UMF “CAROL DAVILA” BUCURESTI

MONOXIDUL DE AZOT

Sandu Silviu-AdrianSeria III Gr. 25

Monoxidul de azotNO

Oxid de azot sau de monoxid de azot este un

compus chimic cu formula chimică N O. Acest gaz este

un element important de semnalizare moleculă în

organismele de mamifere, inclusiv la om, şi este extrem

de important intermediar în industria chimică. Este, de

asemenea, un poluant al aerului produs de fumul de

ţigară, motoarele automobilelor şi centrale electrice.

Molecula de oxid de azot este un radical liber,

ceea ce este relevant pentru înţelegerea reactivitatii sale

ridicate. În ciuda simplitatii structurale moleculare, NO

este un jucător fundamental în domeniile neurologice,

fiziologie şi imunologie.

Factorul de relaxare derivat endotelial a fost iniţial numele dat mai multor factori care determină

vasodilatare. Principalul factor de relaxare derivat endotelial a fost mai târziu descoperit ca fiind monoxidul

de azot (N O). Descoperirea funcţiilor biologice ale monoxidului de azot în anii 1980 a venit ca o surpriză şi

a provocat un numar destul de mare de reactii. Oxidul de azot a fost numit "moleculă a anului" în 1992 de

către revista Science, a fost înfiinţată Societatea monoxidului de azot, precum şi o revistă ştiinţifică dedicată

în întregime monoxidului de azot. Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină din anul 1998 a fost acordat

lui Ferid Murad, Robert F. Furchgott, şi Louis Ignarro pentru descoperirea proprietăţilor de semnalizare ale

monoxidului de azot. Un alt contribuitor important pentru cercetarea NO este Salvador Moncada care a

identificat EDRF ca molecula de NO dar nu împărtăşeste Premiului Nobel. Se estimează că anual

aproximativ 3000 de articole ştiinţifice sunt publicate pe rolurile biologice ale oxidului de azot.

2

NO este un mesager molecular important implicat in multe

procese fiziologice si patologice în organismul mamifer atât

benefice şi dăunătoare. Producţia de un nivel adecvat de NO este

important în protejarea unui organ, cum ar fi ficatul de ischemie.

Cu toate acestea producţia de niveluri ridicate de NO rezulta direct

în toxicitate de ţesut şi contribuie la accidente vasculare asociate

cu şocul septic, in timp ce exprimarea cronica de NO este asociata

cu diferite carcinoame şi condiţii inflamatorii inclusiv diabet

zaharat juvenil, scleroză multiplă, artrită şi colita ulcerativa.

Oxidul de azot este sintetizat de nitric oxid sintaza (NOS).

Există trei izoformele ale enzimei NOS: endotelial (eNOS),

neuronal (nNOS), şi inducibil (iNOS) - fiecare cu funcţii separate.

Enzima neuronala (nr. 1), precum şi a endoteliului izoform (NOS-

3) sunt calciu-dependente şi produc un nivel scăzut de gaz ca o

moleculă de semnalizare celulara. Izoforma inducibila (nr.-2) este

calciu-independenta şi produce cantităţi mari de gaze care pot fi

citotoxice. NOS oxidează grupul guanidinic de L-arginina într-un

proces care consumă cinci electroni şi rezulta NO cu formarea

stoichiometrica de L-citrullina. Procesul implică oxidarea

NADPH şi reducerea oxigenului molecular. Transformarea se

produce la un centru catalitic, adiacent unui anumit loc de legatura

obligatoriu de L-arginina.

Funcţia

NO este un important reglator şi mediator a numeroase procese în sistemele nervos, imunitar şi

cardiovasculare, inclusiv de relaxarea musculaturii netede in vederea vasodilatarii arteriale şi creşterea

fluxului sanguin, neurotransmisia în sistemul nervos şi a fost asociat cu activitate neuronale şi diverse funcţii

cum ar fi învăţarea evitarii, citotoxicitate mediate de macrofage pentru microbi şi celule tumorale. In afara de

medierea funcţiilor normale, NO a fost implicate în diverse stari patofiziologice, cum ar fi şoc septic,

hipertensiune arterială, accident vascular cerebral, şi boli neurodegenerative. În prezent, sursele exogene de

3

NO constituie un mod puternic de a suplimenta NO, atunci când organismul nu poate genera destul pentru

funcţiile biologice normale.

