Gazotransmitery w fizjologii i patologii układu krążenia Mariusz Sikora, Liana Puchalska

Klasyczne neurotransmitery syntetyzowany w neuronie magazynowany w pęcherzykach synaptycznych zakończenia neuronu uwolniony do szczeliny synaptycznej działa na receptor błony postsynaptycznej, prowadząc do jej hiperpolaryzacji lub depolaryzacji podany do szczeliny synaptycznej wywołuje taki sam efekt jak pobudzenie błony presynaptycznej efektywnie usuwany ze szczeliny synaptycznej Przykład: Ach NA 5-HT

nie są magazynowane w pęcherzykach synaptycznych Neurotransmitery nieklasyczne nie są magazynowane w pęcherzykach synaptycznych nie wiążą się z receptorami pre- i postsynaptycznymi (działają bezpośrednio na wtórne przekaźniki, enzymy) są wolniej rozkładane niż neurotransmitery klasyczne mogą dyfundować do sąsiadujących synaps, długotrwale modulując przekaźnictwo (transmisja objętościowa) Przykład: NO, CO, eikozanoidy

1987 – EDRF zidentyfikowany jako tlenek azotu NO (L.J. Ignarro) Odkrycie tlenku azotu (1) 1977 – F.Murad wykazał, że nitrogliceryna (oraz podobne leki nasercowe) powoduje wytwarzanie się tlenku azotu, co z kolei prowadzi do powiększenia średnicy naczyń krwionośnych i większego przepływu krwi 1980 – R.F.Furchgott stwierdził, że nieuszkodzony śródbłonek naczyń krwionośnych uwalnia pod wpływem Ach czynnik rozszerzający naczynia (endothelium-derived relaxing factor) 1987 – EDRF zidentyfikowany jako tlenek azotu NO (L.J. Ignarro)

Jedno z największych odkryć biologicznych XX wieku Odkrycie tlenku azotu (2) Jedno z największych odkryć biologicznych XX wieku 1998 – Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny Ferid Murad (ur. 1936) Robert F. Furchgott (ur. 1916) Louis J. Ignarro (ur. 1941)

NO w zakończeniu cholinergicznym

Napięcie ściany naczynia Odkrycie tlenku azotu (3) Dawka Ach (10n) Dawka Ach (10n) -9 -8 -7 -6 -5 -4 L-NAME -9 -8 -7 -6 -5 -4 Napięcie ściany naczynia Zapis wyników doświadczenia działania NO w tętnicy piersiowej wewnętrznej pod wpływem Ach Zahamowanie NOS przez L-NAME powoduje zwiększenie napięcia ściany naczynia (skurcz), a następnie znosi rozkurcz indukowany Ach

Odkrycie tlenku azotu (4) Efekt nadtlenku O2- produkowanego przez oksydazę ksantynową (XO) na aortę królika rozluźnioną działaniem Ach

dekarboksylaza ornityny Synteza tlenku azotu L-arginina mocznik arginaza N-hydroksyarginina ornityna NOS (1-3) dekarboksylaza ornityny NO cytrulina prolina poliaminy rozrost miocytów przebudowa ściany naczyniowej pobudzenie hamowanie

NO generują tylko po połączeniu w dimer Syntaza tlenku azotu – NOS NOS bardzo skomplikowane dioksygenazy NO generują tylko po połączeniu w dimer Do powstania dimeru konieczna jest L-arginina i BH4 O2 Ca2+-kalmodulina L-arginina oksydaza reduktaza L-cytrulina BH4 Fe NO Fe BH4 reduktaza oksydaza Ca2+-kalmodulina Fe hem BH4 tetrahydrobiopteryna NADPH/FMN/FAD

Izoformy syntazy tlenku azotu (NO): NOS-1 (nNOS) NOS-3 (eNOS) Izoenzymy NOS (1) Izoformy syntazy tlenku azotu (NO): NOS-1 (nNOS) NOS-3 (eNOS) NOS-2 (iNOS) konstytutywne, wymagające jonów Ca2+ indukowana, niezależna od jonów Ca2+, ale wymagająca aktywacji immunologicznej Wszystkie izoformy NOS są kompetytywnie hamowane przez analogi L-argininy, takie jak: L-NG-monometyloarginina (L-NMMA), L-NG-nitroarginina (L-NNA) oraz jej metylowy ester (L-NAME)

