Роль системы оксида азота в процессах адаптации организма к физическим нагрузкам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль системы оксида азота в процессах адаптации организма к физическим нагрузкам



Аннотация

Цель. Раскрыть биологическую роль оксида азота, процессы его метаболизма и механизм действия в тканях при физических нагрузках, а также возможность коррекции тканевого метаболизма у спортсменов через систему NO.

Методы. Обзор и обобщение данных научной литературы.

Результаты. Выявлено, что при физических нагрузках в скелетных мышцах и других тканях организма система обмена оксида азота существенно активируется и включается в клеточные механизмы, запускающие адаптационные процессы, так как участвует в регуляции энергетического обмена в тканях, биосинтеза цитоскелетных и сократительных белков, поддержании оптимального баланса прооксидантных и антиоксидантных процессов. При напряженных тренировочных нагрузках, развитии патологических процессов в миокарде и скелетных мышцах избыточное накопление оксида азота усиливает оксидативный стресс, что способствует развитию утомления или заболеваний сердечно-сосудистой и других систем организма.

Заключение. Перспективным представляется дальнейшее изучение роли оксида азота в процессах адаптации организма спортсменов, занимающихся различными видами спорта.

Ключевые слова: физические нагрузки, адаптация, оксид азота, метаболизм.



Введение

Постановка проблемы. Совершенствование процессов адаптации организма человека к физическим нагрузкам, изыскание эффективных способов повышения физической работоспособности, а также профилактика переутомления при мышечной деятельности немыслимы без глубокого понимания биохимического уровня происходящих процессов. Основными слагающими биохимической адаптации организма к физическим нагрузкам являются его высокий энергетический потенциал, ускоренный адаптивный синтез белков, значительный уровень развития регуляторных систем клеточного метаболизма [5, 14, 18]. На современном этапе развития теории адаптации особый интерес представляют знания о регуляторных системах метаболизма при мышечной деятельности, ибо благодаря их совершенствованию могут расширяться границы адаптации организма спортсмена [5, 18].

В последние десятилетия, благодаря открытию наличия оксида азота (NO) в организме человека (1986-1987 гг.) как эндотелиального фактора расслабления кровеносных сосудов [35] и многочисленным исследованиям по выяснению биологической роли и механизма действия его в различных тканях организма животных и человека, выявлен новый универсальный регулятор клеточного метаболизма и межклеточных взаимодействий, которым является эндогенный NO [10-12, 15, 40]. В 1960-1980-е годы такая роль была показана для циклических нуклеотидов (цикло-АМФ и цикло-ГМФ) - передатчиков действия гормонов в клетках, что доказывало участие их в обеспечении метаболических адаптационных процессов при мышечной деятельности. Система NO считается уникальной, поскольку ее действие не связано с рецепторами, а оксид азота может проникать в клетки различных тканей и воздействовать на многие процессы.

За открытие NO и его сигнальной регуляторной роли в функционировании сердечнососудистой системы в 1998 г. американским ученым Robert F. Furchgott, Louis J. Ignarro и Ferid Murad была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.

В настоящее время оксид азота, который выделяется в воздух с выхлопными газами, выявлен практически во всех тканях организма человека. Также установлен широкий спектр его биологического действия [11, 12, 15, 40, 42]. Влияние NO на отдельные процессы в различных тканях неоднозначно и разнонаправленно [15], эффекты его действия зависят от концентрации в клетках, наличия кислорода, метаболитов оксидантного стресса и антиоксидантов, которые могут изменять его количество, сигнальную функцию и физиологическую активность [6,15]. Известно, что при интенсивных физических нагрузках в организме спортсменов возникает оксидативный стресс, приводящий к накоплению продуктов перекисного окисления липидов, свободных радикалов, которые влияют на метаболические и структурные адаптационные перестройки [4]. Это свидетельствует о том, что система оксида азота представляет особый интерес, поскольку может вносить существенный вклад в такие перестройки.

На сегодня доказано, что без нормального клеточного метаболизма NO невозможно поддержание оптимального состояния здоровья человека и протекание процессов адаптации организма к различным факторам среды, в том числе к физическим нагрузкам [11, 12, 15, 40].

Известно, что особое место в реализации адаптационных механизмов организма человека занимают генетические механизмы и наследственные факторы [1]. Поэтому современная технология подготовки спортсменов включает контроль генов, ассоциированных с мышечной деятельностью. К ним относится и ген фермента синтеза уникальной молекулы NO - eNOS [1]. Многими исследователями определяется аллельный полиморфизм этого гена у спортсменов, отвечающий за адаптацию кровеносных сосудов (вазодилатацию) и аэробные возможности человека [3, 7, 9, 19].

В спортивной и клинической диагностике часто используют маркеры метаболизма или результата действия этого регулятора для выявления патологических изменений [12, 15], а также ведется поиск фармакологических препаратов коррекции метаболизма NO [12, 16]. В этой связи актуальным является выяснение роли, особенностей метаболизма и механизма действия оксида азота в тканях при адаптации организма к физическим нагрузкам.