Schema a mecanismului EDRF-NO

Vasodilatarea

Oxidul de azot (NO) are o importanţă critică ca mediator al vasodilatarii în vasele sanguine. Este

indus de mai mulţi factori, şi, o dată sintetizat prin eNOS are ca rezultat fosforilarea mai multor proteine care

produce relaxarea musculaturii netede. Acţiunea vasodilatorie a oxidului nitric joacă un rol cheie în controlul

renal al homeostaziei lichidului extracelular şi este esenţial pentru reglementarea fluxului de sânge şi

tensiunea arterială. Aceasta, de asemenea, joacă un rol important în erecţia penisului.

Inducţie

Factorii plachetari dericati, stresul de forfecare, acetilcolină, şi citokinele stimuleaza producţia de NO

de nitric oxid sintaza endoteliala (eNOS). eNOS sintetizeaza NO de la azotul guanidinic terminal din L-

4

arginina şi oxigen şi formeaza citrullina ca produs secundar. Producţie de NO de catre eNOS este dependentă

de calciu - calmodulina şi alti cofactori.

Monoxid de azot (alb) in celulele de conifere

evidentiat cu diaminofluorescein diacetatul

Fosforilarea

NO, un foarte reactiv radical liber, difuzeaza apoi în celulele musculare netede din vasele de sânge şi

interacţionează cu guanilat ciclaza solubila. Oxidul de azot stimulează guanilat ciclaza solubila pentru a

genera mesagerul secund cGMP de la GTP. GMPc solubil activează protein kinaza G (PKG) dependenta de

nucleotide ciclice. PKG este o kinaza care fosforileaza o serie de proteine care regleaza concentraţia de calciu

hiperpolarizeaza celula prin canalele de potasiu, filamente de actina şi miozina, modificări dinamice care au

ca rezultat relaxarea musculaturii netede.

Erecţie

Efectul vasodilatator al NO, joacă de asemenea un rol important în dezvoltarea şi întreţinerea erectiei.

Vasodilatarea vaselor de sânge care iriga corpul cavernos duce la cresterea aportului de sânge şi, prin urmare,

5

intretinerea erectiei. Aceasta este baza biologica a sildenafilului (Viagra), care inhiba enzimele

fosfodiesterazice PDE5 care scade concentraţia cGMP prin conversie înapoi la GMP.

Sistemul imunitar

Macrofagele, celule ale sistemului imunitar, produc oxid de azot, cu scopul de a ucide bacteriile

invadatoare. În acest caz, nitric oxid sintaza este NOS inductibila. În anumite condiţii, aceasta poate avea

efecte nocive: infecţiile fulminante (septicemie) cauzele excesului producţiei de oxid de azot al macrofagelor,

duce la vasodilatare (lărgirea vaselor de sânge), probabil una dintre principalele cauze de hipotensiune

arterială (scăzut tensiunii arteriale), în septicemie. Izoforma iNOS este exprimata şi produce niveluri

citotoxice de oxid de azot.

Neurotransmisia

Oxid de azot are si rol de neurotransmitator între celulele nervoase, parte a rolului său general în

semnalizare redox. Spre deosebire de majoritatea celorlalti neurotransmitatori care doar transmit informaţii

de la un neuron presinaptic la un neuron postsinaptic, molecula de monoxid de azot, fiind de mici

dimensiuni, fara sarcina electrica si solubila in grăsimi, poate difuza pe scară largă şi intră uşor celule. Astfel,

se poate acţiona în mai multi neuroni din apropiere, chiar şi pe cei care nu sunt legati prin sinapse. În acelaşi

timp, timpul de înjumătăţire plasmatică scurt pentru NO înseamnă că o astfel de acţiune va fi limitat la o zonă

limitată, fără a fi necesare enzime degradative sau turnover celular. NO este, de asemenea, foarte reactiv cu

alti radicali liberi, lipide şi proteine.

Se pare că acest proces ar putea fi implicat în memorie prin menţinerea potenţarii pe termen lung

(LTP). Oxidul de azot este un neurotransmitator non-adrenergic, non-colinergic (NANC) important în

diferite părţi ale tractului gastro-intestinal. Ea determină relaxarea musculaturii netede gastro-intestinale. În

stomac, ea măreşte capacitatea fundica de a stoca alimente / lichide.

