с НАДФ*Н [3].

Одним из самых важных кофакторов является внутриклеточный кальцийсвязывающий белок кальмодули. При повышении содержания ионов кальция в клетке он присоединяется к молекуле NO-синтазы, что приводит к активации фермента и синтезу NO (слайд 2). Такое свойство фермента имеет большое значение для клеток, поскольку ферментативная активность, а значит, и синтез NO прямо зависят от функционального состояния клетки, определяющегося во многом внутриклеточным уровнем ионов кальция – высокоактивных посредников, влияющих на многие процессы в клетках. Среди других регуляторных механизмов фермента следует отметить возможность фосфорилирования белковой части молекулы и влияние особых белков, участвующих в связывании двух субъединиц фермента в единый функционально активный комплекс [2].

Активность конститутивных (т.е. нейрональная и эндотелиальная) изоформ фермента прямо зависит от внутриклеточной концентрации ионов кальция или кальмодулина и, таким образом, повышается под влиянием различных агентов, приводящих к увеличению их уровня в клетке. Конститутивные изоформы NO-синтазы имеют преимущественно физиологическое значение, поскольку количество образуемого NO относительно невелико [2].

Индуцибельные (т.е. макрофагальные) изоформы NO-синтазы проявляют активность через некоторое время (как правило, 6-8ч – время, необходимое для активации генов и начала синтеза фермента) после внешнего воздействия на клетки, продуцируют огромные (в 100-1000 раз больше, чем конститутивные изоформы фермента) количества NO. Поскольку высокие дозы NO токсичны для клеток, эта форма фермента считается патологической в отличие от конститутивной. Активность индуцибельной NO-синтазы не зависит от уровня кальция/кальмодулина, поскольку, как полагают, кальмодулин постоянно и прочно связан с ферментом [2].

Локализация NO-синтазы

В настоящее время показано, что не только макрофаги, но и многие другие клетки (нейтрофилы, гепатоциты, гладкомышечные клетки, клетки астроглии) способны при определенных внешних воздействиях, в основном в условиях патологии, синтезировать индуцибельную изоформу NO-синтазы. Нейрональная NOS обнаружена не только в нервных клетках, но и в скелетных мышцах. Эндотелиальная NOS обнаружена в эндотелиальных клетках, клетках эпителия и кардиомиоцитах. Нейрональная и макрофагальная формы фермента находятся в клетках преимущественно в растворенном состоянии – в цитозоле, а эндотелиальная NO-синтаза обычно связана с клеточными мембранами [2].

N-концевая последовательность NOS подвергается миристоилированию и пальмитоилированию, что определяет ее субклеточную локализацию и косвенно ее активность. Так, для фиксации эндотелиальной NOS в плазматической мембране необходимо ацилирование N-терминальных остатков глицина в молекулах фермента с образованием амидных связей [3].

Нейрональная изоформа NOS связана с мембраной за счет взаимодействия N-концевого PDZ-фрагмента с белками типа PSD-95, PSD-93 и дистрофинсвязанным белком – синтрофином [3].

В отличие от конститутивных изоформ, индуцибельная NOS, не связанная с мембранными белками, является цитозольным ферментом [3]. Однако сравнительно недавно в митохондриях была выявлена конститутивно экспрессируемая NO-синтаза. По основным характеристикам митохондриальная NOS сходна с макрофагальной [16]. Сравнивая скорости продукции NO интактными митохондриями, митохондриальным гомогенатом и субмитохондриальными частицами (1.4, 4.9 и 7.1 нмоль/мин на мг белка соответственно) можно сделать вывод, что mtNOS фиксирована на внутренней мембране митохондрий, тогда как iNOS является цитозольным ферментом. Вопрос о том, что представляет собой митохондриальная NOS – отдельную изоформу фермента или же модифицированную во время трансляции или после нее индуцибельную NOS (как это имеет место в скелетных мышцах для нейрональной) – остается открытым [3].

