Проблема оксида азота в неврологии

Токсические эффекты при повышении содержания монооксида азота следует ожидать при создании условий для протекания реакции:

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

где *OH является основным радикалом, вызывающим множественные необратимые изменения нативных молекул нуклеиновых кислот и белков. Кроме этого, пероксинитрит вызывает нитрование циклических аминокислот и нитрозилирование серосодержащих остатков цистеина в белках и пептидах. Сам по себе NO при образовании в больших количествах имеет точки приложения своего действия в митохондриях, вызывая подавление тканевого дыхания. В условиях нехватки субстратов цикла трикарбоновых кислот, например при резком ограничении поступления глюкозы в клетки, происходит инициация апоптотических процессов в клетке, а в модельных ситуациях при нехватке глюкозы в условиях избытка NO наблюдается некроз клеток.

В спектр токсических воздействий пероксинитрита входит также непосредственное нитрозилирование гуанина и разрывы в цепи ДНК, что также ведет к апоптозу клеток [41]. Эти эффекты пероксинитрита усиливаются при ацидозе, так как в этих условиях образуется ONOOH, являющаяся источником гидроксильного радикала. При высоких концентрациях доноров NO наблюдается активация энзимов завершающей фазы апоптоза семейства ПАРП и АДФ-рибозилирования. Антиапоптотическое действие NO (в том числе подавление каспаз) сохраняется до тех пор, пока:

конъюгация с супероксиданионом не приводит к образованию слишком больших количеств пероксинитрита, отражающихся на соотношении тиолдисульфидных равновесий и торможении дыхательной цепи в митохондриях;

не происходит образование NO при снижении энергообеспечения клеток подходящими метаболитами глюкозы или других источников промежуточных метаболитов цикла трикарбоновых кислот и гексододифосфатного пути окисления углеводов;

не нарастает ацидоз, в том числе метаболический;

не исчерпывается возможность переводить высокореакционноспособные формы NO в нитрозотиолы.

Следует также учитывать, что при достаточном поступлении в клетки пластического и энергетического материала NO оказывает разносторонние эффекты, направленные на улучшение условий протекания внутриклеточного метаболизма, включая связывание свободных радикалов кислорода, в первую очередь супероксиданиона. Антиапоптотическое действие NO сохраняется при низких его концентрациях и низких концентрациях других свободных радикалов. При очень высоких концентрациях нитрозотиолов, около 1мМ, независимо от действия других свободных радикалов кислорода наблюдается развитие нитрозилирующих реакций, т.е. нитрозилирующий стресс (образование нитрозоаминов, дезаминирование оснований ДНК и других дериватов). В условиях неэффективного энергетического метаболизма митохондрий, снижения оборота и пула никотинамидных коферментов, падения концентрации свободных тиоловых групп, снижение эффективности синтеза АТФ в митохондриях, повышение синтеза NO сопровождается усилением апоптотических влияний NO и его метаболитов на клетки [301, 692, 1015].

Пероксинитрит накапливается не только в результате реакции конъюгации между свободным NO и супероксиданионом. При разрушении СОД в условиях оксидативного стресса, сопровождающегося высвобождением ионов меди или при высвобождении этого иона из других белков, в клетках появляется возможность быстрого денитрозилирования S-нитрозоглутатиона. Баланс соотношения нитрозотиолы/пероксинитрит смещается в сторону пероксинитрита [717]. Этот процесс, по-видимому, предопределяет переключение положительных для клетки модулирующих эффектов NO на активацию апоптоза. В связи с этим прежняя общая стратегия при терапии состояний, сопровождающихся активацией свободнорадикального метаболизма на резкое увеличение антиоксидантного потенциала организма, должна быть дополнена принципами лечебных подходов к отдельным звеньям свободнорадикального метаболизма. Таким образом, необходимо учитывать, что цитопротекторный эффект свободного радикала в виде оксида азота в определенной области его эндогенных концентраций сохраняется. Это можно осуществлять под контролем лабораторного анализа МДА, СОД, нитротирозина, гомоцистеина, окислов азота и нитрозотиолов.

NO в виде нитрозотиолов является необходимым при протекании важнейших регуляторных и цитопротекторных процессов на уровне органелл клетки и всего организма. Остается малоизученной проблема управления внутриклеточными цитопротекторными функциями NO [41, 50, 197, 1014]. Проводя фармакотерапевтическое воздействие методами, вмешивающимися в связывание и гашение свободных радикалов, необходимо учитывать, что при этом связываются такие физиологически важные парамагнитные молекулы, как монооксид азота. С другой стороны, излишнее назначение доноров NO также влечет за собой неблагоприятные последствия. Нарушение этого звена метаболизма в эндотелии и окружающих клетках формирует состояние оксидативного и нитрозилирующего стресса. Клетки субэндотелия (макрофаги, фибробласты, гладкомышечные и др.) и клетки крови также участвуют в развитии указанных выше нарушений метаболизма АФК и нарушений регуляции кровообращения. Нарушение функций клеток, связанных с образованием, транспортом и использованием (метаболизмом) физиологически важного свободного радикала - NO, может являться непосредственной причиной развития тяжелых состояний, заключающихся в развитии атеротромботических осложнений [67, 436, 785].

С энергетикой митохондрий тесно связана одна из существенных функций этих органелл - способность накапливать значительные количества кальция и обмениваться ионами кальция с внутриклеточным окружением. Митохондрии обладают Са2+-транспортной системой, включающей Са2+-унипортер, Na+/Ca2+- и Са2+/Н+-обмен [47]. Накопление ими кальция осуществляется, главным образом, через унипортер, активность которого зависит от величины мембранного потенциала, создаваемого на внутренней мембране сопряженной работой дыхательной цепи и протонного насоса - митохондриальной АТР-азы.

Известно, что оксид азота оказывает влияние на различные Са2+-транспортные системы клетки, в частности на Са2+-АТР-азу эндоплазматического ретикулума и Na+/Ca2+-обмен плазматической мембраны [821].

В настоящее время установлено, что митохондрии способны быстро накапливать кальций, поступающий в клетку под действием физиологических стимулов. Сейчас активно изучаются влияния NO на митохондриальный транспорт Са2+, что в конечном итоге позволит глубже понять некоторые механизмы его вовлечения в регуляцию клеточного гомеостаза кальция [921].

