Мир Знаний

Оксид азота(II): новые возможности давно известной молекулы (стр. 2 из 3)

При дальнейшем возбуждении происходит еще одна трансформация молекулы кислорода и возникает молекула кислорода синглет II. Это возбужденное состояние еще менее стабильно: среднее время существования - 110 с. На его образование из синглета I требуется 63 кДж/моль. Синглетные формы кислорода химически активны:

С их образованием связано важное явление - фотодинамическое действие. Суть его состоит в следующем. Существует группа веществ, которые высокочувствительны к действию света и, поглощая квант, переходят в возбужденное состояние. Эти вещества обладают и другой особенностью - способностью передавать энергию возбуждения молекулам кислорода, переводя их тем самым в синглетное состояние. Такие вещества называют сенсибилизаторами (S).

Оксиды азота и являются активными сенсибилизаторами, вызывающими образование синглетного кислорода:

S + hn S* S* + 3O2 S + 1O2

а далее озона и атомарного кислорода:

O2 + 1O2 O3 + O

Таким образом, в атмосфере накапливаются активные окислители, опасные для живых организмов. Чем выше их концентрация (и, в частности, озона), тем опаснее воздух для здоровья, причем их содержание тем выше, чем больше концентрация оксидов азота (табл. 1).

При недостатке кислорода в двигателе внутреннего сгорания происходит не только полное сгорание бензина до углекислого газа, но и неполное окисление до альдегидов:

R-CH3 + O2 R-CH=O + H2O

Альдегид

Присутствующие в выхлопных газах альдегиды реагируют с активными формами кислорода и диоксидом азота:

В результате в атмосфере накапливаются пероксиацилнитраты (ПАН). Эти вещества нестойки и легко разрушаются. Вещества группы ПАН очень токсичны. Уже при концентрации 0,2 мг/м3 они обладают резким слезоточивым действием, повреждают растения и разрушают резину. В совокупности образование смеси высокотоксичных веществ носит название фотохимического смога и требует для возникновения интенсивного солнечного освещения, активного движения транспорта и условий для появления застойной зоны воздуха в приземном слое атмосферы данной территории. Фотохимический смог характерен для больших тропических и субтропических городов и впервые отмечен в Лос-Анджелесе в 1944 году.

Итак, окислы азота - пусковые вещества фотохимического смога, а образующиеся вещества химически активны и разрушают живые ткани, вызывая удушье, а в экстремальных случаях и гибель людей. Агрессивные химические компоненты вызывают увядание растений, а также коррозию металлических конструкций, разрушение резины, красителей и других материалов.

Наиболее перспективным подходом к проблеме снижения роста оксида азота в выхлопных газах является его каталитическое взаимодействие с СО, присутствующим там же:

2NO + 2CO N2 + 2CO2

Эта реакция термодинамически выгодна при температуре выхлопа. К другим реакциям относятся образование N2O:

2NO + CO N2О + CO2

и взаимодействие СО с водой в выхлопных газах:

CO + H2О CO2 + H2

Образующийся водород может реагировать с оксидом азота с образованием аммиака

2NO + 5H2 2NH3 + 2H2О

Это нежелательный процесс, так как аммиак повторно окисляется до NO при пропускании газов через катализатор окисления.

Наиболее эффективными катализаторами разложения оксида азота являются металлические сплавы или смеси оксидов металлов (хрома, меди, железа). Были испытаны различные физические формы катализаторов, например в виде металлического войлока или металлической ваты. Эти материалы обладают большой поверхностью, однако на практике обычно используют металлическую стружку, которая менее подвержена спеканию.

Фотохимические реакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит в процессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, под действием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азота воздуха, продуктами которого являются NO и NO2 . С ними связаны процессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:

O + NO2 NO + O2

NO + O3 NO2 + O2

Содержащиеся в атмосфере твердые частицы пыли с адсорбированными на них различными химическими соединениями также оказывают каталитическое действие на протекающие в атмосферном воздухе реакции с участием оксидов азота. Уменьшение концентрации озона и атомарного кислорода в стратосфере происходит в результате цепных реакций с катализаторами такого типа, причем эффективность этого взаимодействия возрастает с высотой.

Итак, оксид азота - важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы и внешние условия существования. Однако это же вещество, как оказалось, является и мощным внутренним биорегулятором.

