Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,829

НОВАЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ОКСИДА АЗОТА

Лохова С.С.
Экспериментально обосновывается концепция, что в основе так называемого цикла оксида азота лежит не механизм регенерации NO при восстановлении ионов нитрат/нитрит редуктазными системами, а диспропорционирование радикала NO, генерируемая NO-синтазами по механизму . Впервые показано, что в организме животных пиридин (Py) в комплексе состава неожиданно, в отличии от самого пиридинового основания, легко подвергаются фрагментации до α-кетоглутаровой кислоты и далее последний под действием аланинаминотрансферазы восстанавливается in vivo до L-глутаминовой кислоты – одного из основных субстратов цикла лимонной кислоты. Это позволяет понять механизм функционирования замкнутой цепочки запуска каскада метоболических и физиологических процессов в клетках живых организмов.

Оксид азота (NO) назван журналом «Science» молекулой 1992 года [1]. Это низкомолекулярное соединение, являющееся очень важным звеном в организме при запуске широкого спектра метаболических процессов, и сегодня, в начале XXI века, привлекает к себе большое внимание.

К настоящему времени накопилось такое огромное количество экспериментальных данных по метаболизму NO в организме [2,3], что они уже плохо вписываются в известные медико-биологические модели, в частности, в концепцию Реутова с колл.[3].

В настоящей работе приводится экспериментальное обоснование концепции, согласно которой в основе так называемого цикла оксида азота лежит не механизм регенерации NO при восстановлении ионов NO2¯/ NO3¯ нитритредуктазными системами, а реакция диспропорционирования радикала NO·, генерируемая NO-синтазами, по механизму (1).

NO·NO+NO2¯/NO3¯                                            (1)

Результаты и обсуждение

За последние годы концепция цикличности эндогенного оксида азота (NO) находит общебиологическое признание [4]. В соответствии с концепцией Реутова с колл. [3,4] под цикличностью NOподразумевается наличие в клетках животных NO-синтазного эндогенного пути синтеза NO, ионов NO2¯ и NO3¯ ферментным окислением L-аргинина (или другого субстрата) в присутствии супероксид-анион радикала •О2¯ и превращение указанных ионов (NO2¯, NO3¯) в NO с замыканием цикла при их восстановлении нитритредуктазными системами по цепочке метаболизма (2).

 NO(NO˙)NO2¯/NO3¯NO+продукты восстановления       (2)

Механизм замкнутости циклического пути метаболизма оксида азота (NO) по (2) требует определённых уточнений. Например, если принять NO-синтазный путь синтеза NO˙ окислительным, а нитритредуктазный-восстановительным, то оксид азота должен находиться в динамическом равновесии (3) вследствие эквивалентности их окислительных и восстановительных потенциалов (5,6).

NO+О2 NO2¯/NO3¯                                                                   (3)

NO+2H2O NO3¯ + 4H‾                             (4)

NO3¯ +4H+3ē NO+2H2O                                 (5)

Имеется в виду, что цепочка метаболических превращений по (2) замыкается в цикл восстановлением нитрит-/нитратредуктазными ферментами ионов NO2¯ и NO3¯ .

В то же время известно, что количество нитритов и нитратов, выводимых из организма, заметно больше, чем их число, поступившее в организм с пищей [7]. При низких концентрациях в газовой фазе NO практически не реагирует с О2. В условиях in vivo константа скорости убыли NO в реакции с кислородом составляет всего К=0,124 с‾1 [2].

NO + ½O2 → NO2

NO2+ NO → N2O3

                                                          N2O3+ H2O → 2NO+ 2H+                                      (6)

Стационарные концентрации NO(NO˙), продуцируемые in vivo NO-синтазами, крайне низкие 10-100 нм (10-100·10-9 моль) [2]. Из-за низких концентраций взаимодействие in vivo NO(NO˙) с О2по (6) практически не играет заметной физиологической роли.

С другой стороны, радикал оксида азота NO˙ (продукт генерации NO-синтазных ферментов) необратимо взаимодействует с супероксид-анион радикалом •О2¯ с образованием в основном цис-пероксинитрита с огромной скоростью 6,7·109 М-1 с-1, что в три раза превышает скорость реакции супероксиддисмутазы с супероксидом.

