Что такое оксид азота в организме человека
Что такое оксид азота в организме человека
В свободном состоянии монооксид азота (NO) – это бесцветный газ без запаха, обладающий высокой реакционной способностью. Его молекулярная масса составляет 30,01 г/моль, растворимость в воде – 74 см3/дм3, показатель преломления – 1,0002697, температура плавления – 163,6 °С, температура кипения – 151,7 °С [5].
Основным природным источником NO являются электрические разряды молний в грозу. При сгорании топлива примерно 90% оксидов азота превращается в NO, а оставшиеся 10% – в диоксид азота [20]. В ходе химических реакций значительная часть монооксида азота превращается в N2O. Это бесцветный газ со сладковатым вкусом, большие количества которого приводят к притуплению болевой чувствительности и потере сознания, благодаря чему в смеси с кислородом (80% N2О+20% О2) он иногда применяется для наркоза.
Профессор доктор биологических наук А.Ф. Ванин в 1965 году обнаружил в биологических объектах с помощью электронного парамагнитного резонанса радикалы неизвестной природы, показав их гипотензивное действие. В 1985 г. он получил данные, что открытые радикалы имеют отношение к окиси азота [16].
В 1980 году фармаколог из Университета штата Нью-Йорк Р. Фарчготт в эксперименте показал, что ацетилхолин расширяет кровеносные сосуды в тех случаях, когда стенка сосудов не повреждена. Р. Фарчготт пришел к выводу, что неповрежденные эндотелиальные клетки продуцируют сигнал, расслабляющий гладкую мускулатуру сосудов. Этот сигнал молекулы был назван EDRF (эндотелиум-получательно-распределяющий фактор).
Независимо от Р. Фарчготта в поисках неизвестной сигнальной молекулы принимал участие доктор Л. Игнарро из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. В 1986 году Л. Игнарро заключил, что EDRF идентичен окиси азота.
В 1977 году врач-фармаколог Ф. Мюрад из Медицинской школы Техасского университета в Хьюстоне установил, что нитроглицерин и другие родственные сосудорасширяющие вещества освобождают окись азота, которая расширяет гладкую мускулатуру клеток.
В июле 1986 года Р. Фарчготт и Л. Игнарро получили аналогичные данные. Это вызвало лавину исследований в различных лабораториях во всем мире. 10 декабря 1998 г. в Стокгольме (Швеция) трем ученым из США: Р. Ферчготту, Л. Игнарро и Ф. Мюраду, была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе [12].
Синтез монооксида азота в организме
2L-аргинин + 3НАДФН + 4O2 + 3H+ → 2L-цитруллин + 2NO + 3НАДФ+ + 4H2O
В зависимости от структуры и локализации различают следующие изоформы NO-синтаз (NOS): эндотелиальные (eNOS), нейрональные (nNOS) и макрофагальные (mNOS). Активность nNOS имеет максимальное значение около 300 нмоль/мг/мин, mNOS – до 1000 нмоль/мг/мин, eNOS – около 15 нмоль/мг/мин. Молекула nNOS (161 kDa) состоит из 1434 аминокислотных остатков, mNOS (131 kDa) – 1153, eNOS (133 kDa) –1203. nNOS и mNOS содержатся, главным образом, в цитоплазме клетки, eNOS связана с клеточными мембранами [9; 22; 23]. В активный центр NOS входит железопорфириновый комплекс, содержащий цистеин или метионин. В синтез монооксида азота посредством NO-синтаз включаются шесть кофакторов: никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ-Н), флавинадениндинуклеотид (ФАД), флавинмононуклеотид (ФМН), тетрагидробиоптерин, гем и кальмодулин.
Изоформы NOS отличаются по механизму действия и биологическому значению для организма. Поэтому их подразделяют на конститутивную (cNOS) и индуцибельную (iNOS). Нейрональная NOS является только конститутивной, mNOS –индуцибельной формой, eNOS в 80% является конститутивной и в 20% – индуцибельной ферментативной формой (табл. 1).
Активность cNOS зависит от концентрации Са2+ и кальмодулина. Механизм действия eNOS и nNOS имеет сходный характер. Под влиянием вазодилятаторных агентов (ацетилхолина, аденозина, 5-оксиптриптамина, глутамата, брадикинина, гистамина и других) в цитозоле эндотелиальных клеток возрастает уровень Са2+, который соединяется с кальмодулином. Комплекс Ca-кальмодулин выступает как кофактор, активирующий NOS. Под влиянием ингредиентной NOS образуются малые количества NO, который осуществляет местную регуляцию. Он диффундирует к прилегающим гладким мышцам, вызывая последовательную активацию гуанилатциклазы, протеинкиназы G, протеинфосфатазы. В результате дефосфорилируется одна из субъединиц К+ мембранного канала, приводя к усилению калиевой проводимости через плазматическую мембрану миоцитов. Вследствие конформационных изменений, вызванных гиперполяризацией мембраны, снижается проницаемость кальциевых каналов и падает уровень свободного Са2 + в клетках. Это вызывает расслабление миофибрилл и является причиной снижения тонуса кровеносных сосудов [ 13; 22; 24; 26; 32].