Около десяти процентов нейронов в мозге имеют ферменты, способные высвобождать оксид азота из разных химических соединений [610].

NO широко представлен как в центральной, так и в периферической нервной системе. Он выделяется в постсинаптических нейронах под влиянием нейротрансмиттеров, из которых наиболее изучен глутамат. Известно, что глутамат, синтезируемый пресинаптическими нейронами, стимулирует N-метил-D-аспартат-рецепторы (NMDA-рецепторы) постсинаптических нейронов, активация которых способствует повышению внутриклеточной концентрации Ca2+ и в последующем - усилению активности nNOS, что в конечном итоге приводит к повышению синтеза NO [754]. NO специфически не связывается с рецепторами постсинаптической мембраны, как в случаях с классическими нейротрансмиттерами, но он диффундирует в другие участки, включая пресинаптические нейроны (то есть действует как ретроградный мессенджер) и другие смежные нейроны и глиальные клетки. Полагают, что NO действует, вероятно, как нейромодулятор, скорее опосредуя динамическую активность нейронов, а не оказывая прямое влияние на активность их потенциалов [63].

Вегетативная нервная система также производит оксид азота. Он выделяется в синапсах, нервных окончаниях, иннервирующих разные органы [91].

Локализуясь в центральной нервной системе, в частности в гипоталамо-гипофизарной системе, управляющей нейроэндокринной регуляцией, оксид азота стимулирует клетки гипоталамуса и аденогипофиза, вырабатывающие гормоны, необходимые для нормального функционирования организма [27]:

- соматостатин, соматолиберин и соматотропин (гормон роста) влияют на соматические клетки организма, обеспечивая его нормальный рост;

- адренокортикотропный гормон и кортиколиберин, действуя на кору надпочечников, способствуют выделению кортикостероидов, регулирующих электролитный обмен и размножение;

- тиреотропный гормон и тиреолиберин влияют на щитовидную железу, которая обеспечивает секрецию тироксина, регулируя рост и энергетический обмен;

- мишенью фолликулостимулирующего гормона и фоллиберина являются также семенные канальцы, интерстициальные клетки и яйцевые фолликулы;

- лютенизирующий гормон и люлиберин, влияя на желтое тело, яйцевые фолликулы, а также семенные канальцы и интерстициальные клетки, вызывают секрецию эстрогена, прогестерона и способствуют созреванию фолликул, овуляции, секреции тестостерона, усиливают сперматогенез и увеличивают скорость движения и активность сперматозоидов;

- пролактолиберин и пролактин увеличивают секрецию молока после родов.

Необходимо также отметить, что тестостерон, который вырабатывается надпочечниками и яичниками (под действием NO), обуславливает сексуальное желание женщины.

Оксид азота оказывает влияние на различные мотивационные формы поведения, включая сексуальный, агрессивный и глотательный рефлексы [43]. По-видимому, оксид азота может выступать как важный химический сигнал и выполнять фундаментальную роль в реализации нейроэндокринных функций и регуляции поведения.

Известно, что нейроны в паравентрикулярных и супраоптических ядрах гипоталамуса содержатся различные нейропептиды, в частности вазопрессин и окситоцин. Они принимают участие в регуляции многих функций в организме. В частности, вазопрессин регулирует потребление воды и выведение ее из организма. Основным эффектом вазопрессина является регуляция осмоляльности жидкостей внутренней среды [474].

В то же время водная депривация или солевая нагрузка создает предпосылки для нейронального синтеза оксида азота. В частности, в крупноклеточных нейронах паравентрикулярного и супраоптического ядер гипоталамуса обнаружена нейрональная изоформа NO-синтазы [765]. Гипофизэктомия и водная депривация у подопытных животных не только вызывали изменения в интенсивности образования вазопрессина и окситоцина, но и активности нейрональной NO-синтазы [842, 995]. Показано, что торможение активности нейрональной NO-синтазы способствует увеличению уровня окситоцина в процессе дегидратации, что стимулирует образование вазопрессина и таким образом способствует увеличению антидиуретического эффекта [46].

В свою очередь NO является нейромодулятором реализации функций вазопрессина [117, 448]. Она осуществляется через ингибирование функции вазопрессина и окситоцина [409, 560]. Так, ингибирование (замедление нейронального синтеза оксида азота) NO-синтазы усиливает освобождение окситоцина и вазопрессина во время дегидратации, тем самым, усиливая антидиуретический эффект [51]. Водная и пищевая депривация модулировала экспрессию генов и активность NO-синтазы в гипоталамических нейронах [501]. Введение же крысам в боковые желудочки мозга донора оксида азота S-нитрозо-N-ацетилпени-цилламина или L-аргинина приводило к повышению концентрации вазопрессина в плазме крови [592]. Системное введение кроликам такого донора NO как нитропруссид натрия повышало содержание вазопрессина в крови [650].

Таким образом, оксид азота ингибирует активацию системы гипоталамус-гипофиз-надпочечники, вызываемую аргинин-вазопрессином. Вместе с тем ингибиторы синтазы NO (L-NMMA и L-NAME) сужают региональные артерии, снижают почечный кровоток, скорость клубочковой фильтрации и повышают системное артериальное давление [53, 314, 915].

Гормоном, регулирующим объем циркулирующей крови, является ангиотензин-2. В нейрохимической регуляции питьевого мотивационного возбуждения ему отводится одна из основных ролей. Ангитензин-2, действуя на различные структуры мозга, увеличивает потребление воды. Он также способствует восстановлению баланса воды и электролитов в организме [56]. Имеются данные, что NO принимает участие в регуляции секреции ангиотензина [157, 508, 959], а также играет роль в модуляции баланса жидкости в организме и питьевого поведения [58].

В связи с тем, что NO-синтаза присутствует в тех образованиях центральной нервной системы, которые контролируют проявление пищевой мотивации [42], можно было предполагать участие оксида азота в регуляции процессов потребления и всасывания питательных веществ.

Выявлено, что оксид азота принимает участие не только в регуляции водно-солевого обмена [45, 146, 347], но и пищевой мотивации [43, 160, 617]. В литературе имеются также доказательства роли и периферических систем в механизмах регуляции оксидом азота потреблении пищи [62].