L-аргинин → NO˙+ цитруллин

NO˙ + •О2¯ → ONOO+H+            (7)

Образующаяся в реакции (7) молекула цис-пероксинитрит иона (ONOO‾) достаточно стабильная и не может служить источником генерации in vivo NO2¯/ NO3¯. Вследствие устойчивости этой молекулы она способна диффундировать на расстоянии в несколько диаметров клеточных тел.

Важную роль в соответствии с концепцией [7] в генерации NO по (1) при восстановлении в крови NO2¯/ NO3¯ нитрит-/нитратредуктазными системами играет дезоксигемоглобин (дезокси-НЬ), в миокарде и скелетных мышцах-(миоглобин МЬ), в тканях ,в митохондриях (цитохромоксидазами) , микросомах (цитохромом Р-450) [7,8].

Однако с учётом того, что при окислении дезоксигемоглобина (Ι) в миоглобин (ΙΙ) генерируется супероксид-анион радикал, а в митохондриальной дыхательной цепи генерируется значительное количество •О2¯ как в норме, так и в патологии, происходит запуск неферментативной реакции (9), а это ставит под сомнение утверждение ингибирования NO-синтазного механизма запуска метаболизма NO-цикла при ишемии/гипоксии.

NO2¯NO3¯

При введении цыплятам-бройлерам per os значительных доз азотнокислого натрия (NaNO2 или NaNO3) в условиях формирования хронической ишемии/гипоксии содержание компонентов красной крови обычно уменьшается, а содержание метгемоглобина сильно возрастает [Л.С.].

НЬ(Ι) + O2→ НЬO2(Fe+2)→MЬ(ΙΙ)+ •О2¯                           (8)

NO + •О2¯→ NO˙ + O2                                                         

NO˙ + •О2¯ → ONOO‾ + H+                                                 (9)

Однако из экспериментальных результатов по влиянию комплексных соединений соли цинка с пиридином или никотинамидом в различных модификациях с витамином С на гемотологические показатели цыплят-бройлеров следует, что концентрация эритроцитов и гемоглобина возрастает относительно нормы, а концентрация метгемоглобина существенно снижается [Л.С.].

Подобное разнохарактерное влияние ионов цинка на гемотологические показатели опытных и контрольных групп цыплят-бройлеров можно объяснить окислением пиридина в комплексе с сульфатом цинка до α-кетоглутаровой кислоты (рис.1).

В литературе [3] известны только несколько примеров деградации пиридина микроорганизмами, что свидетельствует о высокой химической инертности пиридиновых оснований. Окисление пиридина в животном организме ферментативными системами протекает с незначительной скоростью.

Нами впервые обнаружено окисление пиридина в животном организме (цыплята-бройлеры) до нетоксичного и биологически активного З-оксипиридина.

Вскармливание цыплят комплексом состава 2С5Н5N·ZnSO4 с дозой 0,3 г на 1 кг комбикорма до 60 дневного возраста показало (табл. 1), что к убойному сроку средняя живая масса бройлеров опытной группы на 11,1% выше, чем в группе вскормленных только сульфатом цинка (1921 г против 1728 г в контроле).

Поглощение в спиртовом экстракте мяса опытных цыплят в УФ области λmax 218-220 и 277-278 нм свидетельствует о наличии в экстракте окисленной формы пиридина. Эта область поглощения обычно приписывается З-оксипиридину. Методом ТСХ обнаружено, в сравнении со свидетелем, наличие З-оксипиридина в спиртовом растворе мяса животных, хотя возможно наличие и других окисленных производных пиридина. Усиление интенсивности роста массы цыплят ΙΙ опытной группы относительно массы цыплят контрольной группы, очевидно, объясняется способностью З-оксипиридина усиливать обменные процессы в организме.

Деградация пиридина в животном организме, по-видимому, протекает по следующей схеме (рис.1).

В организме животных аланинаминотрансфераза (АлАТ) катализирует обратимую реакцию переноса аминогруппы с аланина на α-кетоглутаровую кислоту [10].