Цель исследования: на основании данных научной литературы раскрыть роль оксида азота - универсального регулятора клеточного метаболизма и межклеточных взаимодействий - в процессах адаптации организма человека к физическим нагрузкам. Показать его биологическую роль в организме, процессы метаболизма и механизма биологического действия в тканях при физических нагрузках, а также возможность коррекции тканевого метаболизма у спортсменов через систему NO.

Задачи исследования:

· раскрыть биологическую роль оксида азота в организме;

· охарактеризовать пути синтеза и распада NO в скелетных мышцах и других тканях при физических нагрузках;

· показать положительные и отрицательные стороны его биологического действия в тканях;

· дать представление о возможности коррекции тканевого метаболизма у спортсменов через систему NO.

Результаты исследования и их обсуждение. Анализ данных научной литературы показал, что оксид азота проявляет очень широкий спектр биологического действия в организме человека, участвуя в регуляции таких биохимических и физиологических процессов [11,12,15, 26, 29, 38, 40]:

· запуск релаксации и расширения (вазодилатации) кровеносных сосудов;

· инициация образования кровеносных сосудов, или ангиогенез;

· сокращение скелетных мышц и миокарда;

· повышение стрессоустойчивости путем ограничения выброса гормонов, вызывающих стресс;

· передача нейронных сигналов центральной и периферической нервной системой;

· синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) в митохондриях;

· функционирование митохондрий как кальций-депонирующей структуры;

· активация процесса гликолиза;

· поглощение глюкозы и жирных кислот скелетными мышцами;

· активация синтеза белков на генетическом уровне, в том числе цитоскелетных и сократительных;

· подавление агрегации и адгезии тромбоцитов;

· активация функции пищеварительного тракта;

· модуляция процессов сращивания переломов костей;

· функции репродуктивных органов мужчин и женщин;

· цитостатические и цитотоксические эффекты макрофагов, так как клетки-киллеры используют NO для уничтожения бактерий и опухолей;

· улучшение заживления ран;

· формирование питьевого и пищевого поведения, поскольку регулирует кровоток и обмен солей в почках и пищеварительной системе.

С нарушением процессов метаболизма NO в тканях, в основном при снижении его уровня, связаны многочисленные заболевания, прежде всего сердечно-сосудистой системы [12,15]. Следовательно, внутриклеточная система метаболизма оксида азота обеспечивает нормальную работу многих органов и систем организма человека.



Метаболизм оксида азота в тканях

Характеристика оксида азота. Как известно, NO по своим физико-химическим свойствам представляет собой токсический газ, который в клетках организма может находиться в трех переходящих друг в друга формах: в виде нитрозония (NO+), нитроксиланиона (NO^-) и свободного радикала NO*, имеющего неспаренный электрон (N*=0). Все формы оказывают воздействие на внутриклеточные мишени. Однако NO* в виде свободного радикала из-за наличия неспаренного «лишнего» электрона обладает наиболее высокой химической активностью (в три раза большей, чем у кислорода) [15, 34].

Оксид азота способен быстро диффундировать (проникать) через мембрану клетки, легко попадать в другие клетки и ткани, где различными механизмами регулирует многие процессы. Таким образом, он выполняет функцию сигнальной молекулы или тканевого гормона. В свободном состоянии NO - короткоживущая молекула, полупериод жизни которой колеблется от 0,5 до 30 с, после чего она быстро разрушается. При избыточном количестве в клетке он может связываться с белками и пептидами, т. е. депонироваться и сохраняться более длительное время. В таком виде может мигрировать в межклеточное пространство и клетки других органов, где оказывает сигнальное, защитное или повреждающее физиологическое действие. Предполагается, что депонирование NO в связанном с белками виде играет важную роль в формировании устойчивости организма к повреждениям прежде всего свободными радикалами, вызванным как его дефицитом, так и гиперпродукцией [17].

Результат действия NO на биохимические процессы в тканях определяется его концентрацией. При больших количествах он осуществляет в организме защитные функции (в макрофагах убивает опухолевые и бактериальные клетки, обеспечивая цитотоксический и антибактериальный эффект иммунной системы) и повреждающие (запускает патологические процессы, приводящие к апоптозу - гибели клеток) [15].

При снижении уровня NO в тканях снижаются адаптивные возможности организма, наблюдаются патологические изменения метаболизма, приводящие к заболеваниям [12, 15, 18, 40]. Существует мнение, что первичной причиной патогенеза ишемической болезни сердца и атеросклеротического поражения сосудов является дефицит NO в сосудистом эндотелии и миокарде [12, 13]. При старении организма также уменьшаются активность ферментов синтеза NO и уровень тканевого NO, что способствует снижению адаптационных возможностей организма и развитию патологических процессов [19, 43].

Концентрация оксида азота в клетках зависит от скорости процессов его метаболизма в основном от активности и степени экспрессии ферментов синтеза, активности ферментов распада и скорости неферментативного превращения.

Синтез оксида азота в клетках организма человека осуществляется двумя путями: ферментативным и неферментативным [15, 34, 41].

