Obojętny składnik powietrza azot i jego zaskakujące tlenki

Do napisania tego artykułu zainspirowała mnie rozmowa o suplemencie diety, jakim jest arginina (L-arginina, L-Arg). Dla mnie jest oczywiste, że „L”, ponieważ organizm człowieka używa izomery aminokwasów właśnie z tego szeregu, natomiast cukry z szeregu izomerów „D” i rzadko podkreśla się, że jest to na przykład D-glukoza (na przykład w diagnostyce).

Wiadomo od dawna, że podawanie argininy osobom po 60-tce poprawia ich komfort życia. Ten aminokwas jest potrzebny w kilku przemianach metabolicznych. W dalszej części opowiem o tej – związanej z chorobą niedokrwienną serca – dysfunkcją naczyń krwionośnych, nadciśnieniem.

Nasz organizm jest bogaty w różne substancje zawierające azot i tlen. W powietrzu azot – podobnie jak tlen – występuje w postaci cząsteczki dwuatomowej (N₂ i O₂) i nie reaguje z tlenem.

Na schematach azot jest niebieski, tlen czerwony, węgiel czarny, a wodór biały.

W wysokich temperaturach, a także w wypadku jonizacji w polu elektrycznym, azot łączy się z tlenem i powstają reaktywne tlenki azotu (symbolicznie oznaczane NOx (jedna cząsteczka azotu, x cząsteczek tlenu). Dostają się one do atmosfery w spalinach, a także w emisjach z wielu instalacji przemysłowych. Tlenki azotu powstają też w atmosferze podczas burzy. Ich obecność w powietrzu może prowadzić do powstania smogu, kwaśnego deszczu (z tlenków powstaje kwas azotowy).

Przy każdym oddechu pobieramy z otoczenia pokaźną ilość azotu, ponieważ jest go w powietrzu aż 78% w stosunku do 21% tlenu. W wydychanym przez nas powietrzu ilość azotu nie ulega zmianie, natomiast tlenu jest mniej, ponieważ jego część została włączona w przemiany metaboliczne w naszym organizmie.

W życiu codziennym nie zwracamy uwagi na ciągle otaczający nas i wypełniający nas azot. Jednak ten obojętny, bo niemetabolizowany gaz, staje się szkodliwy przy ciśnieniu zewnętrznym 3 atm. Dzieje się tak podczas nurkowania poniżej – 20 m pod powierzchnię akwenu. Zaczyna się problem, a mianowicie choroba dekompresyjna, DCS, (dawniej: choroba kesonowa). Oczywiście są osoby, które mogą nurkować głęboko bez tego problemu. W filmie Luca Bessona „Wielki błękit” (1988 rok) został upamiętniony Jacques Mayolt, który pierwszy pokonał głębokość 100 metrów.

Azot może rozpuszczać się w błonie komórkowej w większym lub mniejszym stopniu. Przy podwyższonym ciśnieniu dyfundując, zaburza lipidową strukturę błon znajdujących się w komórkach. Między innymi utrudnia to przesyłanie impulsów nerwowych w komórkach otoczonych mieliną (gruba warstwa lipidowa) i staje się narkozą azotową, nazywaną „ekstazą głębin”. Niestety, może też wywołać napad paniki. Narkotyczne właściwości azotu ujawniają się przy wzroście jego ciśnienia parcjalnego. Ogólnie przyjęto granicę 30 metrów jako głębokość, po której przekroczeniu ryzyko narkozy azotowej wyraźnie wzrasta. Stan narkozy azotowej jest podobny objawowo do stanu upojenia alkoholowego. Na mniejszych głębokościach jest to euforia oraz nadmierna pewność siebie, głębiej objawia się to zaburzeniami koordynacji ruchów, co może prowadzić do śmierci. Osoby pod wpływem narkozy azotowej charakteryzują się zanikami pamięci oraz mniejszą sprawnością umysłową. Chorobie kesonowej sprzyja nadwaga, ponieważ azot bardzo dobrze rozpuszcza się w tkance tłuszczowej. Wówczas zwiększa się jego ilość, która pozostaje w ciele nurka.

