Як закис азоту впливає на мозок

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

Окис азоту та доля людини

Лікар біологічних наук Ю. ПЕТРЕНКО.

Наприкінці минулого століття вчені несподівано виявили, що окис азоту присутній у будь-якому живому організмі у досить великих концентраціях. І не просто присутній, а керує найважливішими фізіологічними процесами.

Безбарвний газ – окис азоту – завжди вважався шкідливим для організму людини. Інженери розробляють більш досконалі двигуни внутрішнього згоряння, меншою мірою забруднюють атмосферу окисом азоту, конструюють системи регенерації окису азоту інші речовини. Але наприкінці минулого століття вчені несподівано виявили, що окис азоту присутній у будь-якому живому організмі у досить великих концентраціях. І не просто присутній, а керує найважливішими фізіологічними процесами.

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

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

Лавиноподібне зростання кількості публікацій з дослідження ролі окису азоту в біологічних об'єктах дало основу Американської асоціації розвитку науки та 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 міжклітинними процесами живої клітини. Багато хвороб – гіпертонія, ішемія міокарда, тромбози, рак – викликані порушенням фізіологічних процесів, які регулює окис азоту. Саме з цієї причини окис азоту представляє величезний інтерес для біологів і медиків різних спеціальностей.

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

Таким чином, у розумовій діяльності окис азоту є і безпосереднім учасником і непрямим регулятором. Щодо тілесного існування, то й тут її роль не менша.

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

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

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

Онкологи виявляють підвищений інтерес до окису азоту через його передбачувану участь у процесі розвитку злоякісних утворень.

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

Навіть інтимне життя без окису азоту неможливе - його вивільнення сприяє ерекції.

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

Доля людини визначається її поведінкою та характером, на які, у свою чергу, впливає стан її душі та тіла. Отже, доля людини у певному сенсі пов'язані з окисом азоту.

Що ж є молекула окису азоту?

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

Окис азоту через наявність у її електронній структурі неспареного електрона відноситься до розряду радикалів і, отже, як і всі радикали, прагне "знайти" електрон, що не вистачає, для створення нової електронної пари. Коли це вдається зробити, утворюється молекула NO - нітроксил-аніон. Найчастіше придбати недостатній електрон, забираючи його в іншої молекули, без "війни" не вдається. В результаті відбуваються найрізноманітніші реакційні процеси, в ході яких окис азоту може зазнавати різних перетворень.

Не варто плутати окис азоту із закисом азоту (її хімічна формула - N₂O), теж безбарвним газом із солодкуватим смаком, короткочасне вдихання якого викликає ознаки істерії, а великі кількості діють на нервову систему збудливо, викликаючи стан, подібний до сп'яніння. У зв'язку з цим закис азоту називають "веселячим газом". Тривале вдихання "звеселяючого газу" призводить до притуплення больової чутливості і втрати свідомості, завдяки чому в суміші з киснем (80% N₂про+20%₂) він іноді застосовується для наркозу.

Окис азоту сам по собі таких ефектів не викликає.Але закис азоту, що надходить у певні відділи мозку, хімічно руйнується там із утворенням окису азоту, дія якої на нервові клітини та визначає ефекти, що викликаються вдиханням закису. Алкоголь діє на клітини головного мозку також опосередковано і через окис азоту.

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

А почалося все з відкриття, результати якого було опубліковано Робертом Форшготтом у 1955 році. Вчений, проводячи фізіологічні експерименти з кровоносними судинами, виявив розслаблюючу дію світла аорту кролика. Ця загадкова поведінка аорти у відповідь на дію світла стала надалі для нього та інших дослідників об'єктом пильної уваги. Можна вважати, що воно стало своєрідною точкою відліку нового розділу біологічної науки.

Наступний крок було зроблено в нашій країні людиною, яка зробила відкриття, що стало віхою у розумінні ролі окису азоту в біології та медицині. Це професор, доктор біологічних наук Анатолій Федорович Ванін, завідувач лабораторії 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".У ній говорилося, що у біологічних об'єктах виявлено радикали невідомої природи, які у світі ще спостерігав. Наша країна тоді була "попереду планети всієї" щодо створення апаратури для виявлення радикалів, заснованої на явищі електронного парамагнітного резонансу (ЕПР). Прилади та засоби виявлення радикалів, що працюють на його основі, називаються радіоспектрометрами. Саме цими приладами і було оснащено лабораторію, де працював Анатолій Федорович, який сьогодні вважається одним із визнаних авторитетів у галузі ЕПР-спектроскопії.

Явище ЕПР 1944 року відкрив професор Казанського університету Є.Г. До. Завойський. Суть цього явища пов'язана зі здатністю радикалів, що знаходяться в магнітному полі, вибірково поглинати енергію радіохвиль.

