A nitrogén-monoxid (NO) fokozása

Régóta ismert, hogy az idegek elektromos ingerlése jellegzetes élettani hatásokat vált ki: pl. a szív működése gyorsul, lassul vagy akár meg is állhat. Sokáig nem értették, hogy az elektromos jel (a szignál) hogyan terjed az idegsejttől a végrehajtó sejtekig.

Egy cambridge-i professzor, Langley fedezte fel 1904-ben az összefüggést az idegi ingerlés és bizonyos kémiai anyagok hatásai között. Rövidesen az is kiderült, hogy az idegi ingerlés hatására olyan kémiai anyagok szabadulnak fel, amelyek lehetővé teszik az idegingerület terjedését egyik sejtről a másikra (transzmisszió).

• Később ezeket az anyagokat transzmittereknek (mediátoroknak, ingerületátvivő anyagoknak) nevezték el.

A transzmitterek általában ingerlésre szabadulnak fel az idegvégződésben található hólyagocskákból kalcium (Ca²⁺) hatására.

• A hagyományos transzmitterek (pl. a noradrenalin, acetilkolin) a raktárból lefűződéssel jutnak ki. Ezek az ingerületátvivő anyagok az első idegsejt végkészülékében (preszinaptikusan) kis hólyagocskákban raktározódnak, amelyek lefűződve "kiürítik" tartalmukat, majd a transzmitterek (a két idegsejt között elhelyezkedő rést "áthidalva") a következő idegsejt membránján (posztszinaptikus membrán) elhelyezkedő receptorokhoz kötődve fejtik ki hatásukat.
• A NO kivétel, nincsenek raktárai, közvetlenül a szintetizáló sejtből szabadul fel, és diffúzióval lép ki a sejt membránján keresztül (Fürst, 1999).

1998-ban orvosi és élettani Nobel-díjjal jutalmazták azt a felfedezést, miszerint az addig csak légszennyezőként ismert, a gépkocsik üzemanyagának elhasználódásakor, a nitrogén égésekor keletkező gáz (NO) az élő szervezet fontos, funkcionális alkotóeleme, ingerületközvetítő szignálja.

• Ez a felfedezés mutatott rá, hogy a NO annak az univerzális ingerületátviteli mechanizmusnak a része, amely fontos szerepet játszik a sejtek életműködéseinek regulációjában, és a sejtek közötti kommunikációban.

A NO szintézise

A NO a természetben nitrogénből és oxigénből képződhet (pl. villámláskor az atmoszférában). Egészen az utóbbi időkig csak annyit tudtunk, hogy az élő szervezetekben a makrofág (faló) sejtekben a bakteriális vagy parazitafertőzés elleni védekezéskor nitrátion keletkezik, amelyről bebizonyosodott, hogy az a NO oxidációs terméke.

A NO bioszintézise L-argininből történik (a D-izomer nem szubsztrátja és nem is gátlószere a reakciónak). A katalizáló enzim a nitrogén-monoxid-szintáz (NOS), amely több lépéses reakcióban L-citrullin-t és NO gyököt képez molekuláris oxigén jelenlétében, számos kofaktor (redukált nikotinamid adenin dinukleotid - NADPH, tetrahidrobiopterin - BH₄, citokróm P-450 típusú hem molekula, kalmodulin, flavinadenin dinukleotid - FAD, flavin mononukleotid - FMN) segítségével (Bredt és Snyder, 1994).

• Az enzimaktivitás szabályozásának fontos módja a szubsztrát- ill. koenzimellátás is. Előbbi esetén az arginin-transzportnak van nagy jelentősége, a sejtekben a NOS aktivitását az arginin transzport sebessége befolyásolja. Ez különösen akkor fontos, ha a NO termelés intenzív, mert ekkor a szubsztrátigény is megnő (Hrabák, 2011).

Három izoenzim ismert (nNOS, eNOS, iNOS), ezek alapszerkezete hasonló, és a katalizált reakcióban sincs különbség (izoláltak egy negyedik típusúként jellemzett NOS-t is (mtNOS) mitokondriumból).

• Az nNOS a cytosolban oldottan található, és a Ca²⁺ emelkedése révén, rövid időtartamúan aktiválódik. Viszonylag kevés (pikomólos nagyságrendű), állandó mennyiségü NO-t termel (Anggard, 1994; Hrabák, Körner és Császár, 2000), de stimulálható receptorhatáson keresztül, pl. bradikininnel, kálcium ionoforral, de ADP, szerotonin is stimulálja (Anggard, 1994).