 Rozszczelnienie kabiny samolotu podczas jego lotu wiąże się także z zagrożeniem ze strony obojętnego azotu.

 A teraz inny przykład obecności azotu w naszym organizmie. Niewinne trzaski w stawach mogą się łączyć z obecnością w nich tego gazu i zjawisku kawitacji. W stawach, znajduje się lepki płyn maziowy. W trakcie ruchu dochodzi do przemieszczania się względem siebie powierzchni stawowych, co wywołuje różnicę ciśnienia w przedziałach stawu. Okolica stawu o niższym ciśnieniu zasysa płyn maziowy. Zanim dojdzie do jego przemieszczenia, powstaje pęcherzyk wypełniony gazem. W trakcie ruchu pęcherzyk pęka, czemu towarzyszy słyszalny dla otoczenia dźwięk trzasku. Zjawisko to często występuje po dłuższym bezruchu i dotyczyć może każdego stawu. Objaw ten nie jest nieprawidłowy i nie wymaga leczenia.

W związku z ogromną spektakularnością ciekły azot stosowany jest w prezentacjach „kuchni molekularnej” – mrożenie kriogeniczne (http://kuchniamolekularna.pl.). W ciekłym azocie, a ma on wtedy temperaturę  −195,8 °C i wrze, można przyrządzać różne lody, sorbety, pianki, desery, a także ciepło-zimne potrawy. Podgrzane lub będące w temperaturze pokojowej emulsje, pokryte cienką warstewką lodu, zachowują temperaturę dodatnią. Owoce po zmrożeniu przypominają drogocenne kamienie. Tak szybkie mrożenie jedzenia sprawia, że w pełni zostaje zachowany smak potrawy. Te mrożonki nadają się od razu do jedzenia i w dodatku trzymane w ustach powodują wydobywanie się „dymu” z nosa w postaci pary wodnej, jak chuchanie w zimie. Nazywane jest to „efektem smoka”. Duża zabawa.

 Występujący w naszym powietrzu w przeważającej ilości azot nie jest metabolizowany w naszym organizmie, ale w niesprzyjających warunkach może dużo w nim „namieszać”. Tlen jest obojętny dla naszego organizmu, ale połączenia azotu z tlenem wpływają na nasz metabolizm. Pierwszy na liście znajduje się tlenek azotu(I) (N₂O podtlenek azotu, gaz rozweselający).

N₂O otrzymuje się na drodze chemicznej. Podtlenek azotu jest dodatkiem do żywności. Na liście Unii Europejskiej ma numer E942. Podobnie jak azo, jest doskonale rozpuszczalny w tłuszczach. Z podtlenkiem azotu można tworzyć piany i emulsje. Ta jego własność jest wykorzystana w przemyśle spożywczym do tworzenia piany, zwłaszcza z bitej śmietany w sprayu. W „kuchni molekularnej” używa się naboje z tym gazem do specjalnych syfonów, podobnych do tych, jakich są do wody gazowanej. Przygotowuje się „espumas” nawet z piure ziemniaczanego. Naboje zawierają 8 g gazu i stosuje się je do syfonu o pojemności 500 ml. W takim stężeniu podtlenek specjalnie nas nie rozweseli. N₂O jest konserwantem, dlatego wypełnia się nim opakowania z łatwo psującymi się produktami (np. chrupki ziemniaczane).