Сравнительная характеристика NOS [1]
Нейроны, эпителиоциты, эндотелиоциты, миоциты скелетных мышц и сосудов, нейтрофилы, тромбоциты, f3-клетки поджелудочной железы
Макрофаги, нейтрофилы, эпителиоциты, кардиомиоциты, глиальные клетки, миоциты сосудов, эндотелиоциты, нейроны
Эндотелиоциты, кардиомиоциты, тромбоциты, нейроны
Основные регуляторные механизмы
Цитоплазма, эндоплазматический ретикулум, сарколемма
Фагосомы, пероксисомы, мембрана, ядро клетки, митохондрии
Аппарат Гольджи, мембрана клетки в области маленьких инвагинаций, которые содержат трансмембранный кавеолин, ядро клетки, митохондрии
Активация сNOS наблюдается при гипоксических состояниях организма, при вазоконстрикции сосудов, под влиянием фактора активации тромбоцитов (ФАТ) через ФАТ-рецепторы на клетках эндотелия [2; 6; 12]. Монооксид азота, продуцируемый под влиянием nNOS и eNOS, при некоторых формах патологии, наряду с регуляторным, оказывает и протективное действие [10; 11; 21].
iNOS появляется в клетках (макрофагах, нейтрофилах, кератиноцитах, фибробластах, хондроцитах, остеокластах) только после индукции их бактериальными эндотоксинами и некоторыми медиаторами воспаления (гамма-интерфероном, ИЛ-1, ИЛ-2, фактором некроза опухоли), активными формами кислорода, а также гормонами, которые воздействуют на синтез циклического аденозинмонофосфата (адреналин, глюкагон). iNOS участвует в реакциях неспецифического иммунитета [12; 15; 18; 20-23; 26].
Физиологическая роль и механизмы действия NO
Все многообразие физиологических эффектов NO можно разделить на 3 типа:
• повреждающее действие [17; 19].
Центральная и периферическая нервная система. Наиболее хорошо изучена роль NO в нервной системе, где окись азота активирует процесс выброса нейромедиаторов из нервных окончаний во время синаптической передачи. Более того, молекула NO сама может играть роль нейромедиатора [4; 12; 20; 21; 22; 26].
nNOS регулирует рост и дифференцировку клеток ЦНС и, предположительно, их восстановление после локальных ишемических повреждений головного мозга [11; 12; 17]. В ишемизированном участке мозга глутаматергические нейроны вместо физиологической порции нейротрансмиттера выделяют поток глутамата, который обрушивается на NO-синтезирующие нейроны, – происходит так называемый глутаматный каскад. В результате повышается поступление Ca2+ в клетку и, как следствие, возрастает синтез и выделение из нейрона NO [23]. Ингибиторы синтеза оксида азота (нитроаргинин, гемоглобин) защищают нейроны, снижая их гибель на 73% [4; 7; 26].
NO участвует в процессах долговременной синаптической потенциации, связанной с образованием памяти. Таким образом, в мыслительной деятельности окись азота является и непосредственным участником, и косвенным регулятором [11; 15; 23].
Сердечно-сосудистая система. NO поддерживает вазодилатацию, регулирует кровоток и контролирует базальное артериальное давление [7; 12; 16]. Окисленные липопротеины низкой плотности (ЛПНП) подавляют синтез оксида азота в тромбоцитах, стимулируют их агрегацию, образование тромбоксана А2 и серотонина, способствуя дисфункции эндотелия и нарушению структуры сосудов, ведущих к развитию атеросклероза [11; 12].
В случае инфаркта миокарда оксид азота стимулирует ангиогенез [12]. NO способствует синтезу эндотелиального фактора роста, тормозит пролиферацию и миграцию гладкомышечных клеток [11], гипертрофию сосудов [1], подавляет синтез внеклеточного матрикса, поддерживая всем этим нормальную структуру сосудистой стенки.
В различных отделах почки представлены все три изоформы NOS. Оксид азота активно участвует в её физиологических процессах: регулирует почечную гемодинамику, гломерулярную фильтрацию, ингибирует транспорт Na+ и увеличивает его экскрецию.
NO играет важную роль в регуляции функций легких и в патофизиологии заболеваний системы дыхания. Активные радикалы азота увеличивают продукцию муцина и эпителиальной слизи, ускоряют движения ресничек реснитчатого эпителия, индуцируют активность апикальных анионных и базолатеральных калиевых каналов эпителиоцитов, способствуя механической элиминации инфекционных агентов.
При цилиарной дискинезии, муковисцидозе, дефиците α1-антитрипсина, легочной артериальной гипертензии наблюдается снижение содержания NO в выдыхаемом воздухе [1].
Иммунонейроэндокринная система. Установлена важная роль оксида азота в регуляции иммунонейроэндокринной системы [8; 9; 15]. Запуск стресс-реакции происходит за счет активации гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой и симпатоадреналовой систем [27]. Торможение активности nNOS способствует увеличению концентрации вазопрессина и окситоцина [29]. NO ингибирует активацию гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, вызываемую вазопрессином, обладая стресслимитирующим действием [9; 13; 15; 29].
Аксоны NO-ергических нейронов надпочечников контактируют с хромаффинными клетками, продуцирующими катехоламины. Выделение оксида азота происходит одновременно с норадреналином. В небольших концентрациях NO угнетает высвобождение катехоламинов из надпочечников и симпатических нервных окончаний, приводя к ограничению стресс-реакции [28].
