Окис азоту і доля людини

Безбарвний газ - окис азоту - завжди вважався шкідливим для організму людини.Інженери розробляють досконаліші двигуни внутрішнього згоряння, в меншій мірі забруднюють атмосферу окисом азоту, конструюють системи регенерації окису азоту в інші речовини.Але в кінці минулого століття вчені несподівано виявили, що окис азоту присутня в будь-якому живому організмі в досить великих концентраціях.І не просто присутній, а управляє найважливішими фізіологічними процесами.

Професор Анатолій Федорович Ванін, вперше виявив радикали окису азоту в живих клітинах, розмовляє з нобелівським лауреатом Робертом Форшготтом, вперше описав явище, обумовлене дією окису азоту. Москва, 1989 рік.

Електронна формула окису азоту (NO).

Наука і життя // Ілюстрації

Схема фізіологічних впливів окису азоту на тонус судин.

<

>

Окис азоту (хімічна назва - оксид азоту) - нова "дороговказ" в медицині, яка вказує напрямок пошуку лікарських засобів проти безлічі хвороб. Саме так вважають зараз більшість дослідників.

Лавиноподібне зростання числа публікацій з дослідження ролі окису азоту в біологічних об'єктах дав підставу Американської асоціації розвитку науки і авторитетному науковому журналу "Science" ( "Наука") назвати в 1992 році окис азоту молекулою року.

Лавиноподібне зростання числа публікацій з дослідження ролі окису азоту в біологічних об'єктах дав підставу Американської асоціації розвитку науки і авторитетному науковому журналу Science ( Наука) назвати в 1992 році окис азоту молекулою року

Чим же продиктований такий все зростаючий науковий інтерес до окису азоту?

Виявилося, що окис азоту управляє як внутрішньоклітинними, так і міжклітинних процесами в живій клітині. Багато хвороб - гіпертонія, ішемія міокарда, тромбози, рак - викликані порушенням фізіологічних процесів, які регулює окис азоту. Саме з цієї причини окис азоту становить величезний інтерес для біологів і медиків різних спеціальностей.

Нейрофізіологи і нейрохімікі цікавляться окисом азоту в зв'язку з тим, що вона керує найважливішими процесами, що відбуваються в нервовій системі. Вища нервова діяльність людини багато в чому обумовлена ​​проходженням імпульсу з однієї нервової клітини (нейрона) на іншу - так званої синаптичної передачею. Якщо спробувати описати цей процес в двох словах, то можна сказати, що при проходженні нервового імпульсу з закінчення одного нейрона "викидається" молекула сигнального речовини - нейромедіатора (наприклад, ацетилхоліну, глутамату), яку "захоплює" спеціальний білок (рецептор) на мембрані нервового закінчення іншого нейрона. Потім складна ланцюг біохімічних і електрохімічних реакцій забезпечує проходження нервового імпульсу з цього нейрона. Коли сигнал досягає нервового закінчення, знову відбувається викид з нього молекули нейромедіатора і так далі. Виявилося, що окис азоту активує процес викиду нейромедіаторів з нервових закінчень під час синаптичної передачі. Більш того, молекула окису азоту сама може грати роль нейромедіатора, тобто безпосередньо передавати сигнал з однієї нервової клітини на іншу. Не дивно, що окис азоту присутня у всіх відділах головного мозку людини: гіпоталамусі, середньому мозку, корі, гіпокампі, довгастомумозку і ін.

Таким чином, в розумової діяльності окис азоту є і безпосереднім учасником, і непрямим регулятором. Що стосується тілесного існування, то і тут її роль не менша.

Кардіологи і фахівці, які вивчають систему кровообігу, цікавляться окисом азоту, оскільки вона регулює розслаблення гладких м'язів судин і синтез так званих "білків теплового шоку", які "захищають" судини при ішемічній хворобі серця.

Гематологів окис азоту цікавить в зв'язку з тим, що вона гальмує агрегацію (злипання) тромбоцитів, впливає на перенесення кисню еритроцитами, а також на реакції з участю хімічно активних молекул (вільних радикалів) в крові.

Імунологів окис азоту цікавить тому, що активація клітин, що беруть участь в імунній відповіді, - макрофагів і нейтрофілів - супроводжується вивільненням цими клітинами окису азоту.