 Podtlenek azotu ma także zastosowanie jako środek przeciwbólowy. Stosuje się go w od 150 lat w znieczuleniu anestezjologicznym – znany jest jako gaz anestetyczny (Jürgen Thorwald: Stulecie chirurgów; 1956). Powoduje rozweselenie i dlatego nazywa się go „gazem rozweselającym”. Bardzo szybko i dobrze wchłania się z płuc do tkanek organizmu i jako gaz z łatwością przenikający tkanki, blokuje receptor w układzie nerwowym (jonotropowy receptor glutaminianowy) i dzięki temu redukuje ból (BJA Education, 16 (3): 87–91 (2016). Wykazuje niską rozpuszczalność we krwi oraz minimalny stopień metabolizowania (poniżej 0,004%). Po zaprzestaniu podawania jest więc szybko usuwany przez płuca w niezmienionej postaci. Bardzo ciekawym faktem dotyczącym wpływu N₂O na metabolizm jest to, że długotrwałe podanie dużych jego ilości może prowadzić do objawów niedoboru witaminy B₁₂ (anemii i neuropatii), może uszkadzać szpik kostny i ma negatywny wpływ na jajniki i jądra (płodność). Aktywna forma tej witaminy zawiera zredukowany kobalt (Co+). Podtlenek azotu powoduje nieodwracalne jego utlenienie do Co++ i Co+++ , co dezaktywuje trwale witaminę B₁₂ . Obecnie jest tendencja do prowadzania różnych eksperymentów żywieniowych. Jeżeli osoba ma niedobory tej witaminy z kobaltem, to nadmierna podaż „gazu rozweselającego”, nawet z pokarmem, może spowodować zaburzenia metabolizmu skutkujące pogorszeniem się stanu zdrowia. Witamina B₁₂ jest elementem enzymu syntazy metioniny (EC 2.). Jest to kluczowy enzym biorący udział w utylizacji homocysteiny (aminokwas) i przekształceniu jej w metioninę (aminokwas). Dzięki przeniesieniu na homocysteinę odłączonej od metylotetrahydrofolianu grupy metylowej powstanie metionina i tetrahydrofolian (THF, pochodna witaminy kwas foliowy). Ten ostatni związek jest niezbędny między innymi do syntezy komórkowego DNA. Po wielogodzinnej narkozie z podtlenkiem azotu obniża się bardzo aktywność syntetazy metioniny i to powoduje ogólne zaburzenie metabolizmu.

Drugi z kolei tlenek azotu to: tlenek azotu (II), NO.                                                             

Ten tlenek azotu powstaje na terenie naszego organizmu w wyniku następującej reakcji:

W środowisku naszego organizmu aminokwasy  występują zjonizowane i dlatego mają ładunki (+) i/lub (-).

 Substratem w powyższej reakcji jest arginina (Arg; aminokwas), która jest proponowana jako suplement diety. Arginina należy do aminokwasów względnie egzogennych, czyli powinna być dostarczana z pokarmem dzieciom, ponieważ rosną, osobom wykorzystującym w nadmiarze siłę mięśni oraz, jak już wspomniałam, seniorom. Funkcję katalityczną pełni syntaza tlenku azotu (NOS, EC 1.14.13.39). Nazwa może nas zmylić, ale ta syntaza należy do Oksydoreduktaz (wpis z 07 września). Enzym potrzebuje do swojego działania zredukowanej pochodnej witaminy B₃ i tlenu (O₂). W jego strukturze białkowej znajduje się pochodna witaminy B₂ i hem (porfiryna z żelazem) oraz tetrahydrobiopteryna (puryna podobnie, jak w składnikach kwasów nukleinowych) – obie te substancje powstają w naszym organizmie w warunkach fizjologicznych, czyli zdrowia. Obok tlenku azotu produktami tej przemiany jest cytrulina (aminokwas), woda oraz utleniona pochodna witaminy B₃ (http://www.reading.ac.uk/nitricoxide/intro/no/synthesis.htm).

Ascanio Sobreno zsyntetyzował nitroglicerynę (rok 1847), którą potem Alfred Nobel zastosował, jako składnik środka wybuchowego. Zauważono już przed laty, że nitrogliceryna wpływa na ludzki organizm. Dlaczego? Bo bardzo dobrze przenika przez nasze tkanki i oddaje nam tlenek azotu. Metabolizm nitogliceryny jest prowadzony przez nasze enzymy i w jego konsekwencji uwalniany jest tlenek azotu.