• Az eNOS aktiválódása és NO termelése ugyanaz, mint az nNOS esetében, annyi a különbség, hogy az eNOS membránhoz kötött, amelyet egy kovalensen kapcsolódó mirisztil-oldallánc tesz lehetővé (Hrabák, Körner és Császár, 2000).


• Az iNOS a cytosolban oldottan található, Ca²⁺ independens, és különböző indukciók hatására (lipopoliszacharid, citokinek: pl. TNF-α, IL-1) expresszálódik és hosszan (órákig) tartó, nanomólos nagyságrendű NO termelés jellemzi (Anggard, 1994).

A NO fontosabb fiziológiai hatásai

A NO egyszerű diffúzióval kerül el a célsejtekhez, és rövid életideje miatt spontán inaktiválódik, nincs szükség a hatás megszüntetéséhez külön enzimre.

• A kutatók egy része továbbra is úgy véli, hogy a NO fehérjékhez kötve kering, de a NO ma ismert hatásaihoz nincs szükség arra, hogy hosszú ideig tartó transzportot feltételezzünk, a biológiai hatások lokálisak.

A NO jól kötődik vashoz, ezért célsejtjeiben a hatásokat elsősorban hemoproteinekhez és vas-kén fehérjékhez kötődve, azok aktivitásának, funkciójának módosításával fejti ki. A hatások másik csoportja a DNS-t közvetlenül érintő károsító hatásoké.

A NO-nak van egy páratlan elektronja a külső héjon, így ún. szabadgyökként funkcionál.

• A szabadgyökök különböző kémiai anyagok bomlása során keletkező, heves reakciókra képes, a sejtmembránnal, membránfehérjékkel reakcióba lépő sejtkárosító (citotoxikus) anyagok.

nNOS

Az elsősorban idegszövetekben expresszálódó neurális NOS (nNOS) által termelt NO biokémiai hatásmechanizmusának kulcsa a célsejtekben a protoporfirin prosztetikus csoportot tartalmazó guanilcikláz aktiválása.

• A guanilcikláz enzim akkor aktiválódik, ha a porfirin síkjából a vasat valami kihúzza, ehhez a NO (de pl. a CO is) rendkívül jó ágens. Az aktivált enzim a GTP-ből cGMP-t termel, ennek hatására glutamát szabadul fel, amely további idegsejteket aktivál és késztet NO-termelésre.
• Amennyiben valamilyen módon ez a folyamat elszabadul, akkor súlyos patofiziológiai következményei vannak, de normál körülmények között a NO regulálja saját magát, feleslegben a NOS hem-csoportjához kötődve blokkolja az enzim aktivitását, és ezzel leállítja saját szintézisét (Hrabák, 2011).

A NO neurotranszmitterként működik a központi és a perifériás idegrendszerben egyaránt. Szerepet játszik a neuronok apoptózisában és a neuroendokrin szabályozásban is, és kulcsfontosságú a tanulás és a hosszú távú memória neuronális modelljének számító "long-term potentiation" folyamatában. A NO a központi idegrendszer plaszticitásának meghatározó eleme, hiszen diffúziója révén egymáshoz közel elhelyezkedő idegsejt-csoportok modulálására képes, akár a szinaptikus kapcsolatoktól függetlenül is (Guix és munkatársai, 2005; Szabo, 1996).

A periférián a NO hatására simaizomsejtek relaxációja következik be, ezt is (nem pontosan ismert hatásmechanizmussal) a cGMP mediálja (Hrabák, 2011).

eNOS

Az endoteliális NOS (eNOS) által termelt NO az érfal simaizomzatának sejtjeibe, ill. a trombocitákba jut el, ahol a guanilcikláz az idegsejtekhez hasonlóan aktiválódik, a képződő cGMP pedig a simaizomsejtek relaxációját váltja ki (ennek következménye a vazodilatáció), trombocitákban pedig azok aggregációját gátolja. Ennek következtében a fiziológiai hatás az értágítás nyomán létrejövő vérnyomás-csökkenés (Hrabák, 2011).

• Élettani körülmények között az értónust alapvetően a folyamatosan képződő NO határozza meg. Az endotélben termelődő NO mennyiségét a kálcium intracelluláris szintje és az érfalra folyamatosan ható nyíróerő ("shear stress") szabja meg (Ballermann és munkatársai, 1998).