Онкологи виявляють підвищену цікавість до окису азоту через її передбачуваної участі в процесі розвитку злоякісних утворень.

Фізіологи, що займаються проблемами регуляції водно-сольового обміну в організмі, і нефрологи цікавляться окисом азоту з тієї причини, що вона регулює нирковий кровообіг і сольовий обмін в ниркових канальцях.

Навіть інтимне життя без окису азоту неможлива - її вивільнення сприяє ерекції.

Але і це ще не все. В останні роки лавиноподібно наростає потік інформації про вплив окису азоту на функціонування генома.

Доля людини визначається його поведінкою і характером, на які, в свою чергу, впливає стан його душі і тіла. Значить, доля людини в деякому сенсі пов'язана з окисом азоту.

Що ж являє собою молекула окису азоту?

Відомо, що, коли в електронному сімействі будь-якої молекули є електрон без своєї пари, тобто для нього немає партнера, все сімейство відчуває занепокоєння і проявляє підвищену агресивність по відношенню до інших сполук, прагнучи знайти і відібрати чужий електрон. Сполуки, що мають неспарених електронів, називаються радикалами. Радикали зазвичай нестійкі і з'являються на проміжних стадіях хімічних реакцій.

Окис азоту через наявність в її електронну структуру неспареного електрона відноситься до розряду радикалів і, отже, як і всі радикали, прагне "знайти" електрон для створення нової електронної пари. Коли це вдається зробити, утворюється молекула NO_ - нітроксе-аніон. Найчастіше ж придбати електрон, віднімаючи його в іншої молекули, без "війни" не вдається. В результаті відбуваються найрізноманітніші реакційні процеси, в ході яких окис азоту може піддаватися різним перетворенням.

Не варто плутати окис азоту з закисом азоту (її хімічна формула - N2O), теж безбарвним газом з солодкуватим смаком, короткочасне вдихання якого викликає ознаки істерії, а великі кількості діють на нервову систему збудливо, викликаючи стан, схоже з сп'янінням. У зв'язку з цим закис азоту називають "звеселяючим газом". Тривале вдихання "звеселяючого газу" призводить до притуплення больової чутливості і втрати свідомості, завдяки чому в суміші з киснем (80% N2О + 20% О2) він іноді застосовується для наркозу.

Окис азоту же сама по собі таких ефектів не викликає. Але закис азоту, що надходить в певні відділи мозку, хімічно руйнується там з утворенням окису азоту, дія якої на нервові клітини і визначає ефекти, викликані вдиханням закису. Алкоголь діє на клітини головного мозку так само опосередковано і через окис азоту.

За розробку проблеми окису азоту в біології та медицині ряд вчених удостоєний Нобелівської премії з фізіології і медицині 1998 року. Точне формулювання звучить так: "Нобелівська премія з фізіології і медицині присуджена за відкриття ролі оксиду азоту як сигнальної молекули в серцево-судинній системі". Нобелівськими лауреатами стали американські вчені Роберт Форшготт, Ферид Мьюред і Луїс Ігнарро.

А почалося все з відкриття, результати якого були опубліковані Робертом Форшготтом в 1955 році. Вчений, проводячи фізіологічні експерименти з кровоносними судинами, виявив розслаблюючу дію світла на аорту кролика. Це загадкове поведінку аорти у відповідь на дію світла стало в подальшому для нього та інших дослідників об'єктом пильної уваги. Можна вважати, що воно стало своєрідною точкою відліку нового розділу біологічної науки.

Наступний крок був зроблений в нашій країні людиною, який зробив відкриття, що стало віхою в розумінні ролі окису азоту в біології та медицині. Це - професор, доктор біологічних наук Анатолій Федорович Ванін, завідувач лабораторією Інституту хімічної фізики Російської академії наук.

У 1965 році журнал "Біофізика" опублікував його невелику, але, як пізніше виявилося, надзвичайно важливу статтю під назвою "Вільні радикали нового типу в дріжджових клітинах". Там було написано, що в біологічних об'єктах виявлено радикали невідомої природи, які ніхто в світі ще не спостерігав. Наша країна тоді була "попереду планети всієї" по частині створення апаратури для виявлення радикалів, заснованої на явищі електронного парамагнітного резонансу (ЕПР). Прилади й засоби виявлення радикалів, що працюють на його основі, називаються радіоспектрометр. Саме цими приладами і була оснащена лабораторія, де працював Анатолій Федорович, який сьогодні вважається одним з визнаних авторитетів в області ЕПР-спектроскопії.