Оксид азота выполняет функцию медиатора воспаления. Каждая фаза асептического воспаления ассоциирована с определенными изоформами NOS. На ранней фазе воспалительной реакции под действием медиаторов (гистамина, брадикинина, простагландинов и лейкотриенов) [30] происходит стимуляция продукции оксида азота с помощью nNOS. Параллельно усиливается активность еNOS. В клетках сосудистого эндотелия NO активирует растворимую гуанилатциклазу, что приводит к усиленному образованию цГМФ, который вызывает релаксацию гладкомышечных клеток сосудов, увеличивая сосудистую проницаемость [17]. сNOS и iNOS имеют отношение к продукции оксида азота в ранней фазе воспаления.
В развитие поздней фазы воспаления вносит вклад только оксид азота, продуцируемый с помощью iNOS, локализованной в лейкоцитах. На этой стадии воспалительного процесса NO стимулирует синтез и высвобождение провоспалительных цитокинов – ИЛ-1, ИЛ-2, ИЛ-3, ИЛ-6, лейкотриенов, хемокинов, которые, в свою очередь, стимулируют миграцию лейкоцитов в очаг воспаления. NOS контролирует биосинтез ИЛ-4, ИЛ-10, ИЛ-11 и ИЛ-13, которые относятся к противовоспалительным цитокинам [17; 30].
Действие высоких и низких концентраций оксида азота
Действие оксида азота опосредовано его концентрацией (рисунок). Малые физиологические концентрации NO (
Что такое оксид азота в организме человека
Увеличение продолжительности жизни и рост когорты людей старшего возраста в общей популяции населения мира признается важнейшей демографической особенностью ХХI века. Одним из наиболее частых заболеваний, способствующих прогрессированию старения, считается гипертоническая болезнь (ГБ). Ее распространенность в России достигает катастрофических цифр – свыше 40 %.
Одним из наиболее частых заболеваний, способствующих прогрессированию старения, считается гипертоническая болезнь (ГБ). Ее распространенность в России достигает катастрофических цифр – свыше 40 % [2]. Гипертоническая болезнь индуцирует повреждения многих систем и органов, инициальным патогенетическим механизмом которых считается эндотелиальная дисфункция (ЭД) [1, 5], вызываемая хроническим повреждающим воздействием на артерии артериальной гипертензией и высоким напряжением сдвига.
Формирующийся в результате ЭД дефицит оксида азота (NO) – универсального регулятора физиологических систем и метаболических процессов [3, 4, 5], функционирующего во всех тканях и органах, оказывающего как локальные, так и системные эффекты, в том числе на тонус сосудов и тромбоцитарно-сосудистый гемостаз, способствует развитию и прогрессированию ГБ, индуцирует ее осложнения. Результаты определения концентрации NO в крови больных с АГ, представленные в научной литературе, неоднозначны и противоречивы. По одним данным при ГБ развивается чрезмерная его продукция [8]. В ряде других работ описано как снижение синтеза NO при гипертонической болезни [6], так и уменьшение его активности [4, 7, 8]. Но нарушение продукции NO при ГБ не сводится только к его дефициту. Увеличение продукции NO, которое имеет очень большое адаптивное значение, может превратиться из звена адаптации в звено патогенеза и стать не менее опасным повреждающим фактором для организма, чем дефицит NO.
Снижение уровня оксида азота (NO) способствует развитию и прогрессированию гипертонической болезни (ГБ). Но если роль NO в патогенезе артериальной гипертонии изучена достаточно широко, то его вкладу в развитие ассоциированных состояний и осложнений при АГ уделяется недостаточное внимание.
Цель работы: оценка влияния модуляции уровня оксида азота на развитие сердечно-сосудистых осложнений у больных ГБ пожилого возраста.
Материалы и методы исследования
Проведен ретроспективный анализ амбулаторных карт 48 пациентов с артериальной гипертонией II стадии, II степени пожилого возраста (средний календарный возраст – 68,34±4,42 лет) за период с 2005 по 2016 года. У больных ГБ II стадии имелись поражения органов-мишеней в виде гипертрофии миокарда левого желудочка, подтвержденной перкуторно, электрокардиографически, эхокардиографически.
Диагноз ГБ и степень АГ устанавливались на основании критериев их диагностики, принятых ВОЗ совместно с Международным обществом гипертонии (NHO-ISN) с учетом рекомендаций экспертов научного общества по изучению артериальной гипертензии Всероссийского научного общества кардиологов и Межведомственного совета по сердечно-сосудистым заболеваниям (2013) [2].
В группу сравнения были включены 33 практически здоровых пожилых человека (средний календарный возраст – 66,28±5,49 лет).
В группах исследования преобладали женщины.
Критериями исключения служили симптоматические АГ, клинически выраженный атеросклероз любой локализации, хроническая сердечная недостаточность III-IV функциональных классов в соответствии с классификацией Нью-Йоркской кардиологической ассоциации (NYHA), нарушения ритма сердца, гемодинамически значимые пороки сердца, острое нарушение мозгового кровообращения и инфаркт миокарда в анамнезе, а также исключались лица с ожирением и нарушениями липидного обмена, сахарным диабетом, сопутствующей патологией почек, печени, заболеваниями щитовидной железы, системными заболеваниями соединительной ткани, анемией, злокачественными новообразованиями, патологией органов дыхания и желудочно-кишечного тракта в стадии обострения.