Таблица 1. Физико-химические характеристики NO-синтаз человека[1].

Регуляция активности NOS

В процессе образования NO флавин редуктазы принимает электроны с НАДФ*Н и переносит их на железо гемовой группы. В результате этой реакции образуется активированная молекула О2, необходимая для синтеза NO. В эндотелиальной NOS и нейрональной NOS перенос электронов с флавина на гемм инициируется связыванием СаМ соответствующим сайтом фермента., т.е. СаМ участвует в регуляции продукции NO этими конститутивными NOS [3].

Рис.3. Схематическое представление синтеза NO и регуляции работы NO-синтазы[2].

Считается, что механизм активирующего действия СаМ на нейрональную NOS обусловлен изменением конформации редуктазного домена при связывании этого белка, что, в свою очередь, приводит к повышению скорости переноса электронов как на флавины, так и на конечные акцепторы электронов. Показано, что при этом СаМ активирует выраженные, происходят и при связывании СаМ эндотелиальной формой NOS. В отличие от нейрональной и эндотелиальной NOS, индуцибельная связывает редуктазный домен независимо от домена оксигеназы. Такие же изменения, но менее СаМ практически необратимо, что проявляется длительной продукцией NO этим ферментом [3].

Таким образом, нейрональная и эндотелиальная NOS неактивны при нормальном уровне Са2+ в клетке и начинают синтезировать NO в ответ на увеличение концентрации кальция в цитозоле, вызывающее связывание СаМ этими конститутивными ферментами. Длительное повышение уровня кальция приводит к постоянной продукции NO. Напротив, продукция индуцибельной формой NOS не зависит от уровня внутриклеточного кальция и при нормальном его уровне лимитирована только количеством фермента и субстрата и наличием кофакторов [3].

Один из механизмов регуляции продукции NO – фосфорилирование молекулы NO-синтазы. Фосфорилирование конститутивных NOS цАМФ-зависмой протеинкиназой, протеинкиназой С, цГМФ-зависимой протеинкиназой, Са2+-кальмодулинзависимой протеинкиназой ведет к снижению активности этих ферментов. С другой стороны, протеинфосфатаза-кальцийнейрин может дефосфорилировать NOS, вызывая тем самым повышение ее каталитической активности [3].

Кроме того, для NO-синтаз характерна регуляция по механизму отрицательной обратной связи. При этом к действию оксида азота, выступающего в качестве неконкурентного ингибитора, более чувствительны конститутивные изоформы, снижение активности, которых происходит за счет связывания NO с атомом железа гемовой группы ферментов [11]. Ингибирующее действие NO на индуцибельную NOS, возможно, связано с ограничением димеризации молекулы фермента [3].

Считается, что NO может осуществлять ретроградную регуляцию не только путем взаимодействия с гемом фермента, но и через ингибирование транскрипции мРНК NO-синтазы (либо непосредственно, либо за счет угнетения активации фактора транскрипции NF-kB) [3] .

Рис.4. Стимуляция и ингибиция индуцибельной NO-синтазы [8].

Активация рецепторов гепатоцитов, клеток моноцитарно-макрофагальной системы и некоторых клеток крови цитокинами (Cyt) и липосахаридами (LPS), под влиянием которых происходит индукция индуцибельной синтазы окиси азота, синтезирующей NO из L-аргинина. Блокада (ХХ) i-NOS глюкокортикоидами или другими блокаторами ее активности. Образовавшийся NO диффундирует в межклеточное пространство [8],[9].

Таблица 2. Синтетические и природные агенты, модулирующие активность NO-синтаз [1].

Неферментативное образование оксида азота

Для биологических тканей помимо генерации оксида азота в ходе ферментативных реакций с участием NOS обнаружена возможность превращения нитрит-аниона в NO [7]. Этот процесс происходит в условиях ацидоза и при наличии восстановленных форм гемсодеращих белков, что характерно для такого патологического состояния как ишемия [3].