При ферментативном синтезе NO образуется из азота иминогруппы (=NH) аминокислоты L-аргинина или его аналогов и молекулярного кислорода с помощью фермента нитрооксидсинтазы (NO-синтазы, или NOS): КФ 1.14.13.39 [42]. Скорость NOS-зависимого синтеза N0 в клетках зависит от количества и активности ферментов NOS, а также концентрации L-аргинина внутри клеток.

Для проявления активности ферментов NO-синтаз в тканях необходимы многие кофакторы: НАДФ, ФАД, ФМФ, гем, фолиевая кислота и тетрагидробиоптерин [15, 20]. В активном центре фермента находится железопорфириновый комплекс, содержащий аминокислоты цистеин или метионин.

является условно незаменимой аминокислотой, так как в тканях взрослого человека она синтезируется, а в детском организме не синтезируется. Суточная потребность в ней составляет около 5-6 г.

Процесс образования NO из аргинина схематически представлен на рисунке 1, где видно, что аргинин в тканях превращается в аминокислоты орнитин и цитрулин [34].

Эти кислоты играют важную роль в процессе обезвреживания аммиака и образования мочевины в печени.

Внутриклеточная концентрация аминокислоты L-аргинин зависит от поступления ее с пищей, синтеза в организме, активного транспорта внутрь NO-синтезирующих клеток и активности фермента аргиназы, катализирующей расщепление L-аргинина другим путем [34].

В организме происходит синтез аргинина из L-цитрулина ( см. рис.1). Молекула L-цитрулина с помощью ферментов арги-нинсукцинатсинтазы превращается в промежуточный продукт - аргининсукцинат, который расщепляется аргининсукцинатлиазой до аргинина и фумарата. Через фумарат осуществляется связь цикла превращения аргинина и образования NO с циклом три-карбоновых кислот.

L-аргинин используется в клетках не только для синтеза NO, но и для синтеза белков, мочевины, креатинина, полиаминов, пролина, глутамата. Он также стимулирует секрецию инсулина и других гормонов, влияет на процесс фибриногенолиза и другие процессы, не связанные с образованием NO [12, 15].

Таким образом, для поддержания постоянного количества NO в тканях необходимы его предшественники, в основном аргинин, ферменты синтеза, многие кофакторы - витамины, железо, аминокислоты, которые должны поступать в организм с пищей.

РИСУНОК 1 - Схема образования оксида азота в тканях [34]

Ферменты синтеза оксида азота - NOS - в тканях организма представлены тремя изоформами: эндотелиальной (eNOS), нейрональной (nNOS), индуцибельной (iNOS) [20]. Они являются продуктами различных генов, образуются в разных тканях и состояниях организма, имеют свои особенности механизма действия и биологического значения в организме [20, 24]. Отдельные формы локализуются: еNOS - в эндотелиоцитах и кардиомиоцитах, а nNOS - в тканях нервных окончаний, скелетных и сердечной мышцах, других тканях [43]. оксид азот мышца спортсмен

Две изоформы (eNOS и nNOS) находятся в клетках постоянно, и их принято называть конститутивной формой (cNOS). Они синтезируют небольшое количество NO в ответ на стимуляцию рецепторов. Их активность зависит от концентрации свободного кальция внутри клетки и белка кальмодулина, который связывает и транспортирует свободный кальций, поэтому называются кальций-кальмодулинзависимой формой [20].

В настоящее время наиболее изучена eNOS, которая является основной формой NO-синтазы нормальной стенки сосудов, гладких мышц, кардиомиоцитов, тромбоцитов и других клеток [12, 40]. Установлено, что в условиях физиологического покоя этот фермент находится в плазматической мембране клетки и имеет низкую активность. Он кодируется геном с малой экспрессией, однако при стрессе, хронической гипоксии и физической нагрузке экспрессия его существенно повышается, что приводит к повышению внутриклеточного уровня NO [12, 15, 40]. Активируется eNOS при увеличении концентрации свободного кальция в клетке, что происходит под действием многих рецептор-зависимых стимулов (ацетилхолин, брадикинин, серотонин, тромбин, аденозин-дифосфорная кислота (АДФ), глутамат), повышающих концентрацию кальция. Свободный кальций связывается со специфическим белком кальмодулином и активирует eNOS. Активируемая Са²+-кальмодулинзависимая eNOS высвобождается в цитоплазму, где окисляет L-аргинин и синтезирует небольшое количество NO, который из эпителиальных клеток сосудов проникает в гладкие мышцы, где посредством активации гуани-латиклазы и повышения уровня циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) вызывает снижение уровня свободного кальция, расслабление и расширение сосудов.

Активация eNOS и повышение уровня NO наблюдаются под влиянием агонистов кальция (Ca²+-ионофоры, Ca^-АТФаза), а также растяжения стенки сосуда, движения крови и некоторых других факторов, что рассмотрено в обзоре [40].

Нейрональная NO-синтаза (nNOS) клеток миокарда находится в саркоплазматическом ретикулуме [13]. Синтезируемый ею NO облегчает циклические перемещения Ca²⁺, что играет важную роль в сопряжении возбуждения и сокращения и увеличивает сократимость миокарда. Он также угнетает активность фермента ксантиноксиредуктазы, который усиливает образование супероксид-аниона (О₂') в миокарде, и таким образом защищает от повреждения липиды и другие компоненты миокарда.