Статистический анализ результатов исследования проведен с помощью пакета компьютерных программ Microsoft Excel 2007. Для установления значимости различий в группах обследованных использовался критерий Стьюдента при известном числе наблюдений (t). Результаты считались статистически достоверными при p 9 /л, что отражало физиологическую убыль клеток. У больных ГБ эндотелиоцитемия существенно превышала аналогичные показатели практически здоровых лиц – 1,73±0,05×10 9 /л (p
Эндотелий и оксид азота
Дина Гайнуллина, Светлана Софронова, Ольга Тарасова
«Природа» №9, 2014
Об авторах
Дина Камилевна Гайнуллина — кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры физиологии человека и животных биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, специалист в области физиологии кровообращения. Область научных интересов — особенности регуляции сосудистой системы в раннем постнатальном онтогенезе.
Светлана Ивановна Софронова — аспирант той же кафедры, занимается проблемами гормональной регуляции синтеза эндотелиального оксида азота.
Ольга Сергеевна Тарасова — доктор биологических наук, профессор той же кафедры и ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии мышечной деятельности ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН», специалист в области кровообращения и автономной нервной системы. Область научных интересов — взаимодействие системных и локальных механизмов регуляции сердечно-сосудистой системы.
Тонус кровеносных сосудов и уровень артериального давления в организме регулируются слаженной работой многих систем и механизмов, среди которых важную роль играет эндотелий сосудов. Секреция оксида азота (NO) — одна из ключевых функций эндотелиальных клеток, а их дисфункцию при различных заболеваниях врачи часто связывают с уменьшением продукции NO. Каковы же современные представления о работе этой системы? Попытаемся ответить на этот вопрос в нашей статье.
История вопроса
Слой клеток, выстилающий все кровеносные и лимфатические сосуды, а также сердечные полости, впервые описал в 1847 г. Т. Шванн как «отчетливо различимую мембрану», которую спустя 18 лет В. Гис назвал эндотелием. В сравнительно крупных сосудах (артериях и венах) этот слой служит барьером между кровью и гладкомышечными клетками, а стенки мельчайших сосудов, капилляров, целиком построены из эндотелиальных клеток. Их общее количество очень велико: в теле взрослого человека суммарная масса превышает 1 кг!
В 50–60-х годах XX в. ученые, вооружившись электронным микроскопом, в деталях описали строение эндотелия, однако его роль в регуляции функций сердечно-сосудистой системы оставалась неясной. Вплоть до 1980 г. эндотелий считался лишь селективно проницаемым барьером между кровью и сосудистой стенкой, хотя уже в то время было известно, что он способен выделять вещества, препятствующие свертыванию крови.
Начало современным представлениям о функциях эндотелия было положено в 1980 г., когда Р. Фарчготт и Дж. Завадски обратили внимание на его роль в регуляции тонуса сосудов [1]. В элегантных экспериментах исследователи доказали, что такое вещество, как ацетилхолин, вызывает расслабление препаратов аорты, изолированных из организма кролика, только при наличии эндотелия. Это наблюдение оказалось столь важным, что впоследствии Фарчготт стал одним из лауреатов Нобелевской премии (1998). В наше время зависимая от эндотелия реакция сосудов в ответ на ацетилхолин и другие вещества описана в огромном количестве научных работ, выполненных на самых различных артериальных сосудах — не только крупных, но и мелких, регулирующих кровоснабжение органов (рис. 1).
Рис. 1. Кривые, иллюстрирующие эксперименты на двух сегментах мелкой артерии, приносящей кровь к коже задней конечности мыши. Как и в опытах Фарчготта и Завадски [1], препараты предварительно сокращали норадреналином, а затем добавляли ацетилхолин. Видно, что норадреналин вызывает сокращение сосудов вне зависимости от наличия эндотелия. Однако добавление ацетилхолина приводит к расслаблению сегмента только с интактным эндотелием, на сегмент же с поврежденным эндотелием оно влияния не оказывает
К 1986 г. выяснилось, что расслабление гладкой мышцы сосудов вызывает именно оксид азота (NO), который выделяется из эндотелия под действием ацетилхолина. Как же за такое короткое время (всего шесть лет) удалось вычленить NO из длинного ряда других претендентов на роль посредника между эндотелием и гладкой мышцей сосудов? Дело в том, что еще за 10 лет до знаменитой работы Фарчготта и Завадски было изучено сосудорасширяющее действие NO. Ведь к тому времени уже 100 лет нитроглицерином (он служит источником молекул NO) лечили стенокардию, возникающую из-за спазмов сосудов сердца. Идентичность эндотелиального расслабляющего фактора и NO установили и по таким показателям, как чрезвычайная нестабильность (особенно в присутствии активных форм кислорода), инактивация при взаимодействии с гемоглобином и родственными белками, а также способность вызывать сходные биохимические изменения в гладкомышечных клетках сосудов.
