Bezbarvý plyn – oxid dusíku – byl vždy považován za škodlivý pro lidský organismus. Inženýři vyvíjejí pokročilejší spalovací motory, které v menší míře znečišťují atmosféru oxidem dusíku, a navrhují systémy pro regeneraci oxidu dusíku na další látky. Ale na konci minulého století vědci nečekaně zjistili, že oxid dusnatý je přítomen v každém živém organismu v poměrně vysokých koncentracích. A není jen přítomen, ale řídí nejdůležitější fyziologické procesy.
Profesor Anatolij Fedorovič Vanin, který jako první objevil radikály oxidu dusnatého v živých buňkách, hovoří s laureátem Nobelovy ceny Robertem Forschgottem, který jako první popsal jev způsobený působením oxidu dusnatého. Moskva, 1989.
Elektronický vzorec oxidu dusnatého (NO).
Věda a život // Ilustrace
Schéma fyziologických účinků oxidu dusnatého na cévní tonus.
Oxid dusnatý (chemický název – oxid dusnatý) je novou „vodící hvězdou“ v medicíně, udávající směr hledání léků proti mnoha nemocem. Přesně to si nyní myslí většina výzkumníků.
Lavinový nárůst počtu publikací o úloze oxidu dusnatého v biologických objektech vedl k tomu, že American Association for the Advancement of Science a autoritativní vědecký časopis Science označily v roce 1992 oxid dusnatý za molekulu roku.
Co diktuje tento neustále rostoucí vědecký zájem o oxid dusnatý?
Ukázalo se, že oxid dusnatý řídí intracelulární i mezibuněčné procesy v živé buňce. Mnoho onemocnění – hypertenze, ischemie myokardu, trombóza, rakovina – je způsobeno narušením fyziologických procesů, které jsou regulovány oxidem dusnatým. Právě z tohoto důvodu je oxid dusnatý velmi zajímavý pro biology a lékaře různých specializací.
Neurofyziologové a neurochemici se zajímají o oxid dusnatý, protože řídí nejdůležitější procesy probíhající v nervovém systému. Vyšší nervová aktivita člověka je z velké části dána průchodem vzruchu z jedné nervové buňky (neuronu) do druhé – tzv. synaptický přenos. Pokusíme-li se tento proces ve zkratce popsat, lze říci, že při průchodu nervového vzruchu z konce jednoho neuronu se „uvolní“ molekula signální látky – neurotransmiteru (například acetylcholin, glutamát), která je „zachycen“ speciálním proteinem (receptorem) na membráně nervového zakončení jiného neuronu. Pak složitý řetězec biochemických a elektrochemických reakcí zajišťuje průchod nervového vzruchu tímto neuronem. Když signál dorazí k nervovému zakončení, opět se z něj uvolní molekula neurotransmiteru a tak dále. Ukázalo se, že oxid dusnatý při synaptickém přenosu aktivuje proces uvolňování neurotransmiterů z nervových zakončení. Navíc samotná molekula oxidu dusnatého může hrát roli neurotransmiteru, tedy přímo přenášet signál z jedné nervové buňky do druhé. Není divu, že oxid dusnatý je přítomen ve všech částech lidského mozku: v hypotalamu, středním mozku, kůře, hipokampu, prodloužené míše atd.
V duševní činnosti je tedy oxid dusnatý přímým účastníkem i nepřímým regulátorem. Pokud jde o tělesnou existenci, její role zde není o nic menší.
Kardiologové a specialisté, kteří studují oběhový systém, se zajímají o oxid dusnatý, protože reguluje relaxaci hladkého svalstva cév a syntézu takzvaných „proteinů tepelného šoku“, které „chrání“ krevní cévy při ischemické chorobě srdeční.
O oxid dusnatý se hematologové zajímají kvůli tomu, že inhibuje agregaci krevních destiček (slepování), ovlivňuje transport kyslíku červenými krvinkami a také reakce zahrnující chemicky aktivní molekuly (volné radikály) v krvi.
Imunologové se o oxid dusnatý zajímají, protože aktivace buněk zapojených do imunitní odpovědi – makrofágů a neutrofilů – je doprovázena uvolňováním oxidu dusnatého těmito buňkami.
Onkologové projevují zvýšený zájem o oxid dusnatý kvůli jeho podezření na podíl na vzniku zhoubných nádorů.