Явище ЕПР в 1944 році відкрив професор Казанського університету Є. К. Завойський. Суть цього явища пов'язана зі здатністю радикалів, які перебувають в магнітному полі, вибірково поглинати енергію радіохвиль.

Невідома радикальна субстанція спочатку була виявлена ​​в культурах дріжджів, а потім і в клітинах тваринного походження. Стало зрозумілим, що відкрито нову речовину, яка присутня у всіх живих клітинах.

Роботи Форшготта і Ваніна застовпили новий науковий напрям. Зараз ученим відомо, що відкриті Анатолієм Федоровичем невідомі радикали не що інше, як молекули окису азоту. Але в той час треба було ще виконати чимало найскладніших досліджень, щоб дізнатися, які саме радикали подають незвичайний ЕПР-сигнал. Одне було ясно вже тоді: науці ці радикали невідомі. Роки напруженої праці дозволили Ванину зробити друге відкриття. Він довів, що сигнали подає окис азоту, причому не одна, а в комплексі з іонами заліза і білками, що містять сульфгідрильні групи. Тепер їх називають "дінітрозільние комплекси".

Яка роль комплексу окису азоту і білка в живій клітині? На цьому питанні і сконцентрувалося увагу Ваніна і інших дослідників, які підключилися до вивчення проблеми.

Тим часом Р. Форшготт продовжував вивчати природу відкритого ним явища. У 1961 році він опублікував оглядову статтю, в якій ще раз висвітлив питання про розслабляючий дії видимого світла на кровоносні судини. Результатом досліджень, що тривали чверть століття, стало відкриття Форшготтом в 1980 році невідомого фізіологічно активної речовини - ендотеліального фактора розслаблення судин (EDRF).

Форшготт виявив, що ацетилхолін, який є одним з медіаторів нервової системи, зазвичай викликав стиск кровоносних судин, але в деяких дослідах він їх чомусь розслаблював. Аналізуючи ці експерименти, Форшготт звернув увагу, що розслаблюючу дію ацетилхоліну на судини спостерігалося тільки в тих випадках, коли вони були погано очищені від ендотеліальних клітин, що вистилають внутрішню поверхню судин. Форшготт здогадався, що саме присутність ендотелію змінювало фізіологічний ефект ацетилхоліну на протилежний. Після проведення серії дотепних дослідів сумнівів не залишалося: зроблено відкриття. Так і був виявлений ендотеліальний фактор розслаблення судин (EDRF). Це наукове досягнення набула широкого суспільного резонансу і сколихнуло весь вчений світ. Більшість вчених відразу зрозуміли, наскільки воно важливе для фізіології, патофізіології та практичної медицини.

У 1991 році Форшготт публікує цілу серію статей, в яких він обгрунтовує твердження, що EDRF - це не що інше, як молекула окису азоту. Тобто, під дією ацетилхоліну відбувається викид окису азоту з ендотелію кровоносних судин, яка потім надходить в шар м'язових клітин. І саме молекула окису азоту надає розслабляючу дію на стінки судин. А що ж відбувається під дією світла? Чому він теж викликає судинну релаксацію? Мабуть, під впливом світлового випромінювання вивільняється та ж сама окис азоту, яка (як показав Ванін) існує у вигляді дінітрозільного комплексу з білками.

Як учений-фізіолог, Форшготт в своїх наукових дослідженнях йшов від явищ (фізіології) до їх механізмам. Це шлях від складного до простого. Для Ваніна, як біофізика і біохіміка, шлях від простого до складного, від факту до його ролі та значенню був більш природним. Ванін і почав з того, що відкрив існування радикальної субстанції в живих об'єктах і став вивчати, що це за молекула і які функції вона виконує.

Форшготт першим в світі описав явище, обумовлене дією окису азоту, - релаксацію кровоносних судин. Ванін відкрив наявність невідомої субстанції в живої матерії. У своїх подальших дослідженнях вони йшли назустріч один одному, швидко зближуючись. Ними як би були поставлені дві віхи, між якими пролягла невидима нитка.