Azotatii din aport alimentar sunt, de asemenea, o sursă importantă de oxid de azot la mamifere.

Legumele verzi, cu frunze şi unele legume rădăcinoase (cum ar fi sfeclă roşie) au concentraţii mari de nitraţi.

6

Când sunt mâncate, nitraţii sunt concentrati în salivă (de circa 10 ori) şi se reduce la nitrit pe suprafaţa limbii

de un biofilm facultativ de bacterii anaerobe. Acest azotit este înghiţit şi reacţionează cu acid şi substanţele

reducatoare din stomac (cum ar fi ascorbatul) pentru a produce concentraţii mari de oxid de azot. Scopul

acestui mecanism de a crea NO este considerat a fi de sterilizare a alimentelor înghiţite, pentru a preveni

intoxicaţiile alimentare şi de a menţine fluxul sanguin mucoasei gastrice. Un mecanism similar este gandit

pentru a proteja pielea de infecţii fungice, în cazul în care azotatul din sudoare se reduce la nitrit de catre

microorganismele pielii şi apoi la NO pe suprafaţa pielii uşor acida.

Alte funcţii

Oxidul de azot de asemenea, actioneaza asupra musculaturii cardiace pentru a micşora ritmul cardiac.

NO cotribuie la reglarea contractilitatii cardiace. Noi dovezi sugerează că bolile coronariene (CAD) sunt

inrudite cu defectele de generare sau de acţiune a monoxidului de azot.

Patologie

Persoanele cu diabet au de obicei niveluri mai mici de oxid de azot decât pacienţii fără diabet.

Aportul diminuat de oxid de azot poate duce la deteriorari vasculare, cum ar fi disfuncţii endoteliale şi

inflamaţii vasculare. Deteriorarile vasculare pot duce la scăderea fluxului sanguin la extremităţi, astfel

pacientul diabetic fiind mai predispus neuropatiilor, ulcerului incurabil, şi unui risc marit de amputare a

membrelor inferioare.

Analogi farmaceutici

Nitroglicerina, amilnitratul, isobutyl nitrit/azotit de isobutil, precum şi alti derivati azotati sunt

folosite în tratamentul boalilor de inimă. Compuşii sunt convertiti la monoxid de azot (de către un proces

care nu este complet înţeles), care, la rândul său, dilata arterele coronare, ceea ce ar permite imbunatatirea

irigarii cu sânge. Cu toate acestea, aceste medicamente sunt predominant venodilatatoare, dilatand vene

periferice şi, prin urmare, reduc revenirea sangelui venos şi preluarea de catre inima. Aceasta reduce nevoia

de oxigen a miocardului şi scade durerile anginale simtite in ischemie miocardică.

7

NO is one of the few gaseous signaling molecules known. It is a key vertebrate biological messenger, playing a role in a variety of biological processes. Nitric oxide, known as the 'endothelium-derived relaxing factor', or 'EDRF', is biosynthesised endogenously from arginine and oxygen by various nitric oxide synthase (NOS) enzymes and by reduction of inorganic nitrate. The endothelium (inner lining) of blood vessels use nitric oxide to signal the surrounding smooth muscle to relax, thus resulting in vasodilation and increasing blood flow. Nitric oxide is highly reactive (having a lifetime of a few seconds), yet diffuses freely across membranes. These attributes make nitric oxide ideal for a transient paracrine (between adjacent cells) and autocrine (within a single cell) signaling molecule.[11] The production of nitric oxide is elevated in populations living at high-altitudes, which helps these people avoid hypoxia by aiding in pulmonary vasculature vasodilation. Effects include vasodilatation, neurotransmission (see Gasotransmitters), modulation of the hair cycle, production of reactive nitrogen intermediates and penile erections (through its ability to vasodilate). Nitroglycerin and amyl nitrite serve as vasodilators because they are converted to nitric oxide in the body. Sildenafil, popularly known by the trade name Viagra, stimulates erections primarily by enhancing signaling through the nitric oxide pathway in the penis.