Таким образом, в регуляции пищевой и питьевой мотивации наряду с традиционными медиаторами норадреналином, серотонином и ацетилхолином принимает участие и система оксида азота.

Известно, что оксид азота стимулирует секрецию ацетилхолина и норадреналина в подкорковых структурах мозга [635]. В свою очередь ацетилхолин и норадреналин повышают активность NO-синтазы в структурах мозга. Постулируется взаимосвязь между концентрацией серотонина и активностью NO-синтазы в центральной нервной системе [260]. Показано, что введение в медиальную преоптическую область гипоталамуса крыс L-аргинина вызывает системное увеличение концентрации серотонина и дофамина [641].

Морфологической структурой ЦНС ответственной за память, наряду с корой мозга, является гиппокамп [65]. По-видимому, в регуляции процессов обучаемости и механизмах памяти оксид азота также принимает участие.

Считается, что оксид азота имеет важное значение во время первоначального приобретения навыков. Однако роль NO в механизмах пространственного обучения до сих пор остается неопределенной [466]. Было показано, что ингибитор NO-синтазы N-нитро-L-аргинин ухудшает пространственное обучение у крыс [67, 678]. Очевидно, что оксид азота играет роль в модуляции синаптической пластичности, в том числе в гиппокампе [609].

Вместе с тем установлено, что NO может выступать в роли нейротрансмиттера, опосредуя эффекты так называемых неадренергических-нехолинергических нейронов (NANC-нейроны), которые, наряду с холин- и норадренергическими проводниками автономной нервной системы, могут представлять третий тип нервной системы. Этот тип нейронов называют еще нитринергическими, и они описаны в сердце, пищеварительной системе и в дыхательных путях, где они иннервируют как сосудистую, так и внесосудистую гладкую мускулатуру. Стимуляция NANC-нейронов приводит к биосинтезу и выделению ими NO, который посредством цГМФ вызывает, например, бронходилатацию, глубокую релаксацию артериальных сосудов, адаптивную релаксацию желудка, гладких мышц нижней части пищевода и гладких мышц двенадцатиперстной кишки, а также циркулярной мышцы тонкой кишки, что обеспечивает перистальтику и передвижение пищевых масс вдоль кишечника.

Наличие проводящих структур из полимерных NO-молекул в миелиновом матриксе естественным образом объясняет проводимость нервного волокна для прохождения импульсов тока. Среди неадренергических и нехолинергических синапсов имеются синапсы, названные нитрергическими, их медиатором является NO. Нитрергические нервно-мышечные синапсы известны как стимуляторы миорелаксации.

Целевая доставка физиологически активного вещества, его высокая, но кратковременная химическая активность - три главных требования, предъявляемые к нейромедиатору. Последним двум требованиям соответствует NO. Ранее считалось, что синтез NO для нитрергических синапсов катализируется nNOS. Впоследствии обнаружили участие iNOS в катализе синтеза NO для нитрергических синапсов.

Вместе с тем, известно, что факторы электромагнитной природы способны вызывать опухоли мозга (например, излучение мобильных телефонов), что может быть объяснено нарушением нервной проводимости под влиянием электромагнитных импульсов. Болезни, связанные со старением также могут иметь первопричиной нарушение нервной проводимости под влиянием факторов свободно-радикальной природы.

Следует отметить еще одно интересное наблюдение, связанное уже с нейронами, содержащими NO-синтазу, и не получившее пока полного объяснения. Еще в 60-х годах Е. Томас и Э. Пирс использовали новый гистохимический метод выявления активности фермента НАДФН-диафоразы (фермент, способный восстанавливать окисленную форму НАДФ) для анализа нервной системы и показали, что в разных отделах головного мозга имеются единичные нейроны с интенсивной положительной реакцией. Эти нейроны, которые получили название «одиночные активные клетки», остаются неповрежденными при разнообразной патологии нервной системы, в то время как большинство других клеток погибает. Относительно недавно выяснилось, что НАДФН-диафоразная активность свойственна NO-синтазе (НАДФН-диафоразная активность широко используется в настоящее время для гистохимической идентификации клеток, содержащих NO-синтазу, хотя НАДФН-диафораза и NO-синтаза - разные ферменты и их распределение в клетках мозга не всегда совпадает), и, таким образом, была установлена устойчивость нейронов, содержащих NO-синтазу, к разнообразным патологическим воздействия. Механизмы такого необычного и имеющего большое биологическое значение свойства клеток окончательно не выяснены.

Остается невыясненным и вопрос о том, почему большие дозы синтезированного газа не оказывают токсического влияния на клетки, в которых они образуются. Одним из возможных объяснений такого парадокса может быть то, что в нейронах, содержащих NO-синтазу, определяется высокая активность фермента супероксиддисмутазы, катализирующей распад токсических радикалов и защищающей, таким образом, клетку от их губительного действия.

Обобщая имеющие данные о нейронах ЦНС, содержащих NО-синтазу, следует отметить, что преимущественная часть их относится к небольшим по размерам клеткам, многие из которых не содержат дендритных шипиков и являются ассоциативными нейронами. Крупные клетки, например пирамидные нейроны коры больших полушарий или гиппокампа (исключением можно считать отдельные пирамидные нейроны поля CA1 гиппокампа), моторные нейроны передних рогов спинного мозга, не содержат NO-синтазу. NO-синтаза сосуществует в нервных клетках с другими традиционными нейромедиаторами и нейропептидами, чаще фермент определяется в холинергических нейронах.

Большое внимание уделяется NO в реализации нервных воздействий на ткани внутренних органов. Нервы, содержащие NO-синтазу, показаны практически во всех изученных внутренних органах преимущественно в стенке кровеносных сосудов, где они наряду с эндотелием могут оказывать сосудорасширяющий эффект. NO признается одним из основных эффекторных агентов в так называемых неадренергических - нехолинергических нервах. В периферических нервах подробно изучено сосуществование NO-синтазы с нейропептидами. Наиболее часто фермент определяется вместе с вазоактивным кишечным нейропептидом (VIP) и нейропептидом Y.

