W artykule przedstawiono aktualne poglądy na temat występowania w ustroju tlenku azotu i jego udziału w reakcjach zarówno adaptacyjnych, jak i patologicznych, w warunkach ostrego niedotlenienia wysokościowego

Tlenek azotu uwalniany z komórek śródbłonka jest czynnikiem, który może uczestniczyć w mechanizmach obronnych ustroju i być również cząsteczką szkodliwą. W warunkach niedotlenienia, jak również i reoksygenacji, tlenek azotu poprawia przepływ krwi przez mózg, stymuluje szybkość przepływu krwinek w kapilarach, która ma podstawowe znaczenie w dostawie tlenu do tkanek. Tlenek azotu jest jednak również mediatorem w procesach cy to toksycznych, ma zdolność do tworzenia wolnych rodników i w nich właśnie dostrzega się przyczynę powstawania zmian patologicznych, między innymi w postaci uszkodzenia śródbłonka naczyń mózgowych. Tlenek azotu może też zaburzyć metabolizm energetyczny w komórkach i hamować syntezę DNA w jądrze komórkowym.

 

Tlenek azotu w ustroju w warunkach ostrej hipoksji

 


Ustrój człowieka, w środowisku gdzie ciśnienie parcjalne tlenu obniża się do poziomu, w którym występuje ostre niedotlenienie wysokościowe, mimo sprawnych procesów adaptacyjnych, narażony jest na powstanie w nim zjawisk patologicznych. Jednym ze związków, który odgrywa w tych warunkach ważną i nie do końca poznaną rolę, jest tlenek azotu [6, 12, 19, 22, 26. 27, 28}. Jak wynika z aktualnych badań, związek ten nie można jednoznacznie przypisać do grupy wywierający korzystny, czy też cytotoksyczny wpływ, dotyczy to zwłaszcza środowiska z obniżonym ciśnieniem parcjalnym tlenu niezależnie od wielkości jego niedoboru. Tlenek azotu w ustroju działa, w tych warunkach, najczęściej w obie strony. Współcześnie przyjmuje się, że występujące w ustroju, w wyniku niedotlenienia, zmiany czynnościowe, a nawet patologiczne, niezależnie od jego rodzaju: czy to hipoksja hipoksyjna, asfiksyjna, ischemiczna (krążeniowa), histotoksyczna, czy też hipermetaboliczna, zależą od wielu czynników przebiegających w wielu złożonych procesach, ale ważną rolę w nich odgrywa tlenek azotu [7, 8, 22, 27]. Wieloletnie badania nad tlenkiem azotu, jako substancji sygnałowej w komórkach, zaowocowały zresztą przyznaniem w 1998 roku Nagrody Nobla - R.F. Furgchottowi, L. Ignarro i F. Muradowi.

Tlenek azotu jest związkiem bardzo nietrwałym. Może reagować z tlenem cząstkowym tworząc dwutlenek azotu, który następnie w reakcji z wodą ulega przemianom do azotynów i azotanów. W układzie krwionośnym azotyny reagują z oksyhemoglobiną, dając methemoglobinę i azotany [19, 28]. Tlenek azotu zaś, w związkach z niehemowym żelazem, może blokować metabolizm tlenowy komórki.


W warunkach zaburzonej dostawy tlenu do tkanek występuje dysfunkcja bariery krew-mózg (utrudnienie wymiany między krwią i mózgiem dwutlenku węgla, wody, glukozy, aminokwasów itp.), powodująca wzrost syntezy tlenku azotu, ocenianego tutaj jako jednego ze związków biorących udział w reakcjach obronnych ustroju [13, 22, 27]. Uważa się również, że tlenek azotu nie tylko podczas niedotlenienia, lecz i w warunkach stresu oksydacyjnego, następującego po hipoksji, poprawia przepływ krwi przez mózg, zapobiegając agregacji krwinek białych i płytek krwi [13]. Działalność ta jest oceniana również pozytywnie, zwłaszcza w medycynie lotniczej, jednak nie można zapominać, że masowa synteza tlenku może być szkodliwa, a nawet toksyczna.


Uwalniany z komórek śródbłonka tlenek azotu nie modyfikuje metabolizmu swojej komórki macierzystej, ale wydostaje się z niej i działa na komórki znajdujące się w jej najbliższym otoczeniu. Istnieją więc związki (uważa się, że głównie nitrozotiole) transportujące tlenek azotu, przedłużające jego istnienie w układach biologicznych i dostarczające go do odpowiednich efektorów [22, 28]. Jak podaje W. Traczyk i A.Trzebski [27] według teorii Stamlera w krążeniu płucnym tlenek azotu łączy się jako FeNO z żelazem hemu oksyhemoglobiny oraz grupami tiolowymi SH cysteiny łańcuchów aminokwasowych β-globiny, tworząc związki nitro- zotiolowe.