Результати досліджень не змусили себе чекати. Вже незабаром позначена ще одна важлива віха. Її поставив американський вчений Ферид Мьюред, після того як в середині 70-х років він зробив важливе відкриття, що стосується гуанілатциклази. Гуанілатциклазу - один з ключових ферментів, які керують життям клітини. Мьюред показав, що гуанілатциклазу активується при дії нитро- і нитрозосоединений. Мьюред висловлює ідею, що чинним активним початком цих сполук є не вони самі, а окис азоту, що виділяється з них, і експериментально її підтверджує.

В цей же час Ванін вивчає біологічну дію дінітрозільних комплексів заліза і показує, що вони мають потужний гіпотензивну дію - розслаблюють кровоносні судини.

Ванін також запропонував метод виявлення окису азоту в органах і тканинах, що набув широкого поширення. Наступний крок його в науковому пошуку не менш важливий. Він першим приходить до переконання і доводить, що EDRF має пряме відношення до окису азоту. Коли автори відкриттів буквально наступають один одному на п'яти, дихають у потилицю в гонці за пріоритетом, зазвичай враховується, чиї результати раніше побачили світло. Ванін, отримавши дані, що EDRF має відношення до окису азоту, в 1985 році вирішив їх опублікувати в журналі "Бюлетень експериментальної біології і медицини", але надрукована стаття була тільки через три роки після подачі. Тут почав рости вал публікацій на цю тему в зарубіжних виданнях. Такі ж дані в 1986 році отримали Форшготт і Ігнарро, а в 1987 році - Сальвадор Монкада. Останній переконливо показав, що до складу EDRF входить окис азоту, і негайно опублікував свої дані в міжнародному науковому журналі "Nature" ( "Природа"). Всі ці публікації з'явилися на світ раніше, ніж оригінальна стаття Анатолія Федоровича.

Форшготт і Ванін, пройшовши кожен свою половину шляху, зустрілися в 1989 році у Всесоюзному кардіологічному науковому центрі в Москві. Про що вони говорили тоді, зрозуміло: звичайно ж, про наукові плани, свої неймовірні здогадах і сумнівах. Їх спілкування продовжилося в Лондоні на 1-й конференції з біологічної ролі оксиду азоту і в подальшій кореспонденції.

Авторитет Ваніна як основоположника нового наукового напрямку загальновизнаний. Але ось парадокс: головна наукова нагорода - Нобелівська премія обійшла його стороною. Незаслужено - це не те слово. Мабуть, вибір Нобелівського комітету не завжди ґрунтується на науковій значущості робіт. Велич Анатолія Федоровича в тому, що він не став оскаржувати рішення комітету. А ми знаємо, що такі генії, як Ньютон і Лейбніц, оспорювали один у одного наукові пріоритети. І це при тому, що про Ньютона говорили як про єдиний смертному, встала врівень з богами. Та й Лейбніц за заслуги перед людством також цілком може бути прирівняний до них. Так що навіть боги не завжди можуть поділити між собою пальму першості.

Але і дослідники, яким присудили Нобелівську премію (нагадаємо, що це Форшготт, Мьюред і Ігнарро), - воістину великі вчені і, поза всяким сумнівом, заслужили таке високе визнання. Проте можна констатувати, що одне з головних дійових осіб в історії про окис азоту просто викреслили зі списків.

Можливо, з історією відкриття дії окису азоту хтось буде і не в усьому згоден - не дивно: логіка досліджень і роль кожного з провідних вчених, які розробляли цю тему, може бачитися всім по-різному. Але навряд чи хто засумнівається і буде оскаржувати, що все почалося з основоположних відкриттів Форшготта і Ваніна. Саме вони були піонерами у встановленні всеосяжної ролі окису азоту в живій природі.

Де ж ті ваги, на яких можна було б об'єктивно зважити визнання заслуг вченого, щоб справедливо віддати йому за них?

Чим же продиктований такий все зростаючий науковий інтерес до окису азоту?
Що ж являє собою молекула окису азоту?
Яка роль комплексу окису азоту і білка в живій клітині?
А що ж відбувається під дією світла?
Чому він теж викликає судинну релаксацію?
Де ж ті ваги, на яких можна було б об'єктивно зважити визнання заслуг вченого, щоб справедливо віддати йому за них?