Кроме оксида азота в клетках эндотелия синтезируются и другие вещества, влияющие на тонус сосудов, кровоснабжение тканей и артериальное давление [3]. Так, помощниками NO в расслаблении сосудов могут быть простациклин (простагландин I2) и эндотелиальный гиперполяризующий фактор. Доля их участия зависит от пола и вида животного, типа сосудистого русла и размеров сосуда. Например, действие NO сильнее проявляется в сравнительно крупных сосудах, а гиперполяризующего фактора — в более мелких.
В эндотелии образуются не только сосудорасширяющие вещества, но и сосудосуживающие: некоторые простагландины, тромбоксан, пептиды эндотелин-1 и ангиотензин II, супероксиданион. В здоровом организме секреторная активность эндотелия направлена на продукцию сосудорасширяющих факторов. Но при различных заболеваниях (системной или легочной гипертензии, ишемии миокарда, сахарном диабете и т. д.) или в здоровом организме при старении секреторный фенотип эндотелия может меняться в сторону сосудосуживающих влияний [3].
Несмотря на многообразие регуляторных механизмов, зависимых от эндотелия, его нормальную функцию чаще всего связывают со способностью секретировать NO. Когда при заболеваниях эндотелий изменяет свои свойства, врачи называют такое состояние дисфункцией эндотелия, подразумевая при этом уменьшение продукции NO. В связи с такой важностью NO мы рассмотрим современные представления о его регуляторной роли, сначала в норме, а затем при некоторых формах сосудистой патологии.
Синтез и регуляция NO в эндотелии
В природе синтез оксида азота может протекать по различным путям. Так, в тропосфере он образуется из O2 и N2 под действием грозовых разрядов, в растениях — благодаря фотохимической реакции между NO2 и каротиноидами, а в организме животных — при взаимодействии нитритов и нитратов с белками, содержащими атомы металлов (например, с гемоглобином). Все перечисленные реакции идут без участия биологических катализаторов — белков-ферментов, поэтому контролировать скорость сравнительно трудно. Однако в организме животных основное количество NO как регулятора физиологических процессов образуется под действием специальных ферментов NO-синтаз (NOS), а источником атома азота служит аминокислота L-аргинин [4, 5].
Существует несколько разновидностей (изоформ) NO-синтаз, которые кодируются разными генами. В 1990 г. из мозга крысы выделили нейрональную форму фермента (nNOS). Чуть позже в клетках иммунной системы (макрофагах) обнаружили индуцибельную NOS (iNOS), а в эндотелии — эндотелиальную NOS (eNOS). Еще одна изоформа NOS локализуется в митохондриях, она регулирует процессы клеточного дыхания. Поскольку в синтезе NO участвует большое число кофакторов, все изоформы фермента имеют для них специфические участки связывания. Каждая молекула NOS состоит из двух одинаковых половинок. Для их объединения в димер необходим кофактор тетрагидробиоптерин. При его недостатке eNOS переключается на продукцию активных форм кислорода (супероксид-аниона и Н2О2), что может приводить к повреждению эндотелия и других клеток сосудистой стенки.
Две изоформы фермента — eNOS и nNOS — называют конститутивными, потому что они всегда присутствуют в клетках и синтезируют NO в относительно небольших (по сравнению с iNOS) количествах, причем активность этих изоформ регулируется физиологическими стимулами. В отличие от них, iNOS постоянно синтезируется лишь в некоторых клетках, например в макрофагах, а в эндотелиальных, нервных и многих других появляется лишь в ответ на внешние, в основном воспалительные, стимулы (например, элементы клеточных стенок бактерий — бактериальные липополисахариды). Активная iNOS продуцирует NO в 1000 раз быстрее, чем eNOS и nNOS. Макрофаги используют такие большие количества NO для умерщвления возбудителей перед тем, как их уничтожить.
Таким образом, основная NO-синтаза в сосудистой стенке — eNOS, и содержится она преимущественно в эндотелии. Транскрипцию гена eNOS в гладкомышечных клетках предотвращают специальные механизмы, например метилирование «стартового» участка. Синтаза связывается с наружной мембраной эндотелиальной клетки в особых впячиваниях, кавеолах, где сосредоточено большое количество регуляторных молекул (различных ионных каналов и рецепторов). Такая «фиксация» фермента обеспечивает его функциональную связь с рецепторами и каналами, что облегчает регуляцию активности eNOS. В кавеолах локализуется белок кавеолин, который тормозит активность фермента в отсутствие побуждающих стимулов.
Фосфорилирование по сайту Thr495 уменьшает активность фермента. Такое негативное влияние может усиливаться при некоторых патологических состояниях — окислительном стрессе, сахарном диабете и др. Напротив, при некоторых нормальных физиологических воздействиях фосфат удаляется (т. е. происходит дефосфорилирование Thr495), благодаря чему повышается сродство eNOS к Са 2+ и, следовательно, увеличивается ее активность. Таким образом, интенсивность работы eNOS в эндотелиальных клетках может динамично регулироваться уровнем Са 2+ и фосфорилированием / дефосфорилированием под действием разных протеинкиназ. Это в конечном счете обеспечивает тонкую регуляцию синтеза оксида азота и, соответственно, его физиологических эффектов на сердечно-сосудистую систему.