Tlenek azotu jest również mediatorem w procesach cytotoksycznych. Cytotok- syczne działanie tlenku azotu opiera się głównie na jego zdolności do tworzenia wolnych rodników. Ustrój ludzki posiada jednak silną broń przeciwko wolnym rodnikom - przeciwutleniacze. Do najważniejszych zaliczamy witaminę E, zwłaszcza w postaci α-tokoferolu, i witaminę C. Wymienione przeciwutleniacze uczestniczą w reakcjach reaktywnych form tlenu powstałych w procesach metabolicznych, z biologicznie ważnymi związkami, współdziałają z antyoksydantami endogennymi (glutation), chroniąc ustrój przed uszkodzeniami wolnorodnikowymi [15, 24]. W warunkach patologicznych, jakim jest działanie na ustrój ostrego niedotlenienia wysokościowego, broń ta nie jest jednak skuteczna i zdolność tlenku azotu do tworzenia wolnych rodników w znacznym stopniu zostaje zachowana [2].


W warunkach ostrego niedotlenienia wolne rodniki biorą udział w procesach cytotoksycznych i dzięki temu działanie tlenku azotu nie ogranicza się do kilku sekund (1-6 s.) jego istnienia, ale właśnie przez wolne rodniki długotrwale modyfikuje wiele zmian czynnościowych ustroju [22]. Nie należy jednak przy tym zapominać, że i wtedy ustrój jest w pewnym stopniu chroniony, gdyż jedna z grup enzymów uczestniczących w utlenianiu i redukcji (grupa oksydoreduktaz) - peroksydazy - chronią również ustrój przed uszkodzeniem przez wolne rodniki [6].


W przypadku złej tolerancji ostrego niedotlenienia wysokościowego, rutynowym działaniem jest podanie do oddychania czystego tlenu (zwykle pod ciśnieniem powietrza otaczającego). Wiele reakcji istotnych dla życia i funkcjonowania ustroju zaczyna wtedy przebiegać normalnie i ogólnie uznaje się, że zagrożenie mija [5, 8, 26]. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że podanie tlenu, po okresie działania na ustrój hipoksji, jest szczególnie niebezpieczne dla mózgu, co powinno być specjalnie brane pod uwagę przy oznaczaniu tzw. czasu rezerwowego u pilotów, a więc w warunkach, kiedy człowiek poddany jest działaniu ostrego niedotlenienia wysokościowego [8, 9, 23].


Nagłe podanie do oddychania czystego tlenu może wtedy spowodować wystąpienie nieoczekiwanego zjawiska zwanego paradoksem tlenowym. Po założeniu maski tlenowej i oddychaniu tlenem można wtedy zaobserwować nie poprawę, lecz trwające przez pewien czas pogłębianie się objawów złej tolerancji hipoksji przez ustrój. Hiperoksja, jaką jest podanie do oddychania czystego tlenu, zmniejsza toniczne pobudzenie chemoreceptorów (lub nawet je znosi), usuwa pobudzający wpływ ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej i osłabia wpływ ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla na chemoreceptory kłębków szyjnych [25, 27], Chwilowy spadek wentylacji spoczynkowej płuc może się, w takich warunkach, zmniejszyć nawet o 15-20%. Ten procentowy udział w wentylacji spoczynkowej płuc wybitnie wzrasta właśnie wtedy, kiedy podano tlen osobie przebywającej w warunkach działania ostrej hipoksji hipoksyjnej [4, 27].


Przywrócony dostęp tlenu, który ma znieść lub złagodzić skutki złej tolerancji hipoksji, stymuluje również syntezę bardzo dużych ilości wolnych rodników. Działanie w tych warunkach przeciwutleniaczy, peroksyazotyn itp. może się okazać niewystarczająca. Właśnie w syntezie bardzo dużej ilości wolnych rodników (cytotoksyczne działanie tlenku azotu) upatruje się przyczynę powstawania zmian patologicznych w ustroju polegających, między innymi, na uszkodzeniu śródbłonka naczyń mózgowych. W takim przypadku wolne rodniki tlenowe niszczą błonę komórkową w procesie peroksydacji lipidów. Główną rolę odgrywa peroksyazotyn, powstający z udziałem tlenku azotu [1, 11]. Synteza wolnych rodników, o których mowa wyżej, szczególnie zaś peroksyazotynu, przez peroksydację lipidów i dysfunkcję błony komórkowej obserwowaną w czasie działania na ustrój ostrej hipoksji, jest zależna od wielu szlaków metabolicznych, zawsze jednak z udziałem tlenku azotu [1, 11].