Fyziologové zabývající se regulací metabolismu voda-sůl v těle a nefrologové se zajímají o oxid dusnatý z toho důvodu, že reguluje průtok krve ledvinami a metabolismus solí v renálních tubulech.
Ani intimní život bez oxidu dusnatého je nemožný – jeho uvolňování podporuje erekci.
Ale to není všechno. V posledních letech exponenciálně roste tok informací o vlivu oxidu dusnatého na fungování genomu.
Osud člověka je dán jeho chováním a charakterem, které jsou zase ovlivněny stavem jeho duše a těla. To znamená, že lidský osud je v určitém smyslu spojen s oxidem dusnatým.
Co je molekula oxidu dusnatého?
Je známo, že když je v elektronické rodině molekuly elektron bez svého páru, to znamená, že pro něj neexistuje žádný partner, celá rodina zažívá úzkost a projevuje zvýšenou agresivitu vůči jiným sloučeninám, snaží se někoho najít a odebrat. jinému chybějící elektron. Sloučeniny, které mají nepárový elektron, se nazývají radikály. Radikály jsou obvykle nestabilní a objevují se v mezistupních chemických reakcí.
Oxid dusnatý díky přítomnosti nepárového elektronu ve své elektronové struktuře patří do kategorie radikálů, a proto jako všechny radikály usiluje o „nalezení“ chybějícího elektronu a vytvoření nového elektronového páru. Když se to podaří, vytvoří se molekula NO _ – nitroxidový anion. Častěji než ne, není možné získat chybějící elektron jeho odebráním jiné molekule bez „války“. V důsledku toho dochází k široké škále reakčních procesů, během kterých může oxid dusnatý procházet různými přeměnami.
Oxid dusnatý by se neměl zaměňovat s oxidem dusným (jeho chemický vzorec je N2O), rovněž bezbarvý plyn nasládlé chuti, jehož krátkodobé vdechování vyvolává příznaky hysterie a velké množství působí vzrušivě na nervovou soustavu a vyvolává stav podobný opilosti. Z tohoto důvodu se oxid dusný nazývá „smějícím se plynem“. Dlouhodobé vdechování „smějícího se plynu“ vede k otupení citlivosti na bolest a ztrátě vědomí, v důsledku čehož ve směsi s kyslíkem (80 % N2o + 20 % O2) někdy se používá k anestezii.
Oxid dusnatý sám o sobě takové účinky nezpůsobuje. Ale oxid dusný vstupující do určitých částí mozku je tam chemicky zničen za vzniku oxidu dusnatého, jehož působení na nervové buňky určuje účinky způsobené vdechováním oxidu dusného. Alkohol také ovlivňuje mozkové buňky nepřímo prostřednictvím oxidu dusnatého.
Za rozvoj problému oxidu dusnatého v biologii a medicíně byla řadě vědců udělena v roce 1998 Nobelova cena za fyziologii a medicínu. Přesné znění zní: “Nobelova cena za fyziologii a medicínu byla udělena za objev úlohy oxidu dusnatého jako signální molekuly v kardiovaskulárním systému.” Američtí vědci Robert Forschgott, Ferid Murad a Louis Ignarro se stali laureáty Nobelovy ceny.
Vše začalo objevem, jehož výsledky publikoval v roce 1955 Robert Forschgott. Vědec, který prováděl fyziologické experimenty s krevními cévami, objevil relaxační účinek světla na aortu králíka. Toto záhadné chování aorty v reakci na působení světla se později stalo předmětem velké pozornosti jeho i dalších badatelů. Lze mít za to, že šlo o jakési východisko pro nový obor biologických věd.
Další krok u nás udělal muž, který učinil objev, který se stal milníkem v pochopení role oxidu dusnatého v biologii a medicíně. Toto je profesor, doktor biologických věd Anatolij Fedorovič Vanin, vedoucí laboratoře Ústavu chemické fyziky Ruské akademie věd.
V roce 1965 publikoval časopis Biophysics jeho krátký, ale, jak se později ukázalo, nesmírně důležitý článek s názvem „Nový typ volných radikálů v kvasinkových buňkách“. Uvádělo, že radikály neznámé povahy byly objeveny v biologických objektech, které dosud nikdo na světě nepozoroval. Naše země byla tehdy „před ostatními“ ve vývoji zařízení pro detekci radikálů na základě fenoménu elektronové paramagnetické rezonance (EPR). Přístroje a prostředky pro detekci radikálů, které fungují na jejím základě, se nazývají rádiové spektrometry. Právě těmito přístroji byla vybavena laboratoř, kde pracoval Anatolij Fedorovič, který je dnes považován za jednu z uznávaných autorit v oblasti EPR spektroskopie.