Механизмы расслабления гладкомышечных клеток
Каким же образом NO, секретируемый эндотелиальными клетками, вызывает расширение сосудов? Сокращение всех типов мышечных клеток обеспечивается взаимодействием двух белков — актина и миозина, причем моторная активность последнего в гладкомышечных клетках проявляется только после его фосфорилирования. Это подразумевает наличие большого числа регуляторных механизмов, влияющих на сократительную активность гладкомышечной клетки, к числу которых относится и оксид азота [7].
Протеинкиназа G активирует некоторые типы калиевых каналов, что вызывает гиперполяризацию (сдвиг мембранного потенциала в сторону более отрицательных значений) гладкомышечных клеток, закрывает управляемые потенциалом кальциевые каналы наружной мембраны и тем уменьшает вход Ca 2+ в клетку. Кроме того, этот фермент в активном состоянии подавляет выброс Са 2+ из внутриклеточных депо, а также способствует его удалению из цитоплазмы. Это тоже уменьшает концентрацию Са 2+ и расслабляет гладкие мышцы.
Физиологическая регуляция продукции NO
Рис. 3. Схема влияния фосфорилирования молекул eNOS на активность этого фермента. Под действием нормальных стимулов (напряжения сдвига, многих гормонов, физиологической гипоксии и др.) такие протеинкиназы, как Akt, АМФ-активируемая (АМПК) и протеинкиназа А (ПКА), осуществляют фосфорилирование по серину-1177 (Ser117; левая часть схемы). В результате эндотелиальная NO-синтаза активируется, что приводит к синтезу NO. С другой стороны, гипергликемиия, активные формы кислорода, окисленные липопротеиды или медиаторы воспаления действуют на протеинкиназу С (ПКС), которая фосфорилирует треонин-495 (Thr495). При этом активность eNOS уменьшается, а следовательно, сокращается и продукция оксида азота. Таким образом, интенсивность работы eNOS в эндотелиальных клетках может регулироваться разными протеинкиназами
Важную роль в чувствительности эндотелия к напряжению сдвига играет гликокаликс. Это покрывающий клетки слой полимерных молекул углеводной природы, толщина которого может составлять несколько микрометров и даже превышать толщину самого эндотелия [8]. Поскольку «кустики» гликопротеидов растут внутрь просвета сосуда, именно они в первую очередь испытывают действие потока крови. Деформируясь, волокна гликокаликса передают сигнал мембранным белкам и далее — eNOS. Хотя этот механизм пока изучен мало, о его важности говорит тот факт, что нарушение реакции сосудов на напряжение сдвига при различных заболеваниях (атеросклерозе, сахарном диабете и др.) сопряжено с «облысением» эндотелия, т. е. с уменьшением толщины и изменением структуры гликокаликса.
Повышение скорости кровотока ведет к активации эндотелиальной NO-синтазы и к расширению сосудов, а подобные длительные или многократные воздействия увеличивают содержание этого фермента в эндотелии. На этом основано благотворное влияние физических упражнений: известно, что с помощью тренировки можно значительно улучшить работу эндотелия без применения лекарств! Однако следует отметить, что такое полезное влияние оказывают не любые упражнения. Во-первых, нагрузка должна сопровождаться повышением скорости кровотока в работающих мышцах, как это происходит при быстрой ходьбе, беге или езде на велосипеде, а силовые упражнения с гирями такого влияния не оказывают. Во-вторых, нельзя тренироваться через силу: при чрезмерных нагрузках резко повышается секреция основного гормона стресса, кортизола, который снижает активность eNOS.
Дополнительную активацию эндотелиальной NO-синтазы при физической нагрузке обеспечивает протеинкиназа, активируемая аденозинмонофосфатом (АМФ), которая содержится почти во всех клетках нашего организма, в том числе и в эндотелиальных. Этот фермент называют «сенсором энергетического статуса клеток», потому что он активируется, когда в цитоплазме клетки повышается отношение АМФ / АТФ, т. е. расход энергии начинает превышать ее образование. В эндотелии артерий, расположенных внутри интенсивно сокращающихся скелетных мышц, это может происходить в результате гипоксии — мышечные клетки потребляют много О2, и его не хватает эндотелию сосудов. Кроме того, недавно было показано, что активация этой протеинкиназы в эндотелиальных клетках возможна при увеличении напряжения сдвига, т. е. при усилении притока крови к работающим мышцам. Активированная протеинкиназа фосфорилирует eNOS по сайту Ser1177, продукция NO увеличивается и сосуды расширяются.
Врачи-кардиологи хорошо знают, что путем регулярных физических тренировок можно улучшить функцию эндотелия не только в скелетных мышцах и сердце, которые при работе интенсивно снабжаются кровью, но и в органах, напрямую не задействованных в тренировке, — в головном мозге, коже и т. д. Это говорит о том, что помимо влияния потока крови на эндотелий имеются и другие механизмы регуляции эндотелиальной NO-синтазы. Среди них ведущая роль принадлежит гормонам, которые продуцируются железами внутренней секреции, транспортируются кровью и распознают клетки-мишени в различных органах по наличию специальных белков-рецепторов [9].
Из гормонов, которые могут влиять на функцию эндотелия при физической нагрузке, отметим гормон роста (соматотропный гормон), который секретируется гипофизом. Как сам по себе, так и через свои посредники, инсулин-подобные факторы роста, гормон роста увеличивает образование эндотелиальной NO-синтазы и ее активность.