Nitric oxide (NO) contributes to vessel homeostasis by inhibiting vascular smooth muscle contraction and growth, platelet aggregation, and leukocyte adhesion to the endothelium. Humans with atherosclerosis, diabetes or hypertension often show impaired NO pathways.[12] A high-salt intake was demonstrated to attenuate NO production, although bioavailability remains unregulated.[13]

Nitric oxide is also generated by phagocytes (monocytes, macrophages, and neutrophils) as part of the human immune response. Phagocytes are armed with inducible nitric oxide synthase (iNOS) which is activated by interferon-gamma (IFN-γ) as a single signal or by tumor necrosis factor (TNF) along with a second signal. [14] Conversely, transforming growth factor-beta (TGF-β) provides a strong inhibitory signal to iNOS whereas interleukin-4 (IL-4) and IL-10 provide weak inhibitory signals. In this way the immune system may regulate the armamentarium of phagocytes that play a role in inflammation and immune responses. Nitric oxide secreted as an immune response is as free radicals and is toxic to bacteria; the mechanism for this include DNA damage and degradation of iron sulfur centers into iron ions and iron-nitrosyl compounds. [15] [16] [17] In response, however, many bacterial pathogens have evolved mechanisms for nitric oxide resistance.[18] Because nitric oxide might serve as an inflammometer in conditions like asthma, there has been increasing interest in the use of exhaled nitric oxide as a breath test in diseases with airway inflammation.

Nitric oxide can contribute to reperfusion injury when an excessive amount produced during reperfusion (following a period of ischemia) reacts with superoxide to produce the damaging oxidant peroxynitrite. In contrast, inhaled nitric oxide has been shown to help survival and recovery from paraquat poisoning, which produces lung tissue damaging superoxide and hinders NOS metabolism.

In plants, nitric oxide can be produced by any of four routes: (i)L-arginine-dependent nitric oxide synthase [19], [20],[21],(although the existence animal NOS homologs in plants is debated)[22],(ii) by plasma membrane-bound nitrate reductase, (iii) by mitochondrial electron transport chain, or (iv) by non-enzymatic reactions. It is a signaling molecule, acts mainly against oxidative stress and also plays a role in plant pathogen interactions. Treating cut flowers and other plants with nitric oxide has been shown to lengthen the time before wilting.[23]

A biologically important reaction of nitric oxide is S-nitrosylation, the conversion of thiol groups, including cysteine residues in proteins, to form S-nitrosothiols (RSNOs). S-Nitrosylation is a mechanism for dynamic, post-translational regulation of most or all major classes of protein.

[edit] Mechanism of actionThere are several mechanisms by which NO has been demonstrated to affect the biology of living cells. These include

oxidation of iron containing proteins such as ribonucleotide reductase and aconitase, activation of the soluble guanylate cyclase, ADP ribosylation of proteins, protein sulphhydryl group nitrosylation, and iron regulatory factor activation. [24] NO has been demonstrated to activate NF-κB in peripheral blood mononuclear cells, an important transcription factor in iNOS gene expression in response to inflammation.[25] It was found that NO acts through the stimulation of the soluble guanylate cyclase which is a heterodimeric enzyme with subsequent formation of cyclic GMP. Cyclic GMP activates protein kinase G, which caused phosphorylation (and therefore inactivation) of myosin light-chain kinase and leads ultimately to the dephosphorylation of the myosin light chain, causing smooth muscle relaxation. [26]

[edit] Use in pediatric intensive careNitric oxide/oxygen blends are used in critical care to promote capillary and pulmonary dilation to treat primary

pulmonary hypertension in neonatal patients[27][28] post meconium aspiration and related to birth defects. These are often a last-resort gas mixture before the use of ECMO. Nitric oxide therapy has the potential to significantly increase the quality of life and in some cases save the lives of infants at risk for pulmonary vascular disease.[29]

[edit] Nutraceutical marketingGNC has begun to sell an oral "nitric oxide" product targeted for bodybuilders, with the claim that it dramatically

increases muscle growth. The claim is grounded in an understanding of NO as being a vasodilator, and when taken prior to and after workouts, it enables muscles to receive more blood and therefore, more oxygen and nutrients. This is critical to maximal muscle exertion during training and recovery afterward. However, there are currently no valid studies supporting the hypothesis that orally ingested NO actually will cause vasodilation; additionally, while users of some supplements have claimed to experience results, these results are generally attributable to ingredients besides NO itself (proteins, creatine etc).

8