Fenomén EPR objevil v roce 1944 profesor Kazaňské univerzity E.K. Zavoisky. Podstata tohoto jevu je spojena se schopností radikálů umístěných v magnetickém poli selektivně absorbovat energii rádiových vln.
Neznámá radikální látka byla nejprve objevena v kulturách kvasinek a poté v živočišných buňkách. Bylo jasné, že byla objevena nová látka, která je přítomna ve všech živých buňkách.
Práce Forschgotta a Vanina nastolila nový vědecký směr. Nyní vědci pochopili, že neznámé radikály objevené Anatolijem Fedorovičem nejsou nic jiného než molekuly oxidu dusnatého. Ale v té době se ještě muselo udělat hodně složitého výzkumu, aby se zjistilo, které radikály daly neobvyklý signál ESR. Jedna věc byla jasná už tehdy: tito radikálové jsou vědě neznámí. Roky tvrdé práce umožnily Vaninovi učinit druhý objev. Dokázal, že oxid dusnatý dává signály, nikoli sám, ale v kombinaci s ionty železa a proteiny obsahujícími sulfhydrylové skupiny. Nyní se nazývají “dinitrosylové komplexy”.
Jaká je role komplexu oxid dusnatý-protein v živé buňce? Vanin a další výzkumníci, kteří se připojili ke studiu problému, zaměřili svou pozornost na tuto problematiku.
R. Forschgott mezitím pokračoval ve studiu podstaty jevu, který objevil. V roce 1961 publikoval přehledový článek, ve kterém znovu upozornil na problematiku relaxačního účinku viditelného světla na cévy. Výsledkem výzkumu, který trval čtvrt století, byl Forschgott v roce 1980 objev neznámé fyziologicky aktivní látky – endoteliálního vaskulárního relaxačního faktoru (EDRF).
Forschgott zjistil, že acetylcholin, který je jedním z neurotransmiterů nervového systému, obvykle způsobuje stlačení krevních cév, ale v některých experimentech je nějak uvolňuje. Při analýze těchto experimentů si Forschgott všiml, že relaxační účinek acetylcholinu na krevní cévy byl pozorován pouze v případech, kdy byly špatně očištěny od endoteliálních buněk lemujících vnitřní povrch cév. Forschgott uhodl, že to byla přítomnost endotelu, která zvrátila fyziologický účinek acetylcholinu. Po řadě důmyslných experimentů nebylo pochyb: byl učiněn objev. Tak byl objeven endoteliální vaskulární relaxační faktor (EDRF). Tento vědecký úspěch získal širokou veřejnost ohlas a vzrušil celý vědecký svět. Většina vědců si okamžitě uvědomila, jak je důležitý pro fyziologii, patofyziologii a praktickou medicínu.
V roce 1991 Forschgott publikoval sérii článků, ve kterých dokládá tvrzení, že EDRF není nic jiného než molekula oxidu dusnatého. To znamená, že vlivem acetylcholinu se z endotelu cév uvolňuje oxid dusnatý, který se pak dostává do vrstvy svalových buněk. A právě molekula oxidu dusnatého má relaxační účinek na stěny cév. Co se děje pod vlivem světla? Proč také způsobuje relaxaci cév? Podle všeho se vlivem světelného záření uvolňuje stejný oxid dusíku, který (jak ukázal Vanin) existuje ve formě dinitrosylového komplexu s proteiny.
Forschgott jako fyziologický vědec šel ve svém vědeckém výzkumu od jevů (fyziologie) k jejich mechanismům. Toto je cesta od složitého k jednoduchému. Pro Vanina jako biofyzika a biochemika byla přirozenější cesta od jednoduchého ke složitému, od faktu k jeho roli a významu. Vanin začal objevem existence radikální látky v živých objektech a začal studovat, o jaký druh molekuly se jedná a jaké funkce plní.