Значение NO в ЦНС в нормальных условиях связывают с тремя процессами (так называемая NO-гипотеза):

участие в межнейронной связи в качестве своеобразного нейромедиатора, причем основное значение, как полагают, NO имеет в синаптической пластичности, под которой понимают эффективность синаптической передачи;

регуляция церебрального кровотока;

установление межнейронных синаптических взаимосвязей во время развития нервной системы.

Нейромедиаторная сущность NO заключается в том, что он синтезируется при возбуждении нейрона (в ответ на поступление ионов кальция) и, диффундируя в соседние клетки, активизирует в них образование цГМФ, способного влиять на проводимость ионных каналов и, таким образом, изменять электрогенез нейронов. NO отличается от традиционных нейромедиаторов тем, что он оказывает воздействие на ионные каналы не через плазмалеммальные рецепторы, а изнутри, со стороны цитоплазмы. Кроме того, действие NO не ограничивается только областью синаптических контактов, газ может влиять на ионные каналы на значительной площади плазматической мембраны нейрона.

Участие NO в синаптической пластичности наиболее ярко проявляется в таких процессах, как длительная синаптическая потенциация (повышение эффективности проведения возбуждения через синапс для каждого последующего импульса в их последовательности), более детально проанализированная в гиппокампе, и длительная синаптическая депрессия (снижение эффективности проведения возбуждения через синапс), лучше исследованная в коре мозжечка.

В первом случае возбуждение постсинаптического окончания приводит к повышению внутриклеточного уровня Ca2 + /кальмодулина, активирующих NO-синтазу и образование NO. NO, диффундируя в пресинаптическое окончание, вызывает образование цГМФ, что приводит к усилению и увеличению длительности выделения из пресинапса нейромедиатора, который, в свою очередь, оказывает возбуждающее действие на постсинаптический нейрон и таким образом возникает обратная положительная связь с постоянным усилением. Такому механизму особое внимание уделяется в синапсах с наиболее распространенным и сильным возбуждающим нейромедиатором ЦНС глутаматом и особому глутаматному рецептору - NMDA-рецептору, являющемуся трансмембранным каналом для ионов кальция.

С длительной синаптической потенциацией, прежде всего в гиппокампе, связывают пластичность межнейронных связей, лежащих в основе памяти. Такое предположение основывается на ставших уже классическими представлениях Д. Хэбба (1949 год) о повышении эффективности синаптической передачи при возбужденном состоянии постсинаптического нейрона. Физиологические наблюдения об участии NO в процессах памяти и обучения противоречивы. Наряду с работами, в которых показано нарушение процессов обучения у экспериментальных животных при введении ингибиторов NO-синтазы, имеются и исследования с противоположными результатами. Неоднозначность получаемых результатов, возможно, связана с тем, что вводимые в организм ингибиторы NO-синтазы оказывали действие не только на всю нервную систему, но и на все органы и ткани животных, что не позволяло достичь локального влияния на продукцию NO в мозге.

Интересно, что нахождение животных (крыс) в обогащенной внешней среде (лабиринт, новая обстановка) приводит к увеличению числа нейронов, содержащих NO-синтазу во многих отделах головного мозга, причем предварительное введение ингибиторов NO-синтазы и NMDA-рецепторов приводило как с снижению активности NO-синтазы в нейронах, так и к нарушению процессов обучения.

В переживающих (живущих некоторое время в условиях культуры тканей) срезах головного мозга был показан и другой механизм действия NO на пресинаптические окончания. NO способен инициировать выделение нейромедиатора дофамина из нейронов не посредством экзоцитоза (обычный способ выделения нейромедиаторов с участием синаптических пузырьков), а путем трансмембранной диффузии при участии особого мембранного переносчика дофамина, участвующего в его захвате из межклеточной среды. В этом процессе не участвует цГМФ и предполагается прямое влияние NO на транспортные белки мембран.

Длительную синаптическую депрессию, в частности в контактах между параллельными волокнами, являющимися аксонами самых маленьких нейронов в организме человека, так называемых клеток-зерен, и нейронами Пуркинье в коре мозжечке связывают с десенсибилизацией другого класса глутаматных рецепторов, так называемых AMPA-рецепторов. Выделяющийся из аксонов корзинчатых нейронов (особый тип нейронов коры мозжечка) NO диффундирует к нейронам Пуркинье и активирует в них синтез цГМФ, что приводит к инактивации AMPA-рецепторов и снижению эффективности работы синапсов между клетками зернами и нейронами Пуркинье.

В основе первого положения NO-гипотезы лежит возможность образования NO в постсинаптическом окончании при его возбуждении и влияние газа на пресинаптический аксон. Однако за счет диффузии к соседним нервным клеткам NO может оказывать влияние не только на пресинаптическое расширение аксона, формирующего синапс на этом постсинаптическом окончании, но и на близлежащие аксоны и дендриты, модулируя их активность.

Традиционная формулировка положения об участии NO в межнейронной коммуникации ограничивается обычно возможностью синтеза и выделения NO из локальной области нейрона - постсинаптического окончания. Однако, как показывают результаты свето- и электронно-микроскопических исследований, NO-синтаза определяется во всем объеме тела нейронов - в перикарионе, аксоне и дендритах. Поскольку при возбуждении нейрона по всей длине его отростков и в теле уровень кальция циклически колеблется (образуются своеобразные кальциевые волны), можно считать, что синтез и выделение NO могут инициироваться в любом участке тела и отростков нейронов. Таким образом, нейроны, содержащие NO-синтазу, способны создавать вокруг себя поле воздействия, то есть могут считаться своеобразными полевыми нейронами в отличие от традиционных нейронов, связанных друг с другом в локальных участках - синапсах.

Основное внимание в процессах синаптической пластичности уделяется, конечно, нейронам, однако нельзя не учитывать и роль глии. Известно, что астроциты способны продуцировать NO, причем они обладают как конститутивной (в небольшом количестве), так и индуцибельной NO-синтазой. Если принять во внимание, что число астроцитов в 10-100 раз превосходит (в зависимости от области мозга) количество нейронов, то их роль в продукции NO и влиянии на механизмы электрогенеза нейронов может является весьма значимой.

