Слід нагадати, що назва «азот» походить від грецького слова azoos - неживий, по-латині nitrogenium (утворює селітру). Хімічний знак елемента - N. Азот - хімічний елемент V групи періодичної системи Менделєєва, порядковий номер 7, відносна атомна маса 14,0067; безбарвний газ, який не має запаху і смаку.
Сполуки азоту такі як селітра, азотна кислота, аміак були відомі задовго до отримання азоту в вільному стані . У 1772 р Д. Резерфорд, спалюючи фосфор та інші речовини в скляному дзвоні, показав, що залишається після згоряння газ, названий їм «задушливим повітрям», не підтримує дихання і горіння. У 1787 р А. Лавуазьє встановив, що «життєвий» і «задушливий» гази, що входять до складу повітря, це прості речовини, і запропонував назву «азот». У 1784 р Г. Кавендіш показав, що азот входить до складу селітри; звідси й походить латинська назва азоту (від позднелатинского nitrum - селітра і грецького gennao - народжую, виробляю), запропоноване в 1790 році Ж. Шапталем. До початку XIX ст. були з'ясовані хімічна інертність азоту у вільному стані і виняткова роль його в з'єднаннях з іншими елементами як пов'язаного азоту.
Азот - це один з найпоширеніших елементів на Землі, причому основна його маса (близько 4 · 1015 тонн) зосереджена у вільному стані в атмосфері. Азот - четвертий за поширеністю елемент Сонячної системи (після водню, гелію і кисню).
У повітрі вільний азот (у вигляді молекул N2) становить 78,09% за обсягом (або 75,6% по масі), не рахуючи незначних домішок його у вигляді аміаку і окислів. Природні сполуки азоту - хлористий амоній (NH4CI) і різні нітрати. Азот накопичується в грунтах (0,1%) і в живих організмах (0,3%). Хоча назва «азот» означає «який не підтримує життя», насправді це - необхідний для життєдіяльності елемент. У білку тварин і людини міститься 16-17% азоту. В організмах м'ясоїдних тварин білок утворюється за рахунок споживаних білкових речовин, наявних в організмах травоїдних тварин і в рослинах. Рослини синтезують білок, засвоюючи містяться в грунті азотисті речовини, головним чином неорганічні. Значні кількості азоту надходять в грунт завдяки азотфиксирующим мікроорганізмам, здатним переводити вільний азот повітря в сполуки азоту. У природі здійснюється круговорот азоту, головну роль в якому грають мікроорганізми - нитрофицирующие, денітрифікуючими, азотфіксуючі та ін.
Ступені окислення азоту змінюються від +5 (в N2O5) до -3 (в NH3). В звичайних умовах у вільному стані азот утворює молекулу N2, де атоми азоту пов'язані трьома ковалентними зв'язками. Молекула азоту дуже стійка.
Азот трохи легший за повітря; щільність 1,2506 кг / м3, t пл. - 209,860С, t кип. - 195,80С. У воді азот менш розчинний, ніж кисень: при 00С в 1 м3 H2O розчиняється 23,3 г азоту. Краще, ніж у воді, азот розчинний у деяких вуглеводнях. Тільки з такими активними металами, як літій, кальцій, магній, азот взаємодіє при нагріванні до порівняно невисоких температур. З більшістю інших елементів азот реагує при високій температурі і в присутності каталізаторів. Добре вивчені сполуки азоту з киснем N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5, N2O4 (рис. 1).
з них при безпосередньому взаємодії елементів утворюється окис NO, яка при охолодженні легко окислюється далі до двоокису NO2. У повітрі оксиди азоту утворюються при атмосферних розрядах. Їх можна отримати також дією на суміш азоту з киснем іонізуючих випромінювань. При розчиненні в воді азотистого N2O3 і азотного N2O5 ангідридів відповідно виходять азотистая (НNO2) і азотна (НNO3) кислоти, що утворюють солі - нітрити і нітрати. З воднем азот з'єднується тільки при високій температурі і в присутності каталізаторів, при цьому утворюється аміак NH3.
оксид азоту, NO2
оксид азоту, N2O
оксид азоту, N2O3
азотний ангідрид, N2O5
оксид азоту, N2O4
Мал. 1. З'єднання азоту з киснем
Закис азоту є постійною микропримеси повітря і діє практично як індиферентний газ, а в дуже великих концентраціях в суміші з киснем - як наркотик. Окис азоту NO викликає швидке перетворення гемоглобіну крові в метгемоглобін і діє на центральну нервову систему. Двоокис азоту NO2 (N2O4) дратує переважно легкі, викликає їх набряк [51, 36, 1022].