Наиболее известный пример гормональной регуляции функций эндотелия — это влияние женских половых гормонов, эстрогенов. Исходно такое представление сформировалось благодаря эпидемиологическим наблюдениям, когда выяснилось, что по какой-то причине женщины детородного возраста по сравнению с мужчинами меньше страдают от сосудистых нарушений, связанных с дисфункцией эндотелия. Более того, у женщин его способность продуцировать NO меняется в течение менструального цикла, причем в первой половине, когда концентрация эстрогенов в крови высокая, расширение сосудов, зависимое от эндотелия, более выражено. Эти наблюдения послужили толчком к проведению многочисленных экспериментов на животных. Так, удаление яичников у самок крыс уменьшало содержание и активность эндотелиальной NO-синтазы в артериях разных органов (головного мозга, сердца, скелетных мышц, почек, кишечника и др.), а введение таким самкам эстрогенов способствовало нормализации нарушенной функции. Влияние эстрогенов на активность eNOS связано с активацией протеинкиназы Akt, а повышение синтеза eNOS — с их воздействием на геном эндотелиальных клеток.
Интересно, что нарушение реакций артерий мозга обнаружили и в экспериментах с удалением половых желез у самцов, хотя семенники секретируют не эстрогены, а андрогены, мужские половые гормоны. Этот парадокс стал понятным, когда в эндотелии артерий мозга обнаружили ароматазу — фермент, превращающий андрогены в эстрогены. Таким образом, защитное влияние эстрогенов на эндотелий сосудов может иметь место и у особей мужского пола. Однако в данном случае следует говорить о локальной регуляции, которая обеспечивается эстрогенами, образующимися непосредственно в сосудистой стенке.
Известно, что гормоны щитовидной железы играют ключевую роль в дифференцировке тканей в развивающемся организме. Но их влияние не сводится лишь к ускорению или замедлению протекающих процессов, а зачастую имеет программирующий характер. Это означает, что при недостатке гормонов щитовидной железы в определенном критическом возрасте клетки не смогут превратиться в полноценно функционирующие, даже если вводить гормоны на последующих этапах жизни (у человека гормональная терапия эффективна лишь в течение первых месяцев после рождения). Механизмы программирующего влияния гормонов щитовидной железы подробно изучены лишь для нервной системы, а для остальных систем — значительно хуже. Вместе с тем хорошо известно, что гипотиреоз у матери во время беременности служит, помимо прочего, фактором риска развития у ребенка сердечно-сосудистых заболеваний. Интересно, что в артериях детенышей крыс в первые недели после рождения выявляются повышенные уровни рецепторов тиреоидных гормонов, а также фермента дейодиназы, который превращает тироксин (тетрайодтиронин) в более активный трийодтиронин. На основании этих наблюдений заманчиво предположить, что гормоны щитовидной железы могут оказывать программирующее влияние и на эндотелий сосудов. Насколько это верно, покажут будущие исследования.
Механизмы нарушения секреции NO эндотелием
К сожалению, возможности эндотелия наших сосудов обеспечивать продукцию NO не безграничны. Активность регуляторных систем организма высока в молодом и зрелом возрасте, но снижается при старении под влиянием целого ряда факторов. Во-первых, лишь немногие пожилые люди могут примерить к себе высказывание древнегреческого философа Аристотеля: «Жизнь требует движения». Во-вторых, с возрастом угасает деятельность многих гормональных систем: снижается секреция гормона роста и половых гормонов, «засыпает» щитовидная железа. В-третьих, происходят изменения в метаболизме всех клеток. В частности, энергетические станции клетки, митохондрии, начинают в большом количестве продуцировать активные формы кислорода, которые инактивируют NO, а также подавляют активность и снижают содержание эндотелиальной NO-синтазы. Видимо, возрастные изменения эндотелия нельзя предотвратить, но их можно замедлить, увеличивая подвижность, ограничив потребление высококалорийной пищи (это также повышает активность протеинкиназы, активируемой АМФ), используя заместительную гормональную терапию (например, у женщин после наступления менопаузы) или антиоксиданты, разработка которых была и остается приоритетным направлением геронтологии [10].
Почему же синтез NO в эндотелии сосудов нарушается при различных патологиях? Здесь возможны два типа изменений: быстрые (снижение активности NO-синтазы в эндотелии), и долговременные — уменьшение ее содержания в клетках. Мы не будем рассматривать различные заболевания в отдельности, а перечислим общие для них механизмы зловредного влияния на работу eNOS. Снижение активности этого фермента при заболеваниях, как правило, связано с повышением его фосфорилирования по сайту Thr495, обусловленным увеличением активности протеинкиназы С. Ее мощный активатор — диацилглицерол. В норме он — вторичный посредник в передаче сигнала от многих мембранных рецепторов [6], но его чрезмерное накопление в эндотелиальных клетках ведет к патологии.
Ярким примером подобных изменений может быть такое заболевание, как сахарный диабет, при котором нарушение синтеза или же действия инсулина на клетки приводит к повышенной концентрации глюкозы в крови [11]. Поскольку транспорт глюкозы в эндотелий не регулируется инсулином (в отличие от клеток скелетных мышц, сердца, жировой ткани и некоторых других), сахар там накапливается и становится субстратом для синтеза диацилглицерола, который и активирует протеинкиназу С.