Значение астроцитов как источника NO особенно ярко проявляется при патологии ЦНС. При многих нейродегенеративных заболеваниях, ишемии, травмах, опухолях головного мозга астроциты начинают экспрессировать NO-синтазу и продуцировать большой объем NO. С этим связывают гибель нейронов и других макроглиальных клеток, в частности одигодендроцитов.

Целенаправленный рост и ветвление отростков нейронов, установление новых синаптических контактов в процессе развития нервной системы во многом определяются возбуждением нервных клеток. Нейроны, содержащие NO-синтазу, показаны еще в эмбриональном периоде, и, как полагают, NO может инициировать разветвление растущих аксонных и дендритных веточек и стимулировать образование синапсов. Эта область нейробиологии остается еще малоисследованной.

Столь широкий спектр биорегуляторных эффектов NO указывает на то, что снижение его уровня в ЭК под влиянием тех или иных факторов должно вызывать существенные изменения в системе кровообращения. Исследования последних лет показали, что это имеет место при целом ряде болезней сердца и сосудов, а также факторах риска их возникновения.

В последние годы растет интерес к оксиду азота и его роли в биологических процессах. Этот интерес был перенесен и в сферу борьбы с болью, и сейчас уже имеются данные о том, что NO участвует в процессах переработки ноцицептивной информации. Процесс образования NO происходит вторично после активации NMDA-рецептора и входа ионов кальция. Поэтому вышеописанные изменения, которые происходят вслед за активацией NMDA-рецептора, могут быть частично обусловлены образованием NO. Возможно, что препараты, которые блокируют образование или действие NO, в будущем сыграют свою роль в предупреждении или прерывании боли.

В иммунной системе NO генерируется активированными макрофагами, лимфоцитами, моноцитами из L-аргинина с помощью индуцибельной NO-синтазы - iNOS, синтез которой инициируется цитокинами, ендотоксинами и другими биологически активными веществами. Показано, что под влиянием этих стимулов усиливается синтез NO вследствие экспрессии гена, ответственного за этот процесс. В иммунных реакциях NO может выступать в роли как иммунорегуляторной молекулы, так и токсичного агента. Именно как токсичный агент, который образовывается в макрофагах и нейтрофилах, он принимает участие в защите организма от инфекционных агентов. По литературным данным, NO ингибирует репликацию вируса герпеса в клетках.

Есть сведения об участии NO в развитии иммунной патологии органов, в частности гломерулонефрите, феномене Артюса, иммунокомплексном васкулите. Хотя в случае аллергического энцефаломиелита ингибитор NOS улучшает его течение. NO способствует отторжению аллотрансплантата поджелудочной железы. Доказана локализация iNOS на клетках воспаления, которые инфильтрируют аллотрансплантат. Участие NO в развитии гуморальных иммунных реакций изучено недостаточно. Среди многих звеньев гуморального иммунного ответа макрофаги занимают важное место, их функция заключается в презентации антигена Т-хелперам, синтезе медиаторов межклеточных взаимодействий - цитокинов, которые осуществляют положительную или отрицательную иммунорегуляцию. Есть данные о том, что интерлейкины (IL-1 и IL-6), которые секретируются активированными макрофагами, индуцируют IL-2-рецептор на Т-клетках и усиливают продукцию антител В-клетками [12], а простагландин Е2 и опухолевый фактор роста, который им выделяется, совершает отрицательное влияние на иммунный ответ.

Ранее было высказано предположение, что проводимость акупунктурных точек на теле человека обусловлена наличием полимерных NO-молекул в каналах, связывающих различные органы с их проекциями на пальцах, ушах, ступнях или других частях тела. Поэтому по изменению проводимости в этих точках можно судить о состоянии организма и о патологии тех или иных органов.

Так называемое «кожное» зрение, возможно, также связано с наличием полимерных NO-молекул в области акупунктурных точек на кончиках пальцев, выходящих за пределы тела. Наличие «ауры» вокруг человека или других живых объектов в высокочастотном поле также может быть объяснено окислением окиси азота до двуокиси с последующим излучением света при переходе молекулы двуокиси азота из возбужденного состояния в основное.

NO можно рассматривать как сигнальную молекулу пищеварительной системы, так как он стимулирует расслабление гладких мышц пищевода, желудка, тонкой и толстой кишки, желчного пузыря, сфинктера печеночно-поджелудочной ампулы (Одди). Среди физиологических функций NO в отношении пищеварительной системы наиболее важной является обеспечение моторной функции желудочно-кишечного тракта, а также регуляции поступления желчи в кишечник. В физиологических условиях эндогенный NO - один из медиаторов внешней секреции поджелудочной железы. Присутствующий в слизистой оболочке двенадцатиперстной кишки NO - один из медиаторов дуоденальной секреции бикарбонатов в ответ на кислотное раздражение ее слизистой оболочки. NO относится к медиаторам неспецифической защиты слизистой оболочки желудка (наподобие простагландинов) от химических и механических воздействий, повреждающих слизистую оболочку, например от этилового спирта и желчи, кислотного воздействия, водно-иммерсионного воздействия и др.

Давно известная болезнь диффузный спазм пищевода вызывается тоническим спазмом его гладких мышц. В основе болезни так же лежит дефицит NO, так как внутривенное вливание нитроглицерина (поставщика NO) сопровождается исчезновением спазма. Возможно, что и в основе неправильной работы сфинктера 12-перстной кишки (а значит и язв желудка), тоже лежит недостаточное количество NO, в результате чего этот клапан теряет способность функционировать.

Кроме того, NO следует отнести к числу наиболее важных факторов защиты слизистой желудка. Его влияние осуществляется путем воздействия на кровоснабжение слизистой. Блокада NOS резко уменьшает кровоток в сосудах слизистой. Косвенно это сказывается на секреторной функции желудка, на способности его слизистой противостоять воздействию на нее факторов агрессии, на возникновении и заживлении эрозий и язв.

Иммуногистохимическими методами установлено содержание NOS в нейронах сплетения Ауэрбаха. Их электрическая стимуляция сопровождается секрецией NO и релаксацией кишечника, что может быть предотвращено назначением ингибиторов NOS. Нейроны, содержащие NOS, обнаружены также в адвентиции сосудов желудочно-кишечного тракта. Это свидетельствует о том, что NO является нейротрансмиттером также в периферических нервах желудочно-кишечного тракта.