• Minél magasabb az intracelluláris kálciumszint (az aktivált ACh-receptor hatására nyitnak a kálcium-csatornák), ill. minél nagyobb a (vérnyomás emelkedése, ill. az erek szűkülése következtében létrejövő) nyíróerő, ép endotél esetén annál több NO termelődik, amely az ér lumenébe áramolva gátolja a trombocita aggregációt és a fehérvérsejt-adhéziót, -migrációt (Sabetkar és munkatársai, 2002). A szubendotélium simaizom-sejtjeiben pedig a guanilátcikláz aktiválásán keresztül fokozza a cGMP-szintézist vasorelaxatiót eredményezve (Griffith és munkatársai, 1987), ezenkívül a NO gátolja a simaizom-sejtek proliferációját is (Ip és munkatársai, 1990).
• A hatást ún. NO-donorokkal is el lehet érni, ezek olyan egyszerűbb szerves vagy szervetlen vegyületek, amelyekből az érrendszerben spontán is felszabadul NO (nitroprusszid-nátrium, S-nitrozo-glutation, S-nitrozo-N-acetil-penicillamin stb.). Ezzel magyarázható számos régóta ismert értágító gyógyszer (pl. a nitroglicerin) hatása is (Hrabák, 2011).

A csökkent NO szint kiemelkedő szerepet játszik az idősebb életkorban jelentkező érrendszeri, ill. olyan betegségekben, mint az atherosclerosis, a magas vérnyomás és a cukorbetegség (Egashira és munkatársai, 1993; Lerman és Zeiher, 2005).

L-arginin paradox

Meg kell említeni az "arginin paradox" kifejezést, melyet annak a jelenségnek a leírására használnak, amikor az exogén L-arginin adására NOS aktiváció jön létre annak ellenére, hogy az L-arginin már eleve feleslegben van jelen.

A NO termelésének csökkentése az egyik legelső jele az endoteliális diszfunkciónak, és megelőzi a nyilvánvaló kardiovaszkuláris betegségeket. A NO-termelés csökkenése okaként az argináz megnövekedett expresszióját valószínűsítik (Elms és munkatársai, 2012).

• Az arginázok L-arginint fogyasztanak, ami az eNOS szubsztrátja, így az L-arginin kimerülése csökkenti az eNOS aktivitását (Elms és munkatársai, 2012), annak ellenére, hogy van a termelésre szignál.
• Az argináz gátlása bizonyítottan javítja a NO termelést (Durante és munkatársai, 2007; Kashyap és munkatársai, 2008).

Ezt az egyszerű kapcsolatot azonban komplikálja az a paradoxon, hogy az endotélsejtek intracelluláris L-arginin-koncentrációja (exogén bevitel nélkül is) elég magas ahhoz, hogy a NO-szintézist támogassa.

• Az intracelluláris L-arginin magas szintje alapján nem világos, hogy az extracelluláris L-arginin felesleg (az exogén bevitel) hogyan növelheti az eNOS aktivitását. Jelenleg a legjobb magyarázat az, hogy az L-arginin a sejt belsejében nem egyetlen, homogén medencében található (Elms és munkatársai, 2012).
• Az L-arginin rosszul cserélődő intracelluláris medencéi pedig lehetővé teszik az L-arginin szelektív kimerülését az eNOS közelében. Vagyis az eNOS aktivitást nem a teljes intracelluláris L-arginin koncentráció határozza meg, hanem az endotélsejt kaveoláiban fellépő lokális L-arginin hiány (McDonald és munkatársai, 1997), így jobban függ az extracelluláris környezet vagy az L-arginin újrahasznosítási útvonalak feltöltésétől.

iNOS

A sokféle sejtben és szövetben indukálható NOS (iNOS) transzkripciója a makrofágokban endotoxin, ill. γ-interferon hatására sokszorosára fokozódik, és a NO-szintézis mértéke ugrásszerűen a többszörösre nő. A képződő NO a szomszédos sejtekre citotoxikus hatású, és azok pusztulását okozza (Hrabák, 2011).

• Elsősorban a citokinek által aktivált makrofágok termelnek és juttatnak a keringésbe nagy koncentrációban NO-ot, s ennek az immunválaszt kiváltó tumorsejtek, baktériumok stb. elpusztítása a célja (Hibbs és munkatársai, 1987 és 1988), ill. a DNS-szintézis kulcsenzimének számító ribonukleotid-reduktáz működését gátolva (a proliferációjuk lehetetlenné tételével) megakadályozza a vírusreplikációt (Lowenstein, 1996).
• Ezt az immunológiai funkciót egyértelműen a rágcsálókon, mint modelleken sikerült bizonyítani, az emberi monociták sokkal nehezebben aktiválhatók, ennek ellenére a modellt többé-kevésbé emberre is érvényesnek tartják, és számos részadat utal is arra, hogy humán vonatkozásban is hasonló mechanizmusok érvényesülnek (Hrabák, 2011).