Маркером многих сердечно-сосудистых патологий служит уже упоминавшийся окислительный стресс. Повышенное образование активных форм кислорода характерно и для сахарного диабета, и для атеросклероза, и для многих форм артериальной гипертензии. При этих состояниях часто наблюдается высокая активность ренин-ангиотензиновой системы, а ангиотензин II — мощный провокатор окислительного стресса, который, с одной стороны, снижает активность eNOS (например, окисленные липопротеиды низкой плотности могут активировать протеинкиназу С), а с другой, уменьшает экспрессию гена eNOS, что также сокращает продукцию NO. Применение антиоксидантов или веществ, препятствующих образованию или действию ангиотензина II (ингибиторов ангиотензин-превращающего фермента или блокаторов ангиотензина II), почти всегда усиливает образование NO. Надо сказать, что уменьшение продукции оксида азота при заболеваниях может быть связано не только с прямым влиянием на eNOS. Так, действие глюкокортикоидов на эндотелий снижает содержание не только самого фермента, но и его кофактора, тетрагидробиоптерина.
Нарушение работы эндотелиальной NO-синтазы может быть связано с недостатком ее основного субстрата — L-аргинина. Как правило, эта аминокислота поступает в организм с пищей в достаточном количестве и, кроме того, может непосредственно синтезироваться во взрослом организме. Однако аргинин помимо NO-синтаз служит субстратом для многих других ферментов, в частности аргиназы, которая располагается в различных типах клеток, в том числе и в эндотелии сосудов. При сахарном диабете, окислительном стрессе, а также при воспалительных процессах под действием секретируемых клетками иммунной системы цитокинов (фактора некроза опухоли и др.) содержание аргиназы в эндотелии повышается.
Наконец, в организме людей и других животных могут появляться ингибиторы эндотелиальной NO-синтазы, например диметиларгинин. Этот «ложный субстрат» эндотелиальной NO-синтазы конкурирует с истинным субстратом, L-аргинином, за активный центр фермента. В норме диметиларгинин образуется в организме лишь в небольших количествах (у взрослого человека
60 мг/сут), однако при самых различных патологиях кровообращения (артериальной гипертензии, атеросклерозе, коронарной недостаточности и т. д.) его продукция существенно растет, а активность эндотелиальной NO-синтазы, соответственно, снижается.
Итак, оксид азота — это важный регуляторный фактор, посредством которого эндотелий оказывает расслабляющее действие на соседствующие с ним гладкомышечные клетки, вызывая расширение сосудов и сглаживая нежелательные повышения артериального давления на системном уровне. Пока эндотелий сохраняет способность секретировать NO в достаточном для решения этих задач количестве, о состоянии сосудистой системы можно не беспокоиться.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект НК 14-04-31377 мол-а.
Литература
1. Furchgott R. F., Zawadzki J. V. The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine // Nature. 1980. V. 288. P. 373–376.
2. Мелькумянц А. М., Балашов С. А. Механочувствительность артериального эндотелия. Тверь, 2005.
3. Медведева Н. А., Гаврилова С. А., Графов М. А. и др. Секреторная функция эндотелия как фактор регуляции сосудистого тонуса в норме и при патологии сердечно-сосудистой системы // Росс. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2001. Т. 87. № 11. С. 1518–1526.
4. Ванин А. Ф. Оксид азота — регулятор клеточного метаболизма // Соросовский образовательный журн. 2001. № 11. С. 7–12.
5. Bruckdorfer R. The basics about nitric oxide // Mol. Aspects Med. 2005. V. 26. № 1–2. P. 3–31.
6. Балезина О. П. Многоликий кальций // Природа. 2012. № 9. С. 14–21.
7. Гайнуллина Д. К., Кирюхина О. О., Тарасова О. С. Оксид азота в эндотелии сосудов: ругуляция продукции и механизмы действия // Успехи физиол. наук. 2013. Т. 44. № 4. С. 88–102.
8. Мелькумянц А. М. О роли эндотелиального гликокаликса в механогенной регуляции сопротивления артериальных сосудов // Успехи физиол. наук. 2012. Т. 43. № 4. С. 45–58.
9. Duckles S. P., Miller V. M. Hormonal modulation of endothelial NO production // Pflugers Arch. 2010. V. 459. P. 841–851.
10. Скулачев В. П. Попытка биохимиков атаковать проблему старения: «Мегапроект» по проникающим ионам. Первые итоги и перспективы // Биохимия. 2007. Т. 72. № 12. С. 1572–1586.
11. Болеева Г. С., Мочалов С. В., Тарасова О. С. Функциональные изменения артериальных сосудов при экспериментальном сахарном диабете 1 типа // Успехи физиол. наук. 2014. Т. 45. № 2. С. 20–36.
* Кальцитонин-ген-родственный пептид (Calcitonin Gene Related Peptide) образуется из того же гена, что и кальцитонин, при альтернативном мРНК-сплайсинге в мозге и периферической нервной системе.
** Номера остатков приведены в соответствии с расположением в молекуле eNOS человека.