Терміном «оксид азоту» (або «окис азоту») позначається відновлена форма моноокиси азоту (NO) з періодом напіврозпаду від 2 до 30 с. NO є розчинний у воді і жирах безбарвний газ з унікальними фізіологічними властивостями. У хімічному відношенні NO являє собою маленьку ліпофільную молекулу, що складається з одного атома азоту і одного атома кисню і має неспарених електронів, що перетворює її в високо реактивний радикал, вільно проникає через біологічні мембрани і легко вступає в реакції з іншими сполуками . Маловираженим поляризація молекули NO - одна з причин поганої розчинності NO в воді. В хімічні реакції з водою NO не вступає, і NO не є солеобразующіе оксидом. Кисень легко окисляє NO до солеобразующіе окислів азоту, в яких атоми азоту мають більш високі валентності і більш високі ступені окислення. Гідратація солеобразующіе окислів азоту призводить до утворення азотної (HNO2) і азотної (HNO3) кислот. Супероксіданіон (О2) окисляє NO до пероксінітріта (ONOO-) [121, 130, 167].
Можливість іонізації NO з утворенням катіона нітрозонія (NO +) вказує на властивості NO як відновника. Спектр речовин, щодо яких NO себе проявляє як відновник, невеликий. До них відносяться молекулярний кисень (О2), озон (О3), супероксіданіон (О2), молекулярний фтор (F2). Можливість іонізації NO з утворенням аніону нітроксе (NO) вказує на властивості NO як окислювача. В відношенні біоорганічних сполук NO себе зазвичай проявляє як окислювач.
Окис азоту має дві електронні структури. Неспарених електронів в них може перебувати або на атомі азоту, або кисню. Наявність цих електронів забезпечує магнітний момент у молекули. Окис азоту за рахунок своїх парамагнітних властивостей здатна в магнітному полі утворювати полімерну структуру із загальною електронною оболонкою. Крім того, при утворенні спіральної структури полімерна NO-молекула створює власне магнітне поле, спрямоване вздовж осі спіралі, яке орієнтує окремі молекули NO і дозволяє їм інтегруватися в полімерну ланцюжок. Проходження струму по спіралі призводить до розширення її діаметра. Загальна електронна оболонка в полімерній NO-молекулі призводить до того, що вона стає провідником електричного струму [321, 778, 990, 1010].
Джерела оксиду азоту в біологічних системах
Оксид азоту є універсальним регулятором метаболічних процесів у різних клітинах і тканинах організму людини і тварин.
Певна його кількість утворюється під час екзогенного надходження органічних нитрозосоединений як лікарських засобів (нітропрусид, нітрогліцерин і ін.). Крім того, NO може утворюватися з окисів азоту, що потрапляють в атмосферу з опалювальних систем і в результаті роботи двигунів внутрішнього згоряння, а потім - в організм інгаляційним шляхом [12, 135, 497, 678].
Нітрати і нітрити надходять в організм з екзогенних джерел (їжа, питна вода, оксиди азоту повітря) і в результаті нітрифікації амонійного азоту мікроорганізмами кишечника. Ендогенно ці аніони утворюються при неферментативне або ферментативному окисленні оксиду азоту. Зазначена молекула грає ключову роль в регуляції різноманітних біохімічних і фізіологічних процесів і утворюється в клітинах з L-аргініну за допомогою NО-синтазного реакцій. Фізіологічні функції NO забезпечуються тими невеликими його кількостями, які синтезуються конститутивним формами NO-синтази. NO в великих кількостях, що виробляється індуцібельной NO-синтази, володіє токсичними властивостями, що дозволяє йому здійснювати в організмі як захисні функції (вбивати пухлинні і бактеріальні клітини), так і брати участь в патологічних процесах, індукуючи апоптоз. Згідно з деякими даними, значну частину продуктів NO-синтазного реакцій, крім NО, складають нітрити і / або нітрати. Разом з тим в організмі теплокровних існує потужна нітрат (нітрит) редуцирующая система, здатна відновлювати нітрати та нітрити в NO, що вказує на наявність в ньому циклу оксиду азоту. Чи не з'ясовано, чи має з субстратів цього циклу тільки NO самостійне значення в здійсненні фізіологічних і патологічних процесів або таким володіють також нітрит і нітрат [1, 10, 134, 397].
Одним з ключових ферментів нітрітредуцірующей системи є ксантіноксідоредуктаза, що володіє структурною подібністю з бактеріальними нітрат / нітритредуктази. Показано, що, ксантиноксидаза молока здатна в аеробних умовах відновлювати нітрати та нітрити відповідно в Мо-містить і Fe-S-центрах , Використовуючи в якості донора електронів NADH. Нещодавно встановлено, що ксантиноксидаза тканин ссавців здатна відновлювати нітрит в NO. Передбачається, що ця реакція здійснюється в молібденовому центрі ферменту, потребує NADH як донора електронів і виконує вазодилататорного роль при гіпоксії, коли NO-синтаза не функціонує, а концентрація NADH в тканинах підвищена [21, 30, 190, 345, 789].
Нітрити, мабуть, в Певною мірою володіють самі по собі цитотоксичною дією, а нітрати викликають апоптоз тому, що відновлюються в нітрит за допомогою ксантиноксидази.