Tlenek azotu jest bardzo aktywny chemicznie. Reagując z tlenem w roztworach wodnych tworzy  nieorganiczne metabolity – azotyny (NO₂^–) i azotany (NO₃^–).

Należy zwrócić uwagę na następujący fakt. W przyrodzie, a i w naszym organizmie, występują specjalne formy tlenu i tlenków azotu, które są rodnikami. A rodniki są to substancje, które mają niesparowany dodatkowy elektron i dlatego mają bardzo wysoką zdolność do wchodzenia w reakcje z różnymi związkami. Wartościowość tych jonów oznacza się minusem z kropką. Kropka oznacza niesparowany elektron i dlatego są tak reaktywne. Wchodzą one w reakcje z innymi substancjami bez udziału enzymów, na drodze reakcji chemicznej. Są „agresywne”. Nasz rodak wybitny farmakolog profesor Ryszard J. Gryglewski wykazał, że NO bierze udział w powstawaniu rodników tego tlenku i ponadtlenkowych, które wpływają na metabolizm komórek. Tlenek azotu ulega w komórce dalszym przemianom w formy potęgujące swą „agresywność”. Ostatecznie biorą one udział w stresie oksydacyjnym komórki, który jest szkodliwym dla organizmu zintensyfikowaniem przemian związanych z rekcjami utleniania i redukcji.

Tlenek azotu, podobnie jak azot i inne jego tlenki, łatwo dyfunduje przez błony komórkowe. Odgrywa to kluczową rolę w prawidłowym funkcjonowaniu układu krążenia, ponieważ obniża ciśnienie krwi, a także wpływa na agregację płytek krwi. Działa też w układzie nerwowym. Jest czynnikiem toksycznym dla atakujących nas patogenów. Tlenek azotu reaguje także z białkami. Działa też w układzie nerwowym. Jest czynnikiem toksycznym dla atakujących nas patogenów. Tlenek azotu reaguje także z białkami.

Produkowany jest przez enzymy, które nazywają się syntazy tlenku azotu. Jest ich kilka. Syntaza nabłonkowa (eNOS), która reguluje funkcję naczyń krwionośnych. Do swej aktywności potrzebuje kalmodulinę z jonami wapnia. Kalmodulina jest białkiem komórkowym uaktywnianym przez napływające do komórki jony wapnia pod wpływem pobudzenia tej komórki (schemat w dalszej części). Indukowana NOS (iNOS) działa między innymi w komórkach układu odpornościowego. „Agresywne” właściwości NO używane są przez makrofagi do niszczenia patogenów. W tkance nerwowej ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego działa neuronalna NOS (nNOS), jej aktywność w produkcji NO wiąże się z sygnalizacją międzykomórkową. Mitochondrialna syntaza (mtNOS) działa w organellach generujących energię ogrzewającą nas i tę do przemian metabolicznych („łańcuch oddechowy).

  Tlenek azotu pełni istotną rolę w homeostazie, czyli utrzymaniu optymalnego funkcjonowania organizmu. Niestety, nadprodukcja NO prowadzi do stanów patologicznych: zapalenia stawów, astmy, niedotlenowania mózgu, choroby Parkinsona, neurodegeneracji, czy epilepsji. Nie wszystkie mechanizmy zostały wytłumaczone (http://dx.doi.org/10.5772/67027).

 Czy nadmiar argininy może być szkodliwy? Istotne pytanie. Nadużywający argininy „pakerzy” narzekają na „wiotczenie” naczyń krwionośnych. Na schemacie przedstawiłam, że w komórkach nabłonkowych wyściełających naczynia krwionośne jest syntetyzowany NO.