Индуцибельная форма (iNOS) появляется во многих тканях только при экспрессии гена под воздействием стресс-факторов, в том числе оксидантов и физических нагрузок [3, 15, 20]. Однако для миокарда показано наличие ее в клетках при нормальных физиологических условиях [23]. Локализована iNOS вдоль сократительных волокон, в митохондриях и других органеллах миокарда. Эта форма фермента способна синтезировать огромное количество NO (в 1000 раз больше, чем cNOS) [24].

Ферменты NO-синтазы, в частности eNOS, способны образовывать не только оксид азота, но и метаболиты оксидантного стресса: ион супероксида (O^-₂) и пероксид водорода (Н₂О₂), а также нитрит-анион, особенно в условиях недостатка коферментов или аргинина [15].

Таким образом, ферменты синтеза NO следует рассматривать как сложный ферментный комплекс, синтезирующий разные высокоактивные соединения в зависимости от различного функционального состояния клетки, обеспеченности ее коферментами, незаменимыми аминокислотами, антиоксидантами. В этой связи изучение этих ферментов представляет особый интерес при физических нагрузках, которые вызывают оксидантный стресс, гипоксию, адаптационные перестройки метаболизма.

При неферментативном синтезе оксид азота образуется в клетках из нитритов и нитратов или его стабильных метаболитов (NO₃ NO₂ ----NO) с помощью ферментов нитрит- и нитрат-редуктаз [15, 39].

Отдельные реакции восстановления нитритов в тканях протекают с участием гемосодержащих протеинов, имеющих нитритредуктазную активность. К ним относят гемоглобин, миоглобин, цитохромоксидазу и другие [27]. Схематически это можно представить следующим образом:

2Н^- + NO^-₂+ гемоглобин (НЬ) > met Нb + NO+ Н₂О.

Неферментативный синтез NO в клетках протекает, в большей мере, в условиях гипоксии при сниженной активности NO-синтаз и выполняет вазодилататорную роль, хотя имеются и другие функции такого синтеза [15, 39].

Распад и превращение оксида азота в тканях происходит, в основном, путем быстрого (в течение нескольких секунд) взаимодействия его с молекулярным кислородом с образованием стабильных конечных метаболитов - нитрита и нитрата [12, 15], которые являются косвенными маркерами концентрации NO в тканях организма. В жидкой среде организма они дают ионы нитрита (NO^-₂) или нитрата (NO^-₃). Наряду с этим оксид азота связывается с белками и пептидами и может оказывать регулятор-ное действие в течение нескольких часов или дней.

При избыточном количестве NO и свободных радикалов в клетках он способен взаимодействовать с супероксидом (О^-₂), превращая его в очень токсическое вещество - пероксинитрит [21], который считается самым сильным оксидантом, разрушающим клеточные мембраны, поскольку вызывает повреждение молекулы ДНК, модифицирует белки и липиды клеточных мембран сосудистого эндотелия, увеличивает агрегацию тромбоцитов, участвует во многих реакциях. Это приводит к нарушению процессов метаболизма и сигнальных путей. В клетках создается так называемый оксидативно-нитратный стресс, индуцирующий их гибель.

Интересным и важным является тот факт, что повышение уровня NO в клетках, независимо от источника, эффективно предупреждает значительное нарастание его количества при стрессе и связанные с ним повреждения в тканях путем ингибирования индуцибельной формы фермента (iNOS) или через образование протекторных антиоксидантых или других белков [15, 39], т. е. существует сложный механизм обратной связи.

Таким образом, система оксида азота в клетках тесно связана с наличием молекулярного кислорода и компонентов окислительного стресса. Их взаимосвязь остается еще неизученной. Тем не менее очевидным является то, что в условиях тканевой гипоксии и активации окислительного стресса, что наблюдается при интенсивных физических нагрузках, система NO может выступать стабилизирующей, предотвращающей разрушение скелетных мышц и других тканей, и запускать молекулярные механизмы адаптации организма.



Метаболизм оксида азота в тканях при мышечной деятельности

Этот вопрос вызывает интерес у многих исследователей, что связано с важной ролью регулятора метаболизма в процессах адаптации и выявлением эффективности использования физических нагрузок для оздоровления людей с заболеваниями сердечно-сосудистой и других систем, которые связаны с нарушением обмена NO.

Изменения метаболизма оксида азота при адаптации организма к физическим нагрузкам наиболее изучены в эндотелиальной ткани сосудов [28, 32, 33, 35, 40]. В работе Green D. J. и соавт. показано, что у людей при физических тренировках усиливается NO-зависимая вазодилатация больших и малых сосудов, при этом степень увеличения зависит от мышечной массы обследуемого [28]. Улучшение эндотелиальной функции взаимосвязано с усилением экспрессии фермента eNOS и увеличением синтеза NO, что способствует расслаблению и расширению кровеносных сосудов [35, 36]. При этом улучшается поступление в скелетные мышцы и миокард питательных веществ и О₂, что вносит существенный вклад в процессы адаптации организма к мышечной активности. Было показано, что увеличение экономичности кардиореспираторной системы в процессе адаптации спортсменов с аэробным механизмом энергообеспечения ассоциировано с наличием полиморфизма гена eNOS [9].