Накопление в организме α-кетоглутаровой кислоты вследствие окисления пиридина в комплексе с сульфатом цинка (2Py·ZnSO4) сопровождается возрастанием концентрации L-глутаминовой кислоты-важного субстрата цикла лимонной кислоты.

А.


.

В.

                                                                                                                                               α-кетоглутаровая кислота            

Рис. 1. Схема фрагментации пиридина в комплексе

        

Увеличение концентрации этого субстрата сопровождается возрастанием в цикле лимонной кислоты синтеза АТР и значительным усилением метаболических процессов соответственно (рис. 1, табл. 1).

С другой стороны, α-кетоглутаровая кислота может служить исходным субстратом для генерации на этой структурной основе δ-аминолевулиновой кислоты, участвующей в синтезе протопорфирина.

В свою очередь протопорфирин, по-видимому, взаимодействует с ионом цинка (Zn+2) c образованием цинкосодержащего порфирина, на поверхности которого (Zn+2) происходит фиксирование и восстановление нитрит- и нитратредуктазами оксида азота NO˙ по известной схеме [7,8].

М, Р,Y- различные функциональные заместители

Выше указывалось что, NO-короткоживущая молекула, она стабилизируется посредством включения в динитрозольные комплексы железа с тиоловыми лигандами или в S-нитрозотиолы, которые в дальнейшем могут высвобождать NO˙ в зависимости от места локализации. По-видимому, этим и объясняется разный характер локализации нитратов и нитритов в органах и тканях подопытных цыплят (табл. 1).

Таблица 1. Влияние пиридина, комплекса пиридина с сульфатом цинка, сульфата цинка на сохранность (6) и прирост живой массы цыплят-бройлеров, г (Р ‹ 0,001)

Группы цыплят

Возраст цыплят (в днях) М± м

1

13

30

40

48

58

70

Ι среднееG%

42,0±2,3

150,0±4,3

98

500,0±17,5

89

740,0±15,2

78

847,2±17,5

76

1161,0±19,6

76

1736,0±22,1

74

ΙΙсреднееG%

40,0±3,1

150,0±4,5

98

506,0±16,4

93

840,0±18,3

76

875,9±16,8

77

122,0±18,5

73

1920,7±23,0

70

ΙΙΙсреднееG%

41,0±2,1

147,0±5,0

98

508,0±5,0

93

805,0±18,2

79

865,1±18,3

76

1179,8±19,5

76

1745,3±21,7

74

ΙVсреднееG%

40,0±3,4

147,0±4,7

98

475,0±15,0

90

757,0±16,5

83

815,9±18,8

82

1120,3±17,6

78

1373,7±22,3

78

VсреднееG%

40,0±2,5

138,0±4,4

100

500,0±16,3

96

773,0±17,6

84

941,4±17,1

84

1174,0±18,4

80

1728,3±21,5

80

среднееG%

40,0±2,8

115,0±4,5

90

430,0±15,4

75

721,0±18,0

65

822,3±16,9

65

1050,0±19,5

60

1386,7±21,7

60

Обозначения: Ι группа-контрольная, ΙΙ-VΙ группы- опытные. Животные вскармливались на обычном корме. Отличие составило то, что ΙΙ группе в корм вводилось 0,3 г комплекса 2Py·ZnSO4 на 1 кг корма, ΙΙΙ группе- 0,6 г 2Py·ZnSO4, ΙVгруппе- 0,9 г 2Py·ZnSO4, V группе-0,6 г ZnSO4 и VΙ группе-0,3 г пиридина (Py) на 1 кг корма. Количество цыплят в каждом опыте около 1000.

Тогда из приведённого выше экспериментального материала можно заключить, что ключевым моментом запуска по замкнутому циклу NO˙ является реакция диспропорционирования эндогенного NO˙ по цепочке.