В повітрі NО як нестійке з'єднання в результаті фотохімічного смогу окислюється, при цьому утворюються N2O, NO2, N2O3, N2O4, N2O5, NO3, HNO2, HNO3. Крім того, в результаті реакції NO2 з летючими органічними сполуками синтезується пероксіацетіл нітрат (PAN). Вони, а також нітрити, нітрати, N- і S-нитрозосоединения, органічні нітрати, гідроксиламін та інші азотовмісні сполуки, потрапляючи в організм, здатні утворювати NО. Нітрит і нітрат-аніони відновлюються в NО, взаємодіючи з гемсодержащих білками , І деякими ферментами, наприклад, ксантиноксидази. У перетворенні органічних нітратів, нитрозосоединений і гідроксиламіну в NО беруть участь глутатіон-8-трансферази, цитохроми Р-450 і мітохондріальна альдегіддегідрогеназа [31, 56].
Найбільшими джерелами утворення NO є нітрит-редуктазної реакції, зокрема, у бактеріальної мікрофлори порожнини рота або шлунково-кишкового тракту. Важливим джерелом окису азоту в організмі є клітини гранулоцитарного ряду [5]. З огляду на хорошу розчинність окису азоту в ліпідної середовищі і слабку в водної, можна припустити, що ліпідна компонента організму, в тому числі ненасичені жирні кислоти, є своєрідним депо для цих молекул.
Під впливом оксиду азоту спостерігається окиснення тіолів з утворенням нітрозотіолів [1, 84]. У плазмі крові виявляються нітрозотіоли цистеїну, альбуміну, а в клітинах - нітрозотіоли глутатіону, цістеінілгліціна, різних білків, включаючи дуже важливі для регуляції проліферативної активності клітин і їх апоптозу [9, 67]. NO після кон'югації з супероксіданіон направляється за різними шляхами перетворення пероксінітріта, включаючи нітрування білків, освіта нітрозотіолів, в тому числі нітрозотіолів гомоцистеїну. Частина цих продуктів призводить до посилення оксидативного стресу і згортання крові, тромбоутворення. В умовах наростаючого оксидативного стресу за рахунок генерації активних форм кисню (АФК) частіше спостерігається зниження активності ендотеліальної NO-синтази та глутатіон-пероксидаз [68, 98]. Це викликає виправдане прагнення використовувати донори NO в терапевтичних цілях при недостатньому виробленні даного медіатора ендотеліальними клітинами. Однак це не завжди представляється доцільним, в зв'язку хоча б з тим, що субендотеліальні макрофаги також є джерелом значних кількостей NO. Крім того, сам NO являє парамагнітну молекулу, тобто вільний радикал, і при несприятливих умовах метаболізму здатний викликати так званий нітрозілірующій стрес.
Екзогенні донатори NO, виключаючи субстрати NO-синтази, амінокислоту аргінін, вивільняють NO, мабуть, без участі спеціально синтезованих ензимів. До подібних донорам NO відносяться такі лікарські препарати, як нитросорбит, ериніт і нітрогліцерин, а також нітропрусид натрію, відомі в фармакології як нітрати, нітрити, до яких відносяться амилнитрит, солі азотної кислоти. Ці речовини за участю ендогенних окислювально-відновних систем здатні генерувати монооксид азоту. Монооксид азоту накопичується в вигляді нітрозотіолів , Транспортується і взаємодіє з молекулами-мішенями, зокрема гемінових білками [9]. До нітрозотіолів відносяться нітрозоглутатіон, нітрозоцістеін, нитрозо-S34-альбумін, S-нитрозо-N-ацетілпеніцілламін і ін. З нітрозотіолів найкращим, з точки зору малої токсичності, є S-нітрозоглутатіон [110, 611].
Механізми впливу нітрозотіолів при парентеральному введенні пов'язані з їх прямим внеском до загального пулу NO. Нітрозотіоли (RSNO) вивільняють NO відповідно до реакції:
RSNO → RS- + NO-
В
2GSNO → GSSG + 2NO-
цієї реакції здатний також утворюватися тіольний радикал (RS). Ця реакція в фізіологічних ситуаціях протікає досить інтенсивно лише при поглинанні світлової енергії або інших видів випромінювання, особливо в присутності іонів перехідних металів [135]. Реакції транснітрозілірованія, що протікають в присутності перехідних металів, в тому числі іонів міді, призводять до утворення дисульфідів, наприклад глутатіону (GSSG):
У внутрішніх середовищах організму вивільнення NO можна представити у вигляді реакції:
GSNO + Cu1 + + H + → GSH + NO + Cu2 +
Окислені іони міді піддаються відновленню за рахунок ендогенних амінотіолов або аскорбата:
2GSH + 2Cu2 + → GSSG + 2Cu + + 2H +
У присутності іонів міді або заліза відбувається генерація NO з нітрозотіолів і окислення тіолових груп. Виходячи з того, що ці іони з перемінною валентністю у вільному стані у внутрішньому середовищі практично відсутні, в даний час інтенсивно вивчаються білки, їх містять [168].
Таким чином, на сьогоднішній день є досить велика кількість відомостей про джерелах, шляхи надходження та перетворення оксиду азоту в біологічних системах. Однак не всі механізми циклу оксиду азоту повністю вивчені і осмислені, що вимагає проведення подальших досліджень в цій сфері.
Поділіться з Вашими друзями:
