Открытие биологической активности оксида азота

ОКСИД АЗОТА - РЕГУЛЯТОР КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА

А. Ф. ВАНИН

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова

Российской академии наук, Москва

NITRIC OXIDE AS REGULATOR OF INTRACELLULAR METABOLISM

A. F. VANIN

The history of the discovery of nitric oxide

regulatory functions in biological systems is presented; the biochemical mechanisms of NO formation in a cell are described, and a brief overview of various physiological manifesta­tions of the nitric oxide action is given.

Рассказано об истории открытия регуляторных функций оксида азота в биологиче­ских системах, рассмотрены биохимические механизмы образования N0 в клетке и дан краткий обзор разнообразных физиологи­ческих проявлений действия оксида азота.

ОТКРЫТИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ОКСИДА АЗОТА.

К середине 80-х годов XX века усилиями многочислен­ных исследователей в биологии сложилась достаточно стройная картина системы регуляции клеточного и тканевого метаболизма. Она включает в себя клеточ­ные рецепторы, расположенные на внешней стороне клеточной мембраны, реагирующие на гормоны, цитокины и другие биологически активные агенты. С по­мощью специального внутримембранного белка, вы­полняющего сигнальные функции (белки этого типа относятся к классу так называемых G-белков), сигнал от рецепторов передается на другой белок. Этот белок, расположенный на внутренней стороне клеточной мем­браны, в свою очередь, обеспечивает синтез так назы­ваемых вторичных мессенджеров. Последние и осуще­ствляют регуляцию клеточного метаболизма [1]. Среди вторичных мессенджеров особое внимание исследо­вателей привлекал циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), образующийся из главной энергетической "валюты" биосистем — аденозинтрифосфорной кисло­ты (АТФ) при участии мембраносвязанного белка — аденилатциклазы. Оказалось, что аналог цАМФ — цик­лический гуанозинмонофосфат (цГМФ), возникающий из другого нуклеотида — гуанозинтрифосфорной кисло­ты (ГТФ), также способен влиять на внутриклеточные процессы. Особый интерес вызывало его сосудорасши­ряющее действие, обусловленное высвобождением из гладкой мускулатуры сосудов внутриклеточного каль­ция. Попытки выделить фермент, способный осуще­ствлять превращение ГТФ в цГМФ — гуанилатциклазу (по современной терминологии, гуанилилциклазу), при­вели к неожиданному результату.

Оказалось, что наряду с мембраносвязанной фор­мой этого фермента существует и его водорастворимая форма, достаточно активно продуцирующая цГМФ из ГТФ. Обнаружение этой формы не соответствовало сложившимся к тому времени представлениям о меха­низме синтеза вторичных мессенджеров, предполагав­шего мембраносвязанную природу ферментов, ответ­ственных за образование цГМФ. Предполагалось, что только в этом случае возможна передача регулирующего сигнала на эти ферменты от находящегося в мембране G-белка, который активируется соответствующим ре­цептором. Однако было установлено, что растворимая гуанилилциклаза активируется под влиянием различ­ных водорастворимых соединений без участия соеди­нений, вызывающих активацию клеточных рецепто­ров. Среди них оказались и лекарственные соединения типа органических нитратов и нитропруссида натрия, известные своим сосудорасширяющим (вазодилатирующим) действием. Первое время полагали, что эти ле­карства действуют на гуанилилциклазу как агенты, влияющие на окислительно-восстановительное состо­яние тиоловых групп молекулы гуанилилциклазы. Од­нако сопоставление активации этого фермента, с од­ной стороны, органическими нитратами и особенно нитропруссидом натрия, содержащими соответствен­но нитро- или нитрозогруппы, и, с другой стороны, различными редокс-агентами, окисляющими или вос­станавливающими соответственно тиоловые или дй-сульфидные группы в белках, показало существенно более резко выраженное действие на фермент органи­ческих нитратов и нитропруссида. Этот результат поз­волил группе американских исследователей во главе с Феридом Мьюрэдом в конце 70-х годов предположить, что высокая активность нитро- и нитрозосодержащих сердечно-сосудистых лекарств обусловлена их способ­ностью продуцировать оксид азота (N0), который и является активатором гуанилилциклазы. Было предпо­ложено, что связывание N0 с этой группой приводит к конформационным изменениям гуанилилциклазы, что и вызывает ее активацию. Эксперименты по обработке гуанилилциклазы газообразным оксидом азота полно­стью подтвердили высказанное предположение. Таким образом, впервые было продемонстрировано положи­тельное биологическое действие N0, который раньше рассматривался только как вредный промышленный отход или опасный инициатор синтеза канцерогенных нитрозоаминов в организме животных и человека.

Результаты группы Мьюрэда позволили понять ме­ханизм сердечно-сосудистого действия органических нитратов, и среди них наиболее известного — нитро­глицерина, использовавшегося в медицине уже более сотни лет. Стало ясно, что способность нитроглицери­на купировать сосудистые спазмы обусловлена проду­цированием из него оксида азота. Активация им гаунилилциклазы обеспечивает накопление цГМФ, запуска­ющего цепь биохимических процессов, приводящих к выбросу кальция из гладкомышечных клеток сосудов и тем самым к их расслаблению (вазодилатации).

Интересно, что еще в конце 70-х годов XX века Ф. Мьюрэд предположил, что оксид азота как регуля­тор гуанилилциклазы может продуцироваться в орга­низме животных и человека не только из внешних (экзогенных), но и из эндогенных источников. Иными словами, N0 может продуцироваться как регулятор жизнедеятельности сердечно-сосудистой системы ес­тественным образом, в ходе метаболических процес­сов. Аналогичное предположение высказывалось в то же время и другим исследователем гуанилилциклазы — ныне покойным немецким ученым Эйком Бёме. Это предвидение блестяще подтвердилось в дальнейшем.