A NO a gyulladásos folyamatok egyik fő mediátora is. Serkenti a ciklooxigenázok működését, és ezáltal fokozza a gyulladáskeltő eikozanoidok szintézisét. A NO-termelődés fokozódását az iNOS fokozott működése váltja ki, amelyben viszont az olyan jól ismert gyulladásos faktorok játszanak szerepet, mint például az interleukin-1, -6 és -17, az interferon-γ, a tumornekrózis faktor-α és a lipopoliszacharidok (Ialenti és munkatársai, 1992).

A NO fokozása

A NO értágító hatású, és ez a marketing szerint javítja az oxigén és tápanyag-ellátottságot.

A valóság viszont az, hogy a NO értágulatot okoz, ami vérnyomáscsökkenéssel jár, de (a szív fokozott működésének hiányában) az értágulat nem fokozza a véráramot (a perctérfogat változatlan), csak a vérnyomást csökkenti. Nem jut ezáltal sem több oxigén, sem több tápanyag az izomba, és a bomlástermékek eltávolítása sem javul.

• A NO fokozó táplálékkiegészítők elsődleges hatóanyaga, az L-arginin esetében kimutatták, hogy egészséges felnőttekben infúzióban való adagolása (1 g/perc, 30 percig) növeli az alsó végtag vérátáramlását és a szívfrekvenciát (Geiger és munkatársai, 1997).


• Viszont ezek a hatások az L-arginin intravénás bejuttatása esetén alakultak ki, az orális adagolás nem hozott hasonló eredményeket, amely az alacsonyabb plazma koncentráció elérésével magyarázható (Beleznai, 2012).
• A táplálkozással bevitt L-arginin a vékonybélben felszívódik és a májba kerül, ahol az urea-ciklusban hasznosul, és csak egy kis része, a májat elkerülve, vesz részt közvetlenül a NO produkcióban, amelyet humán és állat kísérletekben egyaránt kimutattak radioaktív izotóppal jelölt (¹⁵N) L-arginin alkalmazásával (Castillo és munkatársai, 1993; Boger és munkatársai, 2004).

Tulajdonképpen itt le is lehetne zárni a témát, hiszen a NO értágító hatása nem azt jelenti, mint amit a táplálékkiegészítő-biznisz igyekszik tulajdonítani neki (és a NO fokozókban található L-arginin sem pontosan úgy hat, ahogy kommunikálva van). De azért nézzük tovább, lehet e növelni a NO szintjét, és mi van, ha igen.

Lehet fokozni a NO fiziológiás szintjét táplálékkiegészítőkkel?
(És mi és hogyan történik, ha fokozódik?)

Alapvetően a NO termelésnek van szubsztrátigénye, és nem fordítva, így hiába növeljük a szubsztrátbevitelt, az (a NOS enzimek aktivitását kiváltó szignál hiányában) nem fokozza önmagában a NO termelést (Alvares és munkatársai, 2012).

• Természetesen, ha van NO igény, akkor rendelkezésre kell állni a szubsztrátoknak, és ez exogén bevitelt is igényel, de ezt egészséges emberben bőven fedezni tudja a kiegyensúlyozott táplálkozás arginintartalma (ez diétában is megvalósítható).
• Pl. a húsok, tejtermékek, ill. a zab, rizs és a tökmag, mogyoró, dió lehetnek a táplálkozás argininforrásai.

A NO szintjét pedig a szervezet (iNOS) emeli, ha szükség van rá. Az izomsérüléstől számított 6 órán belül a NOS mRNS szintje szignifikánsan növekszik mind a sérült izomrostokban, mind a beszivárgó makrofágokban, ezáltal megemelve a sérülés helyén a NO szintjét (Stamler és Meissner, 2001; Rubinstein és munkatársai, 1998; Park és munkatársai, 1996).

• Tehát a NO szintjének fokozásához nem táplálékkiegészítőt kell alkalmazni, hanem edzeni kell rendesen és kiegyensúlyozottan táplálkozni.

nNOS

Az nNOS esetében normál körülmények között a NO regulálja saját magát, feleslegben a NOS hem-csoportjához kötődve blokkolja az enzim aktivitását és ezzel leállítja saját szintézisét.