NO играет важную роль в регуляции функций легких и в патофизиологии заболеваний системы дыхания. В легких NO производится под влиянием конститутивных NOS в эндотелиальных клетках легочной артерии и вены, в ингибиторных неадренергических-нехолинергических нейронах. В ряде клеток, имеющихся в легких и способных вырабатывать NO, включая макрофаги, нейтрофилы, тучные клетки, эндотелиальные, гладкомышечные клетки, эпителиальные клетки и, возможно, клетки других типов, представлена экспрессия iNOS. Более поздние исследования показали, что в дыхательных путях конститутивные NOS характеризуется высокой гомологичностью к iNOS и присутствует в эпителиальных клетках.

Помимо синтеза NO в эндотелии легочных сосудов, NOS представлена в эпителии воздухоносных путей. Выяснено, что у плода в первой половине беременности снижена активность фермента в направлении от более крупных (11-го порядка) к более мелким (16-го порядка) бронхиолам, что соответствует направлению формирования легких в онтогенезе. У плода во второй половине беременности градиент активности фермента возрастает от бронхиол 11-го порядка к бронхиолам 16-го порядка. Видимо, у плода в возрасте 35-37 недель повышение активности конститутивных NOS в претерминальных бронхиолах, отвечающих за наполняемость воздухом респираторных отделов легкого, связано с подготовкой легких к функционированию.

У здоровых детей и взрослых в образовании эндогенного NO преимущественно участвуют верхние дыхательные пути. При этом в полости носа образуется более 90 % NO и 50-70 % образовавшегося NO аутоингалируется и попадает в легкие. Нижние дыхательные пути также участвуют в образовании NO, но в воздухе из нижних дыхательных путей количество газа значительно меньше, чем в воздухе, находящемся в полости носа и рта. Полагают, что вырабатываемый конститутивно верхними отделами дыхательных путей NO необходим для поддержания воздухопроводимости этого отдела легких.

Установлено, что нарушение продукции и/или разрушение NO имеет значение при возникновении гиперреактивности дыхательных путей в патофизиологии бронхиальной астмы. Огромный интерес к NO связан также с возможностью использования его в качестве терапевтического агента. Во многих случаях ингаляции NO устраняют легочную вазоконстрикцию, связанную с гипоксией, первичной легочной гипертонией, сердечными пороками, персистирующей гипертонией новорожденных и респираторным дистресс-синдромом. В отличие от других известных вазодилататоров, которые могут вызывать системную гипотонию, ингаляции NO не дают системного эффекта и улучшают артериальную оксигенацию. Ингаляции экзогенного NO могут рассматриваться в качестве альтернативной терапии бронхоспазма.

Доказано, что в различных отделах почки представлены все три изоформы NOS и продуцируемый с их участием NO играет одну из ключевых ролей в ее физиологии. NO является важным регулятором почечной гемодинамики и гломерулярной фильтрации, ингибирует транспорт натрия и увеличивает его экскрецию.

Известно, что одним из составных компонентов клеточной оболочки является тот же холестерин. Учитывая распространенность источников NO в организме, в том числе NO-синтаз, вероятно образование линейных NO-молекул в клеточной оболочке. Роль этих молекул в межклеточных взаимодействиях может быть весьма большой и дополнять систему управления ткани или органа с помощью химических или биологических факторов. Более того, нарушение межклеточных связей может оказаться решающим этапом в автономизации группы клеток и началом процесса малигнизации. Известна большая группа канцерогенных веществ, относящихся к группе N-нитрозосоединений, которые являются тканеспецифичными канцерогенами и к которым чувствительны практически все виды животных.

В состав этих соединений входит нитрозогруппа, содержащая радикал NO. Встраиваясь в цепочку линейной молекулы NO, нитрозосоединения размыкают цепь и нарушают управление тканевыми или органными структурами. Влияние геомагнитного поля на растущий организм в пренатальный или ранний постнатальный периоды, приводящее к увеличению риска онкопатологии в будущем также, возможно, связано с образованием межклеточных и межтканевых контактов с участием полимерных NO-молекул.

После установления локализации NO-синтазы на внутренней мембране митохондрий были описаны эффекты непосредственной продукции NO на функционирование дыхательной цепи. Показано, что оксид азота, образуясь в митохондриях, изменяет показатели тканевого дыхания и синтеза АТP путем ингибирования цитохромоксидазы.

Помимо этого NO оказывает влияние и на другие клеточные компоненты: а) взаимодействует с тиоловыми группами на белках и маленьких молекулах, формируя S-нитрозотиолы; б) оксид азота может влиять на Fe/S-группы в каталитических центрах белков, включая гемоглобин.

Необходимо отметить чрезвычайно важную способность оксида азота формировать пероксинитриты при взаимодействии с супероксидными радикалами, что приводит к токсичности клеток через склонность пероксинитритов стимулировать пострансляционные изменения в тирозиновых остатках белков.

Таким образом, биологические эффекты оксида азота зависят как от концентрации произведенного NO, так и от особенностей локальной окружающей среды, особенно от наличия и выработка тиолов и пероксинитритов.

Нарушение метаболизма оксида азота приводит к ремоделированию сосудистой стенки - изменению структуры и функциональной активности ее клеток. Такое ремоделирование сосудов у больных прогрессирующими заболеваниями различных внутренних органов является одной из форм структурного ответа сосудов на метаболические и гемодинамические изменения, обусловленные течением основного заболевания, увеличеннием напряжения сдвига вследствие повышения вязкости крови. Гипертрофия сосуда усиливает вазоконстрикторный ответ на нейрогуморальные факторы, способствуя поддержанию повышенного артериального давления; повышение жесткости сосудистой стенки вследствие увеличения содержания натрия и воды - нарушению вазодилятирующего ответа при почечной недостаточности. К факторам способствующим нарушениям структуры и функции сосудистой системы, наряду с гипертензией, относятся также нарушения липидного баланса, изменения агрегатного состояния крови, воспалительные поражения сосудов, оксидантный стресс и др. Эти реакции лежат в основе процессов окисления липидов мембран сосудистой стенки.