Znaczenie patogenne wraz z iNOS w przebiegu udaru mózgu Neuronalna NOS Ulega aktywacji, gdy zwiększa się stężenie jonów wapnia (np. w wyniku pobudzenia przez kwas glutaminowy receptorów NMDA i otwarcia kanałów wapniowych) Neurony NMDA, zakończenia nerwów autonomicznych (NANC) oskrzelach, sercu i ciałach jamistych Ekspresja tkankowa: mięśnie szkieletowe, kardiomiocyty, VSMC, neutrofile Gen NOS1 – 12q24.2-31 Znaczenie patogenne wraz z iNOS w przebiegu udaru mózgu

Endotelialna NOS Wykryta w śródbłonku, kardiomiocytach, płytkach krwi, neuronach i monocytach Gen kodujący NOS3 7q35-36 Aktywność regulowana jonami wapnia (zwiększenie stężenia pod wpływem napięcia ścinającego lub związków naczynioaktywnych) Substancje wywierające efekt naczyniorozszerzajacy za pośrednictwem tlenku azotu (NO) działając na swoiste receptory komórek śródbłonka: Ach (M1, M3), NA (α2), ET (ETB), histamina (H1), serotonina (5-HT1), bradykinina (B2), wazopresyna (V1), SP (NK-1), ATP (P2y), PAF, trombina Po zniszczeniu śródbłonka substancje te zwężają naczynia działając bezpośrednio na receptory miocytów

Makrofagi, neutrofile, komórki Browicza – Kupfera, monocyty Indukowalna NOS Indukcja w wyniku działania czynników prozapalnych: IFN-γ, TNF-α, IL – 1, LPS (regulacja na poziomie transkrypcji) Makrofagi, neutrofile, komórki Browicza – Kupfera, monocyty Poza komórkami układu immunologicznego również w śródbłonku, mięśniach gładkich, fibroblastach, astrocytach Gen kodujący – NOS2 17q11.2-12 Patogeneza ostrych odczynów zapalnych i alergicznych, wstrząsu septycznego

Izoenzymy NOS (2) Porównywana cecha Śródbłonkowa syntaza tlenku azotu eNOS Neuronalna syntaza tlenku azotu nNOS Indukowalna syntaza tlenku azotu iNOS Wykryta Komórki śródbłonka Neurony NMDA Nerwy NANC Makrofagi Ekspresja tkankowa Kardiomiocyty, neurony, monocyty Mięśnie szkieletowe, kardiomiocyty, VSMC, neutrofile Kardiomiocyty, glej, VSMC, śródbłonek, neurony Gen kodujący NOS3 Chromosom 7 NOS1 Chromosom 12 NOS2 Chromosom 17 Mechanizm regulacji Ca2+-zależny (Ca-kalmodulina) Ca2+-zależny (Ca-dystrofina) Ca2+-niezależny Lokalizacja w komórce Układ Golgiego, błona cytoplazmatyczna, kaweole Cytozol, ER, błona komórkowa, ziarnistości, kaweole Fagosomy

Bardzo nietrwały – ulega przekształceniu w azotyny Właściwości tlenku azotu Bardzo nietrwały – ulega przekształceniu w azotyny W obecności anionów ponadtlenkowych może przekształcić się w peroksyazotyn NO jestwychwytywany i unieczynniany przez hemoglobinę oraz kompleks haptoglobina - hemoglobina O N W organizmie NO może być wiązany w postaci S-nitrozocysteiny lub nitrozoglutationu, skąd powoli się uwalniają

↑ cGMP Mechanizm działania (1) cyklaza guanilanowa (CG) NO HEM fosforylacja lekkich łańcuchów miozyny pobieranie Ca2+ do magazynów komórki KATP i KCa2+ hiperpolaryzacja i rozkurcz mięśni gładkich

Mechanizm działania (2)

Działanie tlenku azotu (1)

Układ krążenia Działanie tlenku azotu (2) NO jest stale syntetyzowany, wydzielany i tonicznie zmniejsza napięcie mięśni gładkich ściany naczyń 1. Lokalna regulacja oporu naczyniowego a) bezpośrednie działanie naczyniorozszerzające b) hamowanie wydzielania ET - 1 c) hamowanie agregacji i adhezji płytek krwi (działa synergistycznie z PGI2) 2. Regulacja napięcia neurogennego a) działanie antagonistyczne w stosunku do NA b) włókna nitrergiczne (serce, oskrzela, ciała jamiste)