• Az nNOS túlprodukciója DNS károsodás eredménye, a poli(ADP-ribóz) szintetáz (PARS) aktiválódik, és NAD⁺ felhasználásával különböző poli-ADP-ribozilációs folyamatok indulnak be. A NAD⁺ depléciója károsítja a mitokondriális redoxfolyamatokat, míg a NAD⁺ regenerációja a nikotinsavamid maradékból foszforibozil-pirofoszfátot (közvetve ATP-t), és közvetlenül ATP-t igényel, ezzel a sejt energiaháztartása felborul, ami a sejt pusztulásához vezet (Hrabák, 2011).

eNOS

Az eNOS esetében az endotélben termelődő NO mennyiségét a Ca²⁺ intracelluláris szintje és az érfalra folyamatosan ható nyíróerő szabja meg. Minél magasabb a kalciumszint, ill. minél nagyobb a nyíróerő, ép endotél esetén annál több NO termelődik.

• Ha a NO gyulladás részeként, kalciumtól független módon felszaporodik és reakcióba lép az oxigén eredetű szuperoxid gyökkel, rendkívül erős oxidatív hatású peroxinitrit képződik, amely koncentrációjának sejten belüli növekedése végsősoron a sejthalál előidézője (Kiss és Béres, 2007).

iNOS

Az iNOS által okozott NO túltermelés az immunrendszer sejtjei esetében produkcióvédő hatású és viszonylag jól szabályozott, azonban egyes egyéb sejtek iNOS enzimének indukciója felesleges mennyiségű, kontrollálatlan NO-termeléshez vezet (Hrabák, 2011).

• A vérben található sejtek esetében ezt főleg a szisztémás bakteriális fertőzés (szepszis) idézi elő, az elpusztult baktériumokból kiszabaduló endotoxin az egész szervezetben indukálja a iNOS-t, és ennek hatására feleslegesen sok NO képződik. Ez a teljes szervezetben értágításhoz, és ezzel szisztémás vérnyomáseséshez vezet, amelynek végzetes következményei lehetnek (Hrabák, 2011).

Fontos az iNOS indukciója az I. típusú, inzulin-dependens diabetes mellitus (IDDM) kialakulásában is. Az IDDM-et autoimmun eredetű betegségnek tartják, ennek egyik (nem egyedüli) elmélete alapul a NO termelődésén. A hasnyálmirigy szigetsejtjei iNOS-t tudnak szintetizálni, ami jelentős mértékű NO-szintézist indít el, és ez citotoxikus a β-sejtekre, irreverzibilis szigetsejt-károsodást okoz. Amennyiben a β-sejtek jelentős része elpusztul, a hasnyálmirigy nem termel elegendő inzulint, és így a beteg inzulinadagolásra szorul (Hrabák, 2011).

• A hasnyálmirigy szigetsejtjeiben megtalálható iNOS elsősorban az IL-1β hatására indukálódik, amelynek eredete nem egyértelmüen tisztázott, de mivel makrofágok termelik és hatása lokálisnak látszik, legvalószínübb, hogy in vivo a hasnyálmirigy gyulladása során oda infiltrálódó makrofágok szintetizálják (Hrabák, Körner és Császár, 2000).

Konklúzió

Ez így egy kicsit túl részletes, de jól mutatja, hogy a NO mennyire fontos a szervezet működése szempontjából, de azt is, hogy a "normális" szintje szükséges (se több, se kevesebb), és mivel szabadgyökként viselkedik, a túltermeléséhez már koránt sem járul pozitív hatás, betegséget jelez, okoz.

• A fent ismertetett káros hatások nem a NO fokozóként marketingelt táplálékkiegészítők fogyasztásának hatásai lehetnek, hanem betegségeké, csak azt szemléltetik, hogy egyáltalán nem annyira kívánatos a szabadgyökként viselkedő NO szükségtelen fokozása, mint ahogy a táplálékkiegészítő biznisz sulykolja. És ez független attól, hogy a fiziológiás jelenléte viszont elengedhetetlen, többletre nincs szükség belőle.

A NO szintjének emelése beteg emberekben releváns (pl. ahol az endoteliális L-arginin-NO metabolizmus károsodott, vagy veseelégtelenség következtében megnövekedett L-arginin vesztés esetén). Egészséges emberben semmilyen táplálékkiegészítő önmagában (szignál nélkül) nem képes a NOS-t aktiválni, így a NO mennyisége sem növekedhet.

És ez szerencse, mert a szabadgyökök szervezetet károsító hatásai ismertek, a táplálékkiegészítő- és egészségipar is tisztában van vele, legalábbis akkor, amikor éppen antioxidáns hatású terméket kíván eladni.