Роль оксида азота в поддержании сосудистого гомеостаза сводится к регуляции сосудистого тонуса, ингибированию адгезии, агрегации тромбоцитов и тромбообразования, регуляции пролиферации и апоптоза, регуляции оксидантных процессов, ингибированию лейкоцитарной адгезии.

Осложнениями, связанными с дефицитом этого соединения, являются острый инфаркт миокарда, нестабильная стенокардия, фибрилляция предсердий, атеротромбоз, тромбогенные заболевания сосудов, гемолитико-уремический синдром, тромботическая микроангиопатия, тромботическая тромбоцитопеническая пурпура, преэклампсия, тромбэмболические цереброваскулярные заболевания.

Установлено, что хронический дефицит окиси азота в организме приводит к развитию артериальной гипертонии. Отмечено, что при хронических сердечно-сосудистых заболеваниях, как правило, наблюдается снижение синтеза NO. И одна из причин этого - снижение доступности запасов L-аргинина.

NO по сути является локальным тканевым гормоном, поддерживающим активную вазодилатацию, и одним из основных факторов, регулирующих кровоток и контролирующих базальное артериальное давление.

В сердце NO, выделяемый эндотелиальными клетками, через повышение внутриклеточной концентрации cGMP обеспечивает контрактильную функцию миокарда, усиливая релаксацию желудочков и увеличивая диастолическую растяжимость. Показано также, что NO, который образуется внутри кардиомиоцитов, является чрезвычайно важным в осуществлении в-адренергического инотропного и хронотропного ответов.

В миокарде большее количество диффундирующего NO перехватывается миоглобином (Mb) еще до того, как NO прореагирует c гуанилатциклазой. Время полужизни свободного оксида азота в сердечной ткани составляет около 0,1с. Миоглобин, как скевенджер NO, может изменять процессы, опосредствованные cGMP, и таким способом исполнять роль своеобразного фильтра, который защищает кардиомиоцит от негативного действия избыточного NO. Допускаются, что в миоцитах скелетных мышц при условиях ацидоза, индуцируемого гипоксией (физическая нагрузка, воспалительные процессы, интоксикация), диссоциация комплекса Mb-NO облегчается. Ускоренное ацидозом высвобождение NO из Mb запускает каскадный механизм вазодилатации, который обеспечивает эффективное вымывание лактата из области закислення. В то же время, благодаря вазодилатации, индуцируемой диссоциацией комплекса Mb-NO, усиливается поступление кислорода к тканям.

Исходя из этого, теперь можно по-новому оценить роль внеэритроцитарного гемоглобина. В составе крови гемоглобин, который циркулирует вне эритроцитов, имея высокое сродство к NO, играет не менее важную роль. Выявлено, что захват этим дыхательным гемопротеином синтезируемого в эндотелии NO предотвращает агрегацию тромбоцитов. Причем дезокси-Hb-NO обнаруживает больший эффект антиагрегации, чем Oxy-Hb-NO (гемоглобин, нитрозилированый по SH-группе Cys(93) в-цепи). Очевидно в тонких сосудах периферических участков кровотока, где образование агрегатов кровяных пластинок является опасным фактором, и где рО2 низкий, предупреждение агрегации тромбоцитов имеет важное защитное значение.

Таким образом, обнаруживая скевенджерную активность относительно NO, дыхательные гемопротеины крови и мышц не только нейтрализуют существенную часть этого газа, но и способствуют формированию гомеостатичних реакций в системе крови. Парадоксальный эффект существенного изменения сродства гемоглобина к кислороду в присутствии малых концентраций оксида азота, очевидно, является результатом конформационных изменений молекул гемопротеинов при условии одновременного присоединения ими молекул разной природы, то есть, молекула гемоглобина вроде бы подытоживает влияния, которые имеют место на отдельных ее участках. Вместе с тем, взаимодействие гемопротеинов с NO влияет на основные функциональные свойства переносчиков газов.

Действие Oxy-Нb-NO на процессы отщепления кислорода от молекулы гемоглобина более выражено в периферических участках кровотока, где рО2 является низким. При условиях относительно низких значений рО2 после отщепления кислорода от Oxy-Нb-NO происходит переход R-конформеров комплексов Oxy-Нb-NO в Т-конформеры. Для последних характерным является ослабление шестой координационной связи между атомом гемового железа и проксимальным гистидином, который индуцирует кооперативное отщепление депонируемых молекул NO в альвеолах легких. В случае увеличения рО2 в альвеолах легких Oxy-Нb-NO переходит в R-состояние, в котором связь Fе2+-лиганд укрепляется. Таким образом, NO вместе с вазодилятирующей функцией, исполняет роль физиологического регулятора транспорта кислорода. При низких значениях рО2, когда создаются критические ситуации в системе снабжения кислорода, наличие оксида азота в составе комплекса с оксигемоглобином облегчает отдачу О2 тканям. Вместе с тем, при условиях уменьшения рО2 при деоксигенации гемоглобина растет сродство Нb к алостерическому регулятору 2,3-DPG, что, в свою очередь, облегчает R>T переход в молекуле Oxy-Нb-NO и диссоциацию NO от этого комплекса.

В легких, когда тетрамер гемоглобина освобождает оксид азота и переходит в высокоорганизованное состояние, его сродство к кислороду возрастает. Это значит, что в артериальной крови комплексы гемоглобина с NO циркулируют преимущественно в состоянии R, тогда как в венозной - преобладают Т-конформеры Oxy-Нb-NO-комплексов. Становится понятным, какую важную функцию выполняют нитропротеины в регуляции транспорта газов. При определенных критических условиях они исполняют роль локальных регуляторов потока О2 к тканям. Однако следует иметь в виду, что избыточное образование NO негативно влияет на газотранспортную функцию крови. При условиях избыточного образования NO нитрозилирует в-цепи гемоглобина по аминокислотным остаткам цистеина и тирозина, что сопровождается значительным повышением сродства Нb к О2 и одновременным накоплением метгемоглобина. Все это ограничивает поступление кислорода к тканям и способствует гибели клеток. В таком случае позитивная физиологическая роль скевенджеров NO очевидна: захватывая и депонируя NO при условиях его гиперпродукции они предотвращают потерю кислородтранспортной функции Нb.