Układ krążenia Działanie tlenku azotu (3) 3. Modulacja ośrodkowej regulacji układu krążenia a) hamowanie aktywności układu współczulnego b) hamowanie pobudliwości zakończeń baroreceptorów c) nasilenie aktywności nerwu błędnego d) hamowanie uwalniania i ośrodkowego działania wazopresyny 4. Działanie przeciwmiażdżycowe a) hamowanie agregacji i adhezji płytek krwi b) hamowanie proliferacji fibroblastów i komórek mięśni gładkich c) zmniejszenie peroksydacji lipidów d) działanie przeciwzapalne

Układ nerwowy Układ immunologiczny Nerki Działanie tlenku azotu (4) Układ nerwowy 1. LTP, LTD (rec. NMDA) 2. Mechanizmy czucia bólu 3. Modulacja ośrodkowej regulacji ciśnienia tętniczego 4. Regulacja uwalniania neuroprzekaźników 5. Neurotoksyczność Układ immunologiczny 1. Odporność przeciwzakaźna Nerki 1. Równowaga kłębuszkowo – kanalikowa (powstawanie diurezy presyjnej)

Powstawanie i mechanizm działania tlenku węgla

Porównanie NO i CO Porównywana cecha NO CO Synteza Z L-argininy przez syntazę tlenku azotu (eNOS, iNOS, nNOS) W reakcji utleniania hemu do biliwerdyny przez oksygenazę hemową (HO-1, HO-2, HO-3) Mechanizm działania Aktywacja cyklazy guanylanowej i zwiększenie cGMP Nitrozylacja grup sulfhydrylowoch białek Aktywacja cytoplazmatycznej cyklazy guanylanowej (100 x słabiej) Modyfikacja aktywności hemoprotein Metabolizm Wolny rodnik – niski okres półtrwania Związek stabilny

Stymulacja proliferacji komórek śródbłonka Działanie tlenku węgla w układzie krążenia Rozszerzenie naczyń Stymulacja proliferacji komórek śródbłonka Hamowanie proliferacji komórek mięśniowych Hamowanie wydzielania czynników wzrostowych Hamowanie agregacji płytek Ośrodkowe działanie depresyjne

Siarkowodór – nowy transmiter Najnowsze badania sugerują, że siarkowodór jest kolejnym nieorganicznym gazem pełniącym rolę mediatora Spełnia najważniejsze kryteria charakteryzujące przekaźniki: syntetyzowany jest endogennie w regulowanych enzymatycznie reakcjach oraz wykazuje specyficzne działania biologiczne w stężeniach fizjologicznych Wiele wcześniejszych badań dotyczyło działania toksycznego siarkowodoru, nie zwracając uwagi na jego rolę jako mediatora. Jednakże toksyczne stężenie H2S jest tylko dwukrotnie większe od fizjologicznego (szczególnie w OUN)

S H H Siarkowodór – nowy transmiter W warunkach fizjologicznych (roztwory wodne o pH zbliżonym do 7,4 około 1/3 H2S występuje w postaci niezdysocjowanej, a 2/3 dysocjuje na jony H+ i HS- Niezdysocjowany H2S jest związkiem lipofilnym i łatwo przenika przez błony komórkowe Okres półtrwania in vivo wynosi kilka minut (NO – poniżej 10 sekund) W mitochondriach utleniany do tiosiarczanu wydalanego następnie z moczem Stężenie w osoczu i większości tkanek 50μM, natomiast w mózgu 150 μM S H H

Synteza siarkowodoru Synteza siarkowodoru odbywa się zarówno w układzie krążenia jak i OUN W powstawaniu H2S uczestniczą dwa enzymy, których kofaktorem jest fosforan pirydoksalu (pochodna witaminy B6) β – syntaza cystationiny CBS γ – liaza cystationiny CSE Obecność CBS i CSE udowodniono w: OUN Nerkach Wątrobie Naczyniach krwionośnych metionina SAM Syntaza metioniny SAH homocysteina + seryna CBS cystationina + H2O CSE L-cysteina + kwas ketomasłowy + NH4+ CBS lub CSE H2S + mleczan + NH3

Hamowanie kurczliwości mięśnia sercowego Działanie siarkowodoru Obniżenie ciśnienia tętniczego (aktywacja KATP w komórkach mięśniówki naczyń) Hamowanie kurczliwości mięśnia sercowego Aktywacja receptorów NMDA w mózgu Hamowanie wydzielania CRH przez podwzgórze Działanie antyaterogenne Mediator zapalenia

Dziękuję za uwagę!