При исследовании состояния системы синтеза оксида азота в плазме крови девушек в разные этапы физической подготовки выявлено, что в подготовительном периоде отмечались высокие активность фермента cNOS и концентрация NO [3]. В этом периоде девушки проявляли повышенную физическую работоспособность и аэробную производительность. После пяти месяцев интенсивной тренировки активность cNOS в плазме крови оставалась повышенной, а физическая работоспособность и аэробная производительность снижались. После 10 месяцев отмечалась активация фермента iNOS, однако работоспособность снижалась. Эти данные свидетельствуют о том, что при длительных систематических тренировках в адаптационных процессах участвует, в большей мере, конститутивная изоформа фермента cNOS. Однако в других исследованиях не выявлено увеличения продуктов метаболизма NO в крови нетренированных и тренированных юношей и девушек после длительной (10 мес.) оздоровительной физической тренировки и тренировки с нагрузками высокой интенсивности [2]. Следовательно, изменения системы NO в тканях зависят от длительности и интенсивности физических тренировок, а также степени тренированности организма.

В исследованиях на животных показано, что экспрессия eNOS в сосудах изменяется в тех типах мышечных волокон, которые в большей степени вовлекаются в обеспечение выполнения работы [32, 33]. При длительной тренировке на выносливость (бег со скоростью 30 м * мин^-1 в течение одного часа ежедневной тренировки, пять дней в неделю в течение двух-трех месяцев), которая вызывала отличную адаптацию скелетных мышц и миокарда, значительно увеличивается экспрессия eNOS и кровоток преимущественно в сосудах красной икроножной мышцы. В других задействованных группах мышц (икроножная и камбаловидная) изменения были незначительными. При скоростной тренировке (бег со скоростью 60 м * мин^-1) наблюдалось увеличение экспрессии фермента eNOS в икроножной мышце.

Увеличение синтеза NO при длительных тренировках животных выявлено в митохондриях сердца за счет повышения почти в два раза активности фермента cNOS и незначительного повышения активности iNOS [19]. Эти данные также подтверждают важность конститутивных изоформ фермента в процессе адаптации организма к физическим нагрузкам.

Повышенная при кратковременных физических тренировках активность системы NO в эпителиальных тканях и гладких мышцах, сопровождающаяся функциональной адаптацией сосудов, удерживается недолго и исчезает уже через несколько недель после их прекращения [32, 33]. После длительных систематических тренировок у спортсменов краткосрочная адаптация сосудов (вазодилатация) сменяется NO-зависимым образованием новых кровеносных сосудов [39]. В процессе ангиогенеза принимают участие многие белки и метаболиты, но наиболее важная роль в такой адаптации отводится NO [11, 12].

Наличие фермента nNOS и увеличение количества NO при сокращении выявлено и в скелетных мышцах [15, 26, 42]. При длительной гипокинезии отмечалось снижение его уровня в скелетных мышцах. В последние годы в исследованиях на животных выявлена взаимосвязь между количеством NO в скелетной мышце (m. coleus), активацией фермента nNOS и синтезом цитоскелетных и сократительных белков [10]. Также показано участие нейрональной NOS скелетной мышцы крыс в регуляции синтеза тяжелых цепей миозина первого типа [10]. На фоне введения блокатора фермента nNOS наблюдалось усиление разрушения цитоскелетных белков при выполнении однократной эксцентричной работы (бег со скоростью 20 м * мин^-1 в течение 40 мин) и снижение работоспособности животных. При введении предшественника синтеза оксида азота L-аргинина за два дня до выполнения физической работы предотвращалось разрушение белков и улучшалась их физическая работоспособность.

При генетических обследованиях спортсменов, проведенных Дроздовской С.Би соавт., выявлено повышение экспрессии фермента еNOS не только у спортсменов, занимающихся видами спорта с проявлением выносливости, но и другими видами [7, 8]. Margaux A. обнаружил неодинаковую эффективность влияния физических нагрузок на людей с разным генотипом полиморфизма гена eNOS [31]. Так, у женщин с генотипом Т/Т наблюдался больший прирост мышечной массы в ответ на специфические нагрузки, чем у женщин с аллелем G. Эти исследования подтверждают важность контроля генетических особенностей человека, в частности уровня экспрессии ферментов синтеза NO, при отборе спортсменов, оценке адаптационных процессов, подборе индивидуальной тренировочной или оздоровительной программы.

Рассмотренные данные свидетельствуют о важной роли системы оксида азота в процессах обеспечения физической работоспособности и адаптации организма к физическим нагрузкам. Для понимания того, каким образом система метаболизма NO может участвовать в процессах адаптации организма при мышечной деятельности, необходимо рассмотреть механизм регуляторного действия NO в тканях.