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

Роботи Форшготта та Ваніна застовпили новий науковий напрямок. Наразі вченим зрозуміло, що відкриті Анатолієм Федоровичем невідомі радикали не що інше, як молекули окису азоту. Але на той час потрібно ще виконати чимало складних досліджень, щоб дізнатися, які саме радикали подають незвичайний ЕПР-сигнал. Одне було зрозуміло вже тоді: науці ці радикали невідомі. Роки напруженої праці дозволили Ваніну зробити друге відкриття. Він довів, що сигнали подає окис азоту, причому не одна, а в комплексі з іонами заліза та білками, що містять сульфгідрильні групи. Тепер їх називають "дінітрозільні комплекси".

Яка роль комплексу окису азоту та білка у живій клітині? На цьому питанні і сконцентрувалася увага Ваніна та інших дослідників, які підключилися до вивчення проблеми.

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

Форшготт виявив, що ацетилхолін, що є одним із медіаторів нервової системи, зазвичай викликав стиснення кровоносних судин, але в деяких дослідах він їх чомусь розслабляв. Аналізуючи ці експерименти, Форшготт звернув увагу, що розслаблююча дія ацетилхоліну на судини спостерігалася тільки в тих випадках, коли вони були погано очищені від ендотеліальних клітин, що вистилають внутрішню поверхню судин. Форшготт здогадався, що саме присутність ендотелію змінювала фізіологічний ефект ацетилхоліну на протилежний. Після проведення серії дотепних дослідів сумнівів не залишалося: відкриття. Так і було виявлено ендотеліальний фактор розслаблення судин (EDRF). Це наукове досягнення набуло широкого суспільного резонансу і розбурхало весь вчений світ. Більшість учених відразу зрозуміли, наскільки воно важливе для фізіології, патофізіології та практичної медицини.

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

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

Форшготт першим у світі описав явище, зумовлене дією окису азоту, – релаксацію кровоносних судин. Ванін відкрив наявність невідомої субстанції у живій матерії. У своїх подальших дослідженнях вони йшли назустріч один одному, швидко наближаючись. Ними ніби були поставлені дві віхи, між якими пролягла невидима сполучна нитка.

Результати досліджень не змусили на себе чекати. Вже незабаром позначено ще одну важливу віху. Її поставив американський вчений Ферід Мьюред, після того, як у середині 70-х років він зробив важливе відкриття, що стосується гуанілатциклази. Гуанілатциклаза - один із ключових ферментів, що керують життям клітини. М'юред показав, що гуанілатциклаза активується при дії нітро- та нітрозосполук.Мьюред висловлює ідею, що активним початком цих сполук є не вони самі, а окис азоту, що виділяється з них, і експериментально її підтверджує.

У цей же час Ванін вивчає біологічну дію динітрозильних комплексів заліза і показує, що вони мають потужну гіпотензивну дію - розслаблюють кровоносні судини.

Ванін також запропонував метод виявлення окису азоту в органах і тканинах, який набув широкого поширення. Наступний крок його у науковому пошуку не менш важливий. Він першим приходить до переконання та доводить, що EDRF має пряме відношення до окису азоту. Коли автори відкриттів буквально наступають один одному на п'яти, дихають потилицю в гонці за пріоритетом, зазвичай враховується, чиї результати раніше побачили світ. Ванін, отримавши дані, що EDRF має відношення до окису азоту, в 1985 вирішив їх опублікувати в журналі "Бюлетень експериментальної біології та медицини", але надрукована стаття була тільки через три роки після подачі. Тут почав рости публікацій на цю тему в зарубіжних виданнях. Такі ж дані в 1986 отримали Форшготт і Ігнарро, а в 1987 - 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 побачили світ раніше, ніж оригінальна стаття Анатолія Федоровича.

Форшготт і Ванін, пройшовши кожен свою половину шляху, зустрілися 1989 року у Всесоюзному кардіологічному науковому центрі у Москві. Про що вони говорили тоді, зрозуміло: звичайно ж, про наукові плани, свої неймовірні здогади та сумніви. Їхнє спілкування продовжилося в Лондоні на 1-й конференції з біологічної ролі оксиду азоту і в наступному листуванні.

Авторитет Ваніна як основоположника нового наукового спрямування загальновизнаний. Але парадокс: головна наукова нагорода - Нобелівська премія обійшла його стороною. Незаслужено – це не те слово. Очевидно, вибір Нобелівського комітету який завжди ґрунтується на науковій значущості робіт. Велич Анатолія Федоровича в тому, що він не заперечував рішення комітету. А ми знаємо, що такі генії, як Ньютон та Лейбніц, заперечували один в одного наукові пріоритети. І це при тому, що про Ньютона говорили як про єдине смертне, що стало врівень з богами. Та й Лейбніц за заслуги перед людством також цілком може бути прирівняний до них. Тож навіть боги не завжди можуть поділити між собою пальму першості.

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

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

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