Jednym ze skutków działania na ustrój ostrej hipoksji hipoksyjnej jest wzrost stężenia tzw. aminokwasów pobudzających neurony: glutaminianu i asparaginianu, które wpływają na szybkie (sodowy) i wolne (wapniowy) kanały jonowe wywołując depolaryzację neuronów [8, 25]. Mogą wywołać nawet patologiczny wzrost stężenia jonów wapnia w komórkach, prowadząc do wyładowań drgawkowych i uszkodzenia neuronów. Należy również dodać, że w warunkach ostrej hipoksji obserwuje się także zaburzenia funkcjonowania Na, K i ATPazy [8, 22], w czym aktywny udział bierze tlenek azotu [17]. Istnieją również doniesienia, które w warunkach hipoksji, potwierdzają udział tlenku azotu w modyfikacji funkcji elektrofizjologicznej błony komórkowej [21].


Tlenek azotu powoduje również reakcje w mitochondriach komórki, szczególnie z enzymami zawierającymi cząsteczki hemowe [28]. Następstwem tych reakcji w ustroju poddanym działaniu ostrego niedotlenienia jest zaburzenie metabolizmu energetycznego. Istotnym dowodem udziału tlenku azotu w modyfikacji oddychania komórkowego w warunkach niedoboru tlenu jest odwrotna korelacja między stężeniem ATP i cGMP, co powoduje enzymatyczne uwalnianie tzw. drugich przekaźników do wnętrza komórki [3, 25].


Tlenek azotu upośledza również aktywność wielu innych enzymów komórkowych, między innymi dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego, powodując osłabienie glikolizy, a więc głównego szlaku katabolizmu glukozy przebiegającego we wszystkich komórkach. Szlaku przebiegającego zarówno w warunkach tlenowych (aerobowych), jak i beztlenowych (anaerobowych). Tlenek azotu redukuje również wewnątrzkomórkowe stężenie glutationu. związku niezbędnego do działania wielu enzymów i wchodzącego również w skład komórkowego układu antyoksydacyjnego [11]., Poza redukcją wewnątrzkomórkowego glutationu, tlenek azotu działa na jądro komórkowe. Szczególnie widoczne jest to w warunkach hipoksji, gdzie uruchamiając szereg reakcji, może doprowadzić do śmierci komórki. Hamuje on przede wszystkim syntezę DNA przez zaburzenia aktywności reduktazy rybonukleinowej i uszkadza strukturę DNA [16].


Na uwagę zasługuje również rola tlenku azotu w regulacji aktywności oddechowej w warunkach ostrego niedotlenienia wysokościowego w strefie niepełnej kompensacji i w strefie krytycznej, w momencie stwierdzenia złej tolerancji ustroju. Po podaniu tlenu, jako środka ratującego, tlenek azotu działa jako neuroprzekaźnik, który hamuje wyzwolenie reakcji oddechowej. W warunkach długotrwałego działania niedoboru tlenu na ustrój (strefa pełnej kompensacji), stężenie tlenku azotu rośnie także w kłębkach szyjnych. Ma to hamujący wpływ na wyładowania chemoreceptorów w kłębkach [4].


Wiadomo, że mózgowy przepływ krwi w warunkach hipoksji podlega dynamicznym zmianom. Nawet niewielkiego stopnia niedotlenienie powoduje wzrost przepływu krwi w obszarze mózgu, wzrasta ciśnienie tętnicze, obniża się pH, rozszerzają się naczynia krwionośne i obniża się opór naczyń krwionośnych [27]. Udział tlenku azotu w regulacji przepływu mózgowego został potwierdzony licznymi pracami [2, 6, 20, 22, 28]. Zapoczątkowanie uwalniania tlenku azotu przez neurony ośrodkowego układu nerwowego (głównie przez astrocyty i mikroglej) jest kontrolowane przez formy neuronalne syntazy tlenku azotu i jego formy indukcyjnej [28]. W warunkach hipoksji. uwalnianie tlenku azotu następuje również przez wzmożone działanie różnych związków wazoaktywnych takich jak: ATP, histaminy, serotoniny, noradrenaliny, substancji P, wazopresyny, bradykininy i prostaglandyn [20]. Wzrost stężenia tlenku azotu w warunkach obniżonego ciśnienia parcjalnego tlenu w otaczającej atmosferze i w okresie reoksygenacji jest skorelowany ze wzrostem przepływu mózgowego [22]. Należy też dodać, że tlenek azotu pełni w ośrodkowym układzie nerwowym funkcję neuroprzekaźnika uczestniczącego w kontroli procesów pamięci i uczenia się zachodzących w hipokampie [14, 15, 26].