Механизм регуляторного действия оксида азота

Этот процесс в тканях обеспечивается несколькими путями [24]. Одним из них является модификация белков путем их нитрозилирования. NO может связываться с металлами переменной валентности в металлосодержащих белках (металлонитрозилирование), с SH-группами цистеина (S-нитрозилирование), с аминокислотой тирозин (тирозиннитрозилирование). Металлонитрозилирование и S-нитрозилирование считаются обратимыми, а тирозиннитрозилирование - необратимым процессом. Нитрозилирование белков приводит к изменению их биологических свойств и функций в клетках. Изменение структуры белков может сопровождаться активацией или инактивацией транскрипционных факторов и влиять на экспрессию генов. Нитрозилирование белков по тирозину часто взаимосвязано с увеличением образования пероксинитрита в клетках и развития патологических изменений в результате оксидативно-нитратного стресса. Поэтому уровень тирозиннитрозилированных белков может быть маркером формирования в клетках такого стресса [21].

Другие механизмы действия NO в организме связаны с активацией сигнальных процессов в клетках, включая фермент гуанилатциклазу, которая увеличивает синтез цГМФ, потоков Са²+, обратимого фосфорилирования белков, что обобщено в научных работах [15, 30, 36, 40]. Так, влияние NO на расслабление кровеносных сосудов связано с активацией фермента гуанилатциклазы и увеличением синтеза цГМФ в десятки раз, что может влиять на внутриклеточные процессы, увеличивающие экспрессию отдельных генов [40].

Влияние NO на процессы сокращения скелетных мышц может осуществляться прямым действием - путем нитрозилирования белков и опосредованно - через систему цГМФ и кальциевые каналы [26, 30]. Показано, что при физиологических концентрациях оксида азота в скелетных мышцах и миокарде происходит S-нитрозилирование цистеина в тяжелой цепи миозина [26]. Это сопровождалось снижением скорости скольжения актиновых нитей вдоль миозиновых. Нитрозилирование миофибриллярных сократительных белков может приводить к угнетению изометрической силы и скорости сокращений скелетных мышц и рассматриваться как новый регуляторный механизм «переключения передач» для миозин-актиновых взаимодействий, то есть сокращения мышц.

Опосредованное действие NO через активацию гуанилатциклазы и увеличение цГМФ в клетках при систематических тренировках с использованием интенсивных физических нагрузок приводило к повышению активности ферментов гликолиза и скорости сокращения мышц [33]. Это может способствовать процессу преобразования медленносокращающихся волокон в быстросокращающиеся.

Возможность коррекции тканевого метаболизма у спортсменов через систему NO для улучшения функционирования сердечно-сосудистой, иммунной, опорно-мышечной и других систем организма, а также усиления роста мышц показана во многих исследованиях [6, 10, 12, 15, 16]. Для этого используются вещества, увеличивающие количество NO в тканях. Это могут быть предшественники его биосинтеза - аргинин или другие кислоты [12], азотсодержащие добавки (например, нитроглицерин используется уже более 100 лет), активаторы ферментов биосинтеза оксида азота [16], вдыхание воздуха с повышенным содержанием NO [6] и др. На основе аргинина созданы и зарегистрированы в Украине многие кардио- и гепатопротекторные препараты, а также биологически активные добавки для спортсменов, которые получили широкое признание, хотя не во всех исследованиях подтвержден их положительный эффект [22].

РИСУНОК 2 - Схема возможного участия оксида азота в процессах адаптации при физических нагрузках



Выводы и перспективы дальнейших исследований

Показана важная регуляторная роль системы оксида азота в процессах адаптации организма к физическим нагрузкам, которая влияет на процессы кратковременной (вазодилитация) и долговременной (ангиогенез) адаптации кровеносных сосудов, адаптацию скелетных мышц и миокарда, стабилизацию системы антиоксидантной защиты организма, что схематически показано на рисунке 2. Существует вероятность участия NO в регуляции процесса сокращения мышц и преобразования типов мышечных волокон при интенсивных физических нагрузках. В этой связи перспективным является дальнейшее изучение роли оксида азота в процессах адаптации организма спортсменов и возможностей коррекции этих процессов через систему его метаболизма.



Литература

1. Ахметов И. И. Молекулярная генетика спорта / И. И. Ахметов. - М.: Сов. спорт, 2009. -268 с.

2. Богдановская Н. В. Роль системы синтеза оксида азота в обеспечении адаптации организма к систематическим физическим нагрузкам / Н. В. Богдановская, Н. В. Маликов // Материалы VII Всерос. школы-конф. по физиологии мышц и мышечной деятельности «Новые подходы к изучению классических проблем». - М., 2013. - С. 65.

3. Богдановська Н. В. Синтез оксиду азоту у період довгострокової адаптації до інтенсивної м'язової роботи у спортсменок / Н. В. Богдановська, Г. М. Святодух, А. В. Коцюруба та ін. // Фізіол. журнал. -2009. - Т. 55, № 3. - С. 94-99.

4. Вдовенко Н. В. Порушення метаболізму за умов активації перекисного окиснення ліпідів під час м'язової діяльності / Н. В. Вдовенко, Г. А. Осипенко // Актуальні проблеми фіз. культури і спорту. - 2012. - № 24. - С. 49-52.