W normalnych warunkach tlenek azotu produkowany przez eNOS dyfunduje do mięśni gładkich otaczających naczynia krwionośne i regulując ich napięcie obniża ciśnienie krwi.

                                                               W warunkach zaburzenia równowagi, gdy jest nadmiar syntetyzowanego NO z nadmiernej ilości  argininy w diecie lub w wyniku podania substancji uwalniających NO (leki), ten tlenek samoistnie przekształca się w formy „agresywne”. Należą do nich rodniki i ich pochodne (różne tlenki azotu), które reagują z białkami zawierającymi w swojej strukturze żelazo bądź miedź. Uszkodzenie zachodzi poprzez ich utlenienie. „Atakowanych” jest wiele białek, a w tym także enzymy. To z kolei prowadzi do zaburzenia procesu przekazywania sygnałów metabolicznych w komórkach, tkankach i między narządami.

Przy znacznie podwyższonej ilości tlenku azotu w organizmie może nawet być uszkodzona hemoglobina w erytrocytach. Wtedy nie będzie transportowany tlen do tkanek.

Należy też pamiętać, że „agresywne” tlenki azotu są potrzebne do działania naszych mechanizmów obronnych. Na przykład dla makrofagów niszczących patogeny. Dzięki dużej aktywności mechanizmów regulujących metabolizm prawidłowa bioaktywność NO może być utrzymana, tak aby nie zagrażała naszemu zdrowiu.

 Co ciekawe, przy niedoborze argininy mogą powstawać w większych niż normalnie ilościach „agresywnych” formy tlenu. Proces jest bardzo istotny w aspekcie wzajemnej zależności pomiędzy tlenkiem azotu a procesem utleniania w układzie sercowo naczyniowym (Cardiovasc Res. 2008, 79, 527-536). Tak, jak to w życiu bywa, zarówno niedobór argininy, jak i jej nadmiar jest szkodliwy. Wykorzystanie tlenu i walka z jego pochodnymi ma miejsce w mitochondriach, które są organellami komórkowym zawierającym i „konsumującym” ogromne ilości tlenu (O₂). Powstaje w nich dużo rodników tlenowych i tlenków azotu. Mitochondrialna syntaza tlenku azotu (mtNOS) w warunkach niedotlenowania (obniżonej zawartości tlenu w komórce, stan nazywany hipoksja) powoduje wzrost stężenia reaktywnej formy tlenku azotu, która hamuje aktywność oksydazy cytochromowej (końcowy enzym „łańcucha oddechowego”, dla którego substratem jest tlen cząsteczkowy – O₂) i to przekłada się na pogorszenie stanu naszego zdrowia. To hamowanie powoduje wzrost ilości tlenu we wnętrzu mitochondriów, który nie reaguje z „łańcuchem oddechowym” (bo jest zahamowany) i w konsekwencji zwiększa się ogólna ilość rodników. Te z kolei biorą udział w utworzeniu następnej metabolicznej formy tlenku azotu, a mianowicie tritlenku azotu. Ten jon jest wysoce „zjadliwą” formą, która z łatwością wszystko utlenia, uszkadzając wiele niezbędnych dla naszego metabolizmu substancji (glutation, metioninę, witaminę C, puryny i pirymidyny, „łańcuch oddechowy”). Ma zdolność inicjowania procesu peroksydacji lipidów błonowych i lipoprotein transportujących cholesterol, co też wiąże się z dysfunkcją tych związków i szkodzeniu naszemu organizmu.                                    W mitochondriach powstaje także reaktywna forma dwutlenku azotu, który też uszkadza wiele struktur naszego organizmu. Schemat udziału mitochondriów w tych przemianach pokazuję na schemacie według: biotka.mol.uj.edu.pl/zbm/handouts/2015/AL/wyklad_3_Syntazy tlenku _azotu.pdf. W wyniku tych niekorzystnych oddziaływań pochodnych tlenku azotu i tlenu, ich form „agresywnych”, powstaje wiele patologii na przykład: nadmierny skurcz oskrzeli, przewlekłe zapalenia, uszkodzenie komórek.