NO˙ → NO + NO2¯/NO3¯ (больше)                                     (1)

Таким образом, наличие NO-синтазного механизма эндогенного синтеза NO˙ и частично ионов NO2¯/ NO3¯,а также нитрат -/нитритредуктазных систем и других низкомолекулярных соединений: витамина С и других, обеспечивающих восстановление NO2¯/ NO3¯ как в норме, так и в патологии в ферро-дезокси-и цинкгемосодержащих биоструктурных единицах создаёт условия для функционирования цепочки (1) по замкнутому циклу.

Материал и методы

Нами проведена серия научно-хозяйственных, физиологических и производственных экспериментов на цыплятах-бройлерах проса «Смена», «Белый леггорн», курах-несушках проса «Смена-2» и ремонтном молодняке в условиях птицефабрик «Северо-Осетинская» и «Владикавказская» РСО-Алании. В ходе эксперимента были поставлены 4 научно-хозяйственных, 2 физиологических и 1 производственный опыты. Были сформированы по 5 групп по 100 голов в каждой 43 цыплят-бройлеров, и ремонтного молодняка по 5 групп по 80 голов кур-несушек. Контрольная 1 группа получала основной рацион (ОР). Экспериментальные группы получали:

1 опытная ОР+0,5% цинкового комплекса пиридина

2 опытная ОР+0,5% никотината цинка

3 опытная ОР+0,5% цинкового комплекса пиридина +0,5% витамина С

4 опытная ОР+0,5% никотината цинка +0,5% витамина С.

В ходе эксперимента изучали следующие показатели: сохранность и оплату корма приростом, морфологический и биохимический состав крови, перевариваемость и использование питательных веществ рациона, морфологические и биохимические показатели яиц, морфологические и биохимические показатели органов и тканей, эколого-биохимические характеристики органов и тканей, экономическую эффективность.

Всего в Ι эксперименте 1400 голов.

Показатели крови по И. Кондрахину.

Щелочную фосфатазу по О. Bessey et.al. (1966).

ПОЛ и состояние антиоксидантной защиты в крови по Л.М. Двинской и Л.И. Никифоровой (1975).

Активность каталазы (М. А. Королюк и др. 1988).

Активность глутатионредуктазы (Д. Haferman et. аl. 1974).

Активность трансаминаз (аспаргат-и аланинтрансфераз по В.В. Меньшикову 1987).

Баланс азота, азотистых веществ по М.И. Дъякову (1959).

Глутаматдегидрогеназную активность по М. Balazs (1965).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Koshland D.E.//Science. 1992.vol. 258. с.1861

2. Роль оксида азота в норме и патологии. В журнале: Вестник Российской АМН, №4, 3-52 (2000)

3. Реутов В.П., Сорокина Е.Г., Косицын Н.С.//Усп. Современной биологии. 2005. 125. №1. с.41-65

4. Реутов В.П., Сорокина Е.Г., Охотин В.Е., Косицын Н.С. Циклические превращения оксида азота в организме млекопитающих. - М., 1997

5. Ванин А.Ф.//Вестник РАМН. 2000. №4. с.3-5

6. Викторов И.В.//Вестник РАМН. 2000. №4. с.5-10

7. Antonini E., Brunori M. Нemoglobin and Myoglobin in their Reactions with Ligands.- Amsterdam, 1991. с.5-10

8. Северина И.С., Буссыгина О.Г., Пятакова Н.В.//Вестник РАМН. 2000. №4. с.25-30

9. Коростелева Л.А., Кост А.Н., Воробъева Л.И., Модянова Л.В., Терентьев П.В., Куликов Н.С.//Прикладная биохимия и микробиология. 1981. 17(вып.3). с.380-388

10. Лохова С.С., Лохов А.Р. Материалы III Междунар. конф. «Экологически безопасные технологии в сельскохозяйственном производстве ХХI века». Владикавказ. 2000. с.449

11. Лохов А.Р. «Использование комплексных соединений цинка с пиридином и никотиновой кислотой и витамина С для устоксикации нитратов в организме цыплят-бройлеров». Дисс. канд.биол. наук. Владикавказ. 2002.


Библиографическая ссылка

Лохова С.С. НОВАЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ОКСИДА АЗОТА // Современные проблемы науки и образования. – 2008. – № 4.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=802 (дата обращения: 18.12.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252