5. Волков Н. И. Биохимия мышечной деятельности: учебник / Н. И. Волков, Э. Н. Несен, А. А. Осипенко, С. Н. Корсун. - К.: Олимп. лит., 2000. - 504 с.

6. Губкина С. А. Оксид азота и его физиологические комплексы в системах, моделирующих карбонильный стресс и их динамику в организме: автореф. дис. на соискание учен. степени канд. физ.-мат. наук: спец. 03.00.02 «Биофизика» / С. А. Губкина. - М., 2009. - 27 с.

7. Дроздовська С. Б. Залежність аеробних можливостей спортсменів від поліморфізмів генів / С. Б. Дроздовська, О. М. Лисенко, В. Е. Досенко, В. М. Ільїн // Вісн. Черкас. ун-ту. - 2012. - Вип. 2 (215). - C. 43-52.

8. Ильин В. Н. Вариативность генов, определяющих результативность выступлений спортсменов в легкоатлетических прыжках / В. Н. Ильин, С. Б. Дроздовская, В. Э. Досенко // Наука в олимп. спорте. -2009. - № 4. - С. 24-28.

9. Кузьміна Л. М. Формування індивідуальної стійкості спортсменів до гіпоксії навантаження на етапі спеціалізованої базової підготовки : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. наук з фіз. виховання і спорту : спец. 24.00.01 «Олімпійський і професійний спорт» / Л. М. Кузьміна. - К., 2012. -22 с.

10. Ломоносова Ю.Н. Защитное и сигнальное действие оксида азота на волокна скелетных мышц при различных уровнях сократительной активности: автореф. дис. на соикание учен. степени канд. биол. наук: спец. 03.03.01 и 03.01.04 «Физиология» и «Биохимия» / Ю. Н. Ломоносова. - М., 2012. -27 с.

11. Малышев И. Ю. Стресс, адаптация и оксид азота / И. Ю. Малышев, Е. Б. Манухина // Биохимия. -1998. - Вып. 6, № 7. - С. 992-1006.

12. Марков Х. М. Оксид азота и сердечно-сосудистая система/ Х. М. Марков// Успехи физиол. наук. -2001. - Т. 32., № 3.- С. 49-65.

13. Парахонский А. П. Роль нейрональной NO-синтазы в патологии сердца/ А. П. Парахонский // Современ. наукоемкие технологии.- 2010. - № 9. - С. 208

14. Платонов В. Н. Система подготовки спортсменов в олимпийском спорте. Общая теория и ее практические приложения / В. Н. Платонов. -- К.: Олимп. лит. - 2004. - 808 с.

15. Проблема оксида азота в неврологии / [В. А. Малахов, А. Н. Завгородняя, В. С. Лычко и др.]. - Сумы: СумГПУ им. А.С. Макаренко, 2009. - 242 с.

16. Северина И. С. Активация растворимой гуанилатциклазы новыми донорами NO как основа направленного поиска новых эффективных вазодилататоров и антиагрегантов / И. С. Северина, О. Г. Буссыгина, Н. В. Пятакова // Вестн. РАМН. - 2000. - № 4. - С. 25-30.

17. Смирин Б. В. Депонирование оксида азота как фактор адаптационной защиты / Б. В. Смирин, Д. А. Покидышев, И. Ю. Малышев и др. // Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. -2000. - Т. 86, № 4. - С. 447-454.

18. Хочачка П. Биохимическая адаптация/ П. Хочачка, Дж.Сомеро. - М.: Мир, 1988. - 568 с.

19. Чорна С. В. Роль мітохондріальної пори в корекції функціональних порушень серця при старінні за умов активації біосинтезу убіхінону та тривалих фізичних навантажень: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. біол. наук: спец. 03.00.13 Фізіологія людини та тварин» / С. В. Чорна. - К., 2011. - 24 с.

20. Alderton W. K. Nitric oxide synthase: structure, function and inhibition/ W. K. Alderton, C. E. Cooper, R. G. Knowles // Biochem J. - 2001. - Vol. 357. - Р 593-615.

21. Alexander R. W. Nitric oxide and peroxinitrite/ R. W. Alexander // Hypertension. -1995. -Vol. 25. - P 155-161.

22. Bescos R. Effects of dietary L-arginine intake on cardiorespiratory and metabolic adaptation in athletes/ R. Bescos, C. Gonzalez-Haro, IP Pujol et al. // Int J Sport Nutr Exerc Metab. - 2009 Aug. - 19(4). - Р 355-365.

23. Buchwalow I. Inducible nitric oxide synthase in the miocard / I. Buchwalow, W. Schulze, Karczewski et al. // Mol. and Cell. Biochem. - 2001. - Vol. 217, N1/2. - Р 73-82.