Według GBD (z ang. Global Burden of Disease, Globalne obciążenie chorobami – ogólnoświatowe badanie obciążenia chorobami) choroby układu sercowo-naczyniowego są przyczyną największej liczby zgonów w skali światowej. Zburzenia metaboliczne występujące  w nabłonku naczyń krwionośnych są jedną z istotnych przyczyn tych zdarzeń. Głównie opiera  się to na aktywności syntazy tlenku azotu. Enzym ten jest atrakcyjnym celem terapeutycznym. Niestety, jak naukowcy informują w publikacji z tego roku, nie w pełni wykorzystanym (Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 187). Ostatnio odkryto, że syntaza tlenku azotu występuje w okołonaczyniowej tkance tłuszczowej (perivascular adipose tissue – PVAT) – tkance otaczającej naczynia krwionośne. Im więcej jest tej tkanki, tym większe będzie zagrożenie dla naczyń krwionośnych z powodu nadmiaru reaktywnej formy tlenku azotu (Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 187).

Wewnątrzkomórkowym adresatem dla tlenku azotu, który łatwo dyfunduje do komórek mięśni gładkich i, jak już pisałam, powoduje rozkurcz naczyń krwionośnych, jest enzym – cytoplazmatyczna cyklaza guanylanowa (EC 4.), białko enzymatyczne z hemem. Przy jej udziale substrat GTP (nukleotyd występujący także w RNA i współpracujący z innymi enzymami) jest przekształcany w produkt: formę cykliczną (cGMP; komórkowy przekaźnik II rzędu). Ta substancja oddziałuje na różne struktury komórkowe wpływając na metabolizm. Enzymem, który dezaktywuje cGMP i przekształca je w GMP jest fosfodiesteraza (EC 3.). Obrazuje te przemiany poniższy schemat (Postępy Hig Med. Dosw(online) tom 59; 584-601).

Czy tlenek azotu ma coś wspólnego z seksem? Dobre pytanie. Okazuje się, że tak. Viagra stosowana w leczeniu zaburzeń erekcji jest inhibitorem fosfodiesterazy cGMP. Działanie tego leku utrzymuje podwyższone stężenie cGMP w komórce przez dłuższy czas. W związku z tym rozkurcz mięśni gładkich trwa czasem kłopotliwie zbyt długo. Mechanizm działania Viagry jest przedstawiony na poniższym schemacie.

Zwracam uwagę na to, że w całym świecie ożywionym są produkowane i wykorzystywane tlenki azotu. A na koniec, jak go używa pluskwa. Gatunek pluskwiaka o nazwie łacińskiej Rhodnius prolixus, żywi się krwią, którą wysysa z organizmów, na których pasożytuje. Ślinianki tego pluskwiaka produkują ślinę bogatą w białka związane z tlenkiem azotu. Po ukąszeniu, wstrzyknięta do naczynia krwionośnego ślina uwalnia NO, to powoduje jego rozszerzenie i większy napływ krwi, która stanowi pokarm dla tego owada (www.edunauka.pl/biochtlenekazotu.php).

Pytanie, czy suplementować się argininą, pozostawiam otwarte. Uważam, że zarówno osoby intensywnie działające fizycznie, jak i te po 60-tce powinny uzupełniać swoją dietę o ten aminokwas, ale w rozsądnych ilościach, skonsultowanych z lekarzem. Oczywiście należy też dbać o to, aby tkanki naszego organizmu były należycie utlenowane (ćwiczenia fizyczne dla mięśni, masaż) i nie było w nim zbyt dużo tkanki tłuszczowej (rozsądna dieta).

Podczas przygotowania tekstu korzystała z różnych stron https://pl.wikipedia.org

 Bardzo proszę o pytania i zaproponowanie nowych tematów do opracowania.