Образование оксида азота, который имеет место при гипоксии, может привести к продукции NO2-. Последнее связано с тем, что NO в присутствии О2 окисляется в NО2*- : 2NO* + O2 > 2NO*2, который при условии избытка NО2- обеспечивает реакцию: 2NO*2 + 2NO* > 2N2O3, а N2O3 при взаимодействии с водой - реакцию: 2N2O3 + 2Н2О > 2NO2- + 4Н+. Полученный NO2- может быть использован митохондриями как акцептор электронов. То есть, клетки могут перейти с кислородного на нитратно-нитритное дыхание. Возможность перехода митохондрий на такой тип дыхания изучается. Считается, что ионы NO2- могут попадать в матрикс митохондрий через Са2+-каналы. Поры, сквозь которые проникает Са2+, No3- и, возможно, NO2- в норме закрыты, но в условиях гипоксии и некоторых токсических влияниях, когда мембранный потенциал митохондрий снижается, а сами митохондрии переходят в низкоэнергетическое состояние, эти поры открываются. Нитритные ионы, которые попали в митохондрию, акцептируют электроны из цитохромоксидазы, активность которой, как известно, при условиях гипоксии растет. В митохондриях благодаря нитритредуктазной активности цитохромоксидазы осуществляется восстановление NO2- в NO. Цитохром Р-450, Hb, Mb также обнаруживают способность восстанавливать нитритные ионы в NO. Благодаря нитритредуктазной активности эти гемопротеины замыкают цепь превращений L-аргинин > NO > NO2-/NO3- > NO в единственный цикл оксида азота. Способность гемопротеинов восстанавливать NO2- в NO проявляется лишь в дезоксидной форме. Кислород ингибирует эту реакцию.

Показано, что в условиях недостатка кислорода в тканях (гипоксических состояний организма) нитритредуктазная активность гемопротеинов возрастает и усиливается также генерация NO из L-аргинина. Также наряду с усиленным образованием оксида азота возрастает вазодилатирующая функция эндотелия. Действительно, при экспериментальном инфаркте миокарда у крыс обнаружено избыточное образование NO. Показано, что адаптация животных к периодической гипоксии предупреждает избыточное усиление вазодилататорной функции эндотелия, предопределенной гиперпродукцией оксида азота. Усиление синтеза гемоглобина и миоглобина, а в связи с этим рост концентрации дыхательных гемопротеинов крови и мышц в процессе адаптации к гипоксии следует рассматривать не только как позитивный процесс, который способствует увеличению мощности системы «борьбы» за кислород, но и такой, который усиливает мощность системы депонирования оксида азота. Особенное значение в этой системе имеет гемоглобин. Его комплексы с оксидом азота, которые образуются в результате функционирования NО-синтазных и нитритредуктазных систем, циркулируют в крови. Продолжая период жизни оксида азота, гемоглобин обеспечивает пролонгированное действие этого универсального регуляторного соединения. Транспортированный гемоглобином NO может быть использован в системе межорганных взаимодействий. Высвобожденный из нитрозилированного гемоглобина NO может достигать мозга, миокарда, других тканей, где он исполняет роль регулятора концентрации внутриклеточного кальция. Известно, что при гипоксии транспорт Са2+ в клетки кровеносных сосудов тормозится, что приводит к ингибированию Са2+-зависимой NО-синтазы в эндотелиальных клетках. При таких условиях локальная вазодилатация сосудов осуществляется за счет NO, который высвободился из физиологических депо, например из Hb-NO-комплексов.

Вместе с тем, не менее важным является защитный эффект гемопротеинов в условиях гиперпродукции оксида азота при воспалительных процессах, когда макрофагальная iNOS активируется цитокинами. Избыточная генерация NO активирует свободо-радикальные процессы и, в конечном счете, приводит к гибели клеток. Связывая NO, гемопротеины предотвращают развитие деструктивных процессов.

Таким образом, оксид азота является одним из регуляторов транспорта О2 в организме. Образуясь в NО-синтазных и нитритредуктазных реакциях, этот биорегулятор действует на разнообразные звенья доставки кислорода в ткани. Переносчики О2 - гемоглобин и миоглобин, обнаруживая нитритредуктазную и NО-скевенджерную активность, исполняют уникальную роль в регуляторной системе оксида азота. С одной стороны, функциональные свойства этих гемопротеинов контролируются NO, а с другой - перехватывая и депонируя этот газ, они формируют мобильный физиологический резерв NO, обеспечивая его действие на значительном расстоянии от места образования.

В течение более 10 лет продолжаются исследования по выяснению механизмов участия активных форм кислорода и свободнорадикальной деструкции макромолекул в патогенезе стресс-индуцированной патологии. Были проведены исследования в модельных опытах, которые позволили выявить определенные закономерности формирования карбонильных групп белков в зависимости от концентрации в среде свободных радикалов кислорода. Оказалось, что в некоторых белках, например трипсине, тромбине и лизоциме, при возрастании в среде АФК содержание карбонильных групп не только не увеличивается, но и существенно уменьшается. Это явление связано не с особой устойчивостью этих белков к окислению, а, наоборот, с более серьезными нарушениями в структуре белковых молекул вследствие воздействия АФК, что было продемонстрировано в опытах по триптофановой и битирозиновой флуоресценции. Любые белки, в том числе и сывороточные, проявляют свои биологические свойства, только сохраняя свою нативную структуру. Нарушение ее вследствие различных химических модификаций ведет к изменению ферментативной активности, способности образовывать иммунные комплексы, осуществлять реакции гемостаза и транспортные функции. Различные белки и отдельные домены белков могут проявлять различную чувствительность к окислению, как это было показано в исследовании Lee Y.J. и Shacter E. (1995) на модели фибриногена. В меньшей степени окислялись те его участки, которые были в большей степени гликозилированы. Misato Kashiba-Iwatsuki. et al. (1997) считают, что окислительная модификация альбумина оксидом азота выполняет важную регуляторную роль в связывании и транспорте органических ионов и ионов тяжелых металлов. Наши опыты, с использованием модельных систем, показали удлинение времени образования сгустка при инкубации тромбина в среде, генерирующей АФК.