24. Changjian Feng. Mechanism of Nitric Oxide Synthase Regulation: Electron Transfer and Interdomain Interactions/ Feng Changjian //Coord Chem Rev. - 2012. - Feb. 1. - Vol. 256(3-4). - Р 393-411. doi: 10.1016/j.ccr.2011.10.011

25. Copp S. W. Nitric oxide synthase inhibition during treadmill exercise reveals fiber-type specific vascular control in the rat hindlimb/ S. W. Copp, D. M. Hirai, K. S. Hageman et al. // Am J/ Physiol Regul Integr Comp Physiol. - 2010. - Feb. - 298(2). - Р 478-85. doi: 10.1152/ ajpregu.00631.2009. Epub 2009 Dec 9.

26. Evangelista A. M. Direct regulation of striated muscle myosins by nitric oxide and endogenous nitrosothiols / A. M. Rao V. S. Evangelista, A. R. Filo et al. // PLoS One. - 2010. - N 18. -5(6):e11209. doi: 10.1371/journal.pone.0011209.

27. Gladwin M.T. Nitric oxide's reactions with hemoglobin: a view through the SNO-storm / M.T. Gladwin, J. R. Lancaster, Jr., B. A. Freeman, A. N. Schechter // Nat. Med. 2003. - N 5. - P 496-500.

28. Green D. J. Effect of exercise training on endothelium-derived nitric oxide function in humans/. D. J. Green, A. Maiorana, G. O'Driscoll, R. Taylor // J. Physiol. - 2004. - Vol. 15, N 561(Pt 1). - Р. 1-25.

29. Heinonen I. Effect of nitric oxide synthase inhibition on the exchange of glucose and fatty acids in human skeletal muscle/ I. Heinonen, B. Saltin, J. Kemppainen et al. // Nutr Metab (Lond). -2013 Jun - 18; 1-0(1) - 43. doi: 10.1186/1743-7075-10-43.

30. Marеchal G. Effects of nitric oxide on the contraction of skeletal muscle/ G. Marеchal, P. Gailly // Cell. Mol. Life Sci. - 1999 Jul. -N 55(8-9). - Р. 1088-1102.

31. Margaux A. Guidry. Endothelial Nitric Oxide Synthase (NOS3) +894G>T Associates with Physical Activity and Muscle Performance among Young Adults / A. Guidry Margaux, A. Kostek Matthew, J. Angelopoulos Theodore et al. // International Scholarly Research Network ISRN Vascular Medicine. - 2012. -Article ID 901801.

32. McAllister R. M. Nonuniform effects of endurance exercise training on vasodilation in rat skeletal muscle/ R. M. McAllister, J. L. Jasperse, M. H. Laughlin// J. Appl Physiol. - 2005. - N 98. -P 753-761. doi: 10.1152

33. McAllister Richard M. Vascular nitric oxide: effects of exercise training in animals/ Richard M. McAllister, C. Newcomer Sean, Laughlin M. Harold // Appl Physiol Nutr Metab. - 2008. -N 33(1). - Р.173-178. doi: 10.1139/H07-146.

34. Miclescu Adriana. Nitric oxide and pain: «Something old, something new»/ Adriana Miclescu and Torsten Gordh //Acta Anaesthesiologica Scandinavica. - 2009. - N 53 (9). - Р. 110711208.

35. Moncada S. The discovery of nitric oxide as the endogenous nitrovasodilator/ S. Moncada, R. M. J Palmer, E. A. Higgs // Hypertension. - 1988. -N 12. - Р. 365-372

36. Moyna N. M. The effect of physical activity on endothelial function in man/ N. M. Moyna, P D. Thompson // Acta Physiol Scand. - 2004. - N 180. - Р 113-123. doi: 10.1111/j.0001-6772.2003.01253.x

37. Myers J. Exercise capacity and mortality among men referred for exercise testing / J. Myers, M. Prakash, V. Do D. Froelicher et al. // N. Engl J. Med. - 2002. - Vol. 346. - Р 793-801. doi: 10.1056/NEJMoa011858

38. Radak Z. Oxygen consumption and usage during physical exercise: the balance between oxidative stress and NOS-dependent adaptive signalling / Z. Radak, Z. Zhao, E. Koltai et al. // Antioxid. Redox Signal. - 2013. - Vol. 18, N 10. - P 1208-1246. doi: 10. 1089/ars. 2011.4498

39. Cantu-Medellin Nadiezhda. Xanthine oxidoreductase-catalyzed reduction of nitrite to nitric oxide: Insights regarding where, when and how/ Nadiezhda Cantu-Medellin, Eric E. Kelley// Biological Chemistry and Therapeutic Applications of Nitric Oxide. - 2013. - Vol. 34, N 1. - P. 19-26.

40. Tschakovsky M. E. Nitric oxide and muscle blood flow in exercise/ ME Tschakovsky, MJ. Joyner // Appl Physiol Nutr Metab. -2008. - Vol. 33(1). - Р 151-160.

41. Wu G. Arginine metabolism: nitric oxide and beyond / G. Wu, M. S. M. Jrorris // Biochem J. -1998. - Vol. 15, N 336 (Pt 1). - Р 1-17.

42. http://www.medbiol.ru/medbiol/no-phys/00019dfc.htm

43. http://www.lifesciencestoday.ru/index.php/starenie/834-nitric-oxide-increases-lifespan-of-roundworms

Размещено на Allbest.ru

...