Wzrost mózgowego przepływu krwi w warunkach niedotlenienia uważany jest za główny mechanizm kompensacyjny, który nie tylko usprawnia dostawę tlenu i glukozy, ale także umożliwia usunięcie metabolitów. Reakcje te modulują: adeno-zyna. uwalniana pod wpływem rozpadu ATP w mózgu, kanały potasowe (zależne również od ATP) i występująca wtedy kwasica metaboliczna (zmiana pH) [2].


Wielkość wzrostu przepływu mózgowego skorelowana jest ze spadkiem ciśnienia parcjalnego tlenu, podobnie jak wymieniony wyżej wzrost stężenia tlenku azotu. Spadek stężenia tlenu we krwi powoduje z kolei, że transformacja tlenku azotu do wolnych rodników jest utrudniona i w ten sposób zwiększona ilość tlenku azotu może brać udział w syntezie cGMP i wyzwoleniu reakcji rozszerzającej naczynia krwionośne [2].

Lucjan GOLEC

Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej 01-755 Warszawa, ul. Krasińskiego 54 Sekcja Dydaktyki i Szkolenia Specjalistycznego


źródła:
12. Ignarro L.J.: Biological actions and properties of endothelium-derived nitric oxide formed and released from artery and vein. Circ Res 1989, 65, 1-21.
13. Ioroi T., Yonetani M., Nakamura H.: Effects of hypoxia and reoxygenation on nitric oxide production and cerebral blood flow in developing rat striatum. Pediatr Res 1998, 43, 733-737.
14. Kandel E.R., Hawkins R.D.: Biologiczne podstawy uczenia się i osobowości. Świat Nauki 1992, 11, 53-62.
15. Kanter M.M., Nolte L.A., Holloszy J.O.: Effects of an antioxidant vitamin mi-xture on lipid peroksydation at rest and postexercise. J Appl Physiol 1993, 74, 969-972.
16. Króncke K.D., Fehsel K., Kolb-Bachofen V.: Cytotoxicity versus cytoprotec- tion - how, why, when, and where? Nitric Oxide 1997, 1, 107-120.
17. Lipton S.A., Choi Y.B., Pan Z.H., Lei S.Z., Sucher N.J., Loscalzo J., Stamler J.S.: A redox-based mechanism for the neuroprotective and neurodestructive effects of nitric oxide and related nitroso-compounds. Nature 1993, 364, 626- 632.
18. Maślinski S., Ryżewski J.: Patofizjologia. PZWL, Warszawa 1992.
19. Murawska E.: Tlenek azotu. Post Hig Med Dośw 1997, 51, 683-700.
20. Nilsson G.E., Söderström V.: Comparative aspects on nitric oxide in brain and its role as a cerebral vasodilator. Comp Biochem Physiol 1997, 118A, 949- 958.
21. Onitsuka M., Mihara S., Yamamoto S., Shigemori M., Higashi H.: Nitric oxide contributes to irreversible membrane dysfunction caused by experimental ischemia in rat hippocampal CA1 neurons. Neurosci Res 1998, 30, 7-12.
22. Rogalska J.: Tlenek azotu w patologii niedotlenienia - sojusznik czy wróg. Post Hig Med Dośw 2000, 54, 669-686.
23. Roy L deHart.: Fundamentals of aerospace medicine. William and Wilkins A Waverly Company, New York 1996.
24. Skarpańska-Stejnborn A., Szyszka K., Zembroń-Lacny A.: Wpływ diety wzbogaconej w witaminy antyoksydacyjne na poziom glutationu i zawartość produktów peroksydacji lipidów we krwi wioślarzy. Med Sportiva 2001, 5, 35-41.
25. Silbernagel S., Despopoulos A.: Atlas fizjologii. PZWL, Warszawa, 1994, 50- 59, 176-180.
26. Snyder S.H., Bredt D.S.: Biologiczna rola tlenku azotu. Świat Nauki, 1992, 7, 42-50.
Traczyk W., Trzebski A.: Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej. PZWL, Warszawa, 2001, 594-598, 603-605, 706-709.