Так, образование оксида азота из нитрита может происходить в соответствии со следующей последовательностью реакций:

NO-2 + H      + HNO2

HNO2        {NOOH}

{NOOH} + NO-2            N2O3 + OH-

N2O3          NO + NO2

Кроме того, ионы NO-2 способны восстанавливаться до оксида азота в ходе окислительно-восстановительных реакций, акцептируя электроны с дезокси-форм гемсодержащих белков. Так, при взаимодействии NO с восстановленным гемоглобином происходит окисление Hb2+ до metHb и восстановление ионов NO-2 до NO:

Hb2+ + NO-2 + 2H    + metHb + NO + H2O

Нитритредуктазная активность также показана для миоглобина, цитохром-с-оксидазы и цитохрома Р-450.

Факт образования NO в биологических тканях из нитрит-аниона позволил предположить возможность существования механизма циклического превращения оксида азота в организме:

L-Arg        NO           NO-2/NO-3            NO

Данное положение нашло отражение в концепции цикла оксида азота в организме млекопитающих. При этом NO-синтазная компонента обеспечивает эндогенный синтез NO, NO-2, NO-3 в присутствии кислорода. В условиях гипоксии или функциональной нагрузки, при которой осуществляется активное потребление кислорода, NO-синтазный механизм ингибируется [10].

В то же время дефицит кислорода приводит к активации нитритредуктазной компоненты цикла. Считается, что циклизация метаболических путей обеспечивает высокую степень упорядоченности и связанности систем биохимических реакций. Таким образом, механизм циклических превращений для NO и других высокореакционных азотсодержащих соединений гарантирует не только их эффективную переработку, но и достаточно быстрое выведение путем превращения в менее активные вещества, например ионы NO-2 и NO-3[3].

Методы определения оксида азота

Описанные в литературе методы определения NO можно условно разделить на прямые (таблица 2) и косвенные (таблица 3). В число первых входят те, с помощью которых осуществляется непосредственная регистрация NO, либо его комплексов. Прежде всего, это метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) как средство изучения молекул с неспаренным электроном. Предложено использовать в качестве индикаторов NO регистрируемые методом ЭПР нитрозильные железосодержащие комплексы, устойчивые в биологически активных средах [1].

В живой ткани SH-содержащие белки, пептиды и аминокислоты образуют такие парамагнитные аддукты общего состава Fe(NO)2(SR)2, спектры ЭПР которых являются ассиметричными вариацией g-фактора от 2.01 до 2.05. однако из-за большого разнообразия естественных акцепторов NO и вариабельности их содержания, количественное определение этого радикала таким образом вряд ли возможно. В то же время гемопротеиды (гемоглобин, миоглобин, цитохром а3 и др.) образуют нитрозильные парамагнитные комплексы, имеющие широкий спектр ЭПР [1].

С разрешенной сверхтонкой структурой (СТС) в области значений g-фактора меньше 2. Анализ полученных спектров ЭПР свидетельствует о том, что структура указанных комплексов имеет ромбическую симметрию [13].

Таблица 3. прямые методы регистрации оксида азота[1].

Более перспективным представляется метод с использованием карбоксигемоглобина в качестве экзогенной спиновой ловушки оксида азота. На состояние Hb-Fe(II)-CO не оказывает влияния степень оксигенации среды, а поскольку прочность связывания NO с гемоглобином на три порядка больше, чем прочность связывания СО, то можно ожидать практически количественного образования нитрозил-гемоглобина. Следует, однако, отметить, что гемоглобин или его производные имеют ряд особенностей, ограничивающих применение их в качестве естественной или экзогенной спиновой ловушки. Проникновение крупных молекул в клетки к месту синтеза оксида азота крайне затруднено, поэтому включаться в комплекс и становиться ЭПР-видимой будет лишь часть оксида азота, не метаболизированная в период диффузии. Кроме того, недостаточно определены пути и скорости дальнейших превращений Hb-Fe(II)-NO в живой клетке [1].

Страницы: 1, 2, 3