Forschgott jako první na světě popsal jev způsobený působením oxidu dusnatého – uvolnění cév. Vanin objevil přítomnost neznámé látky v živé hmotě. V dalším bádání se pohybovali k sobě a rychle se přibližovali. Jako by si stanovili dva milníky, mezi nimiž probíhala neviditelná spojovací nit.
Výsledky výzkumu na sebe nenechaly dlouho čekat. Brzy bude zaznamenán další důležitý milník. Předložil jej americký vědec Ferid Murad poté, co v polovině 70. let učinil důležitý objev týkající se guanylátcyklázy. Guanylátcykláza je jedním z klíčových enzymů, které řídí život buněk. Mured ukázal, že guanylátcykláza je aktivována působením nitro- a nitrososloučenin. Murad vyjadřuje myšlenku, že aktivní aktivní složkou těchto sloučenin nejsou samy o sobě, ale z nich uvolněný oxid dusnatý, a experimentálně to potvrzuje.
Současně Vanin studoval biologický účinek dinitrosylových komplexů železa a ukázal, že mají silný hypotenzní účinek – uvolňují krevní cévy.
Vanin také navrhl metodu pro detekci oxidu dusnatého v orgánech a tkáních, která se rozšířila. Neméně důležitý je jeho další krok ve vědeckém bádání. Je první, kdo došel k závěru a zdůvodnil, že EDRF přímo souvisí s oxidem dusnatým. Když si autoři objevů doslova šlapou na paty a dýchají si na záda v závodě o přednost, většinou se bere v úvahu, čí výsledky byly zveřejněny jako první. Vanin, který obdržel data, že EDRF souvisí s oxidem dusnatým, se rozhodl je publikovat v roce 1985 v časopise Bulletin of Experimental Biology and Medicine, ale článek byl publikován pouze tři roky po předložení. Zde začala narůstat vlna publikací na toto téma v zahraničních publikacích. Stejná data získali v roce 1986 Forschgott a Ignarro a v roce 1987 Salvador Moncada. Ten přesvědčivě ukázal, že EDRF obsahuje oxid dusnatý, a okamžitě publikoval svá data v mezinárodním vědeckém časopise Nature. Všechny tyto publikace byly publikovány dříve než původní článek Anatolije Fedoroviče.
Forschgott a Vanin, kteří každý dokončili svou polovinu cesty, se setkali v roce 1989 v All-Union Cardiology Research Center v Moskvě. O čem tehdy mluvili, je jasné: samozřejmě o vědeckých plánech, jejich neuvěřitelných dohadech a pochybnostech. Jejich komunikace pokračovala v Londýně na 1. konferenci o biologické úloze oxidu dusnatého a v následné korespondenci.
Vaninova autorita jako zakladatele nového vědeckého směru je všeobecně uznávána. Ale tady je paradox: hlavní vědecká cena, Nobelova cena, ho minula. Nezaslouženě není to správné slovo. Volba Nobelova výboru zjevně není vždy založena na vědeckém významu díla. Velikost Anatolije Fedoroviče spočívá v tom, že nezpochybnil rozhodnutí výboru. A víme, že takoví géniové jako Newton a Leibniz si navzájem zpochybňovali vědecké priority. A to i přesto, že se o Newtonovi mluvilo jako o jediném smrtelníkovi, který stál na stejné úrovni s bohy. A Leibniz za jeho služby lidstvu lze s nimi také srovnat. Takže ani bohové si nemohou vždy rozdělit dlaň mezi sebou.
Ale vědci, kterým byla udělena Nobelova cena (nezapomeňte, že jde o Forschgotta, Murada a Ignarra), jsou skutečně skvělí vědci a bezesporu si zasloužili tak vysoké uznání. Přesto lze konstatovat, že jedna z hlavních postav příběhu o oxidu dusnatém byla ze seznamu prostě odškrtnuta.
Možná někdo nebude souhlasit se vším o historii objevu působení oxidu dusnatého – není se čemu divit: logiku výzkumu a roli každého z předních vědců, kteří toto téma rozvíjeli, může každý vidět jinak. Ale sotva někdo bude pochybovat nebo zpochybňovat, že to všechno začalo zásadními objevy Forschgotta a Vanina. Byli průkopníky při stanovení komplexní role oxidu dusnatého v živé přírodě.
Kde jsou váhy, na kterých by se dalo objektivně zvážit uznání zásluh vědce, aby ho za ně spravedlivě odměnil?