1992 год - молекула года

Современный механизм межклеточных взаимодействий основан на концепции образования в клетках продукта, который не секретируется с помощью специализированных систем, распространяется посредством простой диффузии и действует прямо на внутриклеточные мишени. Длительное время поиски такого вещества оставались безрезультатными. Сенсационные публикации появились в 1987 году. Исследовательскими группами, возглавляемыми С. Монкадой (Великобритания) и Л. Иньярро (США), были получены однозначные доказательства того, что этот фактор есть не что иное, как окись азота. К настоящему времени насчитывается уже тысячи публикаций, посвященных окиси азота, а в журнале "Science" в 1992 году окись азота была названа молекулой года.

В организме человека NO образуется из аминокислоты - аргинина в результате реакции, которая катализируется ферментом, получившим название NO-синтетаза (синтетаза окиси азота - СОА):

Общая продукция окиси азота в организме превышает 100 мг в сутки. Период полураспада NO или ее комплексов в организме колеблется от 1 до 6 с, что достаточно для диффузии через внутриклеточную среду, клеточные мембраны и внеклеточную среду.

Так, окись азота попадает в клетки стенок кровеносных сосудов, где действует на белки, содержащие геминовое железо. Это вызывает расслабление гладких мышц сосудов, посредством чего осуществляется локальная ауторегуляция кровотока. Ослабление действия этого механизма приводит к развитию гипертонии. Избыточная продукция NO чревата немедленными тяжелыми последствиями. Это реализуется при эндотоксическом шоке, когда грамотрицательные бактерии вызывают мощное образование NO в гладких мышцах сосудов, что приводит к падению кровяного давления и развитию характерных для шока нарушений кровообращения.

Значение NO отнюдь не ограничивается ее ролью в регуляции кровяного давления. Важны функции NO в головном мозгу. Диффузия NO от нейронов к пресинаптическим мембранам является необходимым условием феномена, связанного с функционированием механизмов памяти и формированием устойчивых патологических связей в нервной системе. С окисью азота связаны регуляция секреции инсулина и развитие диабета вследствие гибели клеток поджелудочной железы при вирусных инфекциях, регуляция почечной фильтрации, регуляция репаративных процессов в костной и кожной тканях, регуляция слизеобразования в кишечном эпителии. Не исключено, что хроническая экспозиция клеток организма эндогенно образующимися продуктами окисления окиси азота может быть причиной появления некоторых опухолей.

Нельзя не отметить терапевтические воздействия, направленные на процессы образования NO, для пульмонологии при острой респираторной недостаточности, отеке легкого, синдроме шокового легкого. Ингаляция газовой смеси, содержащей NO, снижает уровень легочной гипертонии и предотвращает гипоксию в легких - важнейший фактор в развитии асфиксии новорожденных. Может оказаться полезным и насыщение окисью азота инфузируемых растворов. В эксперименте таким образом удалось предотвратить развитие ишемической болезни сердца. Следовательно, этот считавшийся крайне токсичным газ становится лекарственным препаратом. Не исключено, что именно такой простой способ применения NO сделает этот вредоносный компонент фотохимического смога средством предотвращения самых трагичных ситуаций, возникающих в медицине.

На самом деле лекарственное воздействие окиси азота используется уже давно. Речь идет о таком распространенном кардиологическом препарате, как нитроглицерин. Нитроглицерин - типичный пример пролекарства. Пролекарство - химически модифицированная форма лекарственного средства, которая в биосредах в результате метаболических процессов превращается в само лекарственное средство. Нитроглицерин быстро всасывается стенками желудка и диффундирует в кровяное русло, где легко, как всякий сложный эфир, гидролизуется с образованием нитрат-иона:

Гемоглобин крови и железосодержащие ферментные системы гладкомышечных клеток восстанавливают нитрат-ион с образованием окиси азота (см. реакцию "бурого кольца"):

3Fe2 + + + 4H+ 3Fe3 + + NO + 2H2O

Окись азота и оказывает терапевтическое действие. Казалось бы, вместо нитроглицерина можно применять обычный нитрат натрия, однако он малоэффективен, так как плохо проникает через стенки желудка. Совокупность приведенных выше превращений и составляет суть применения нитроглицерина и других органических нитроэфиров в качестве пролекарств.

Обращаясь к реакции образования окиси азота в организме, можно высказать предположение, что терапевтическое воздействие можно, кроме того, оказывать как с помощью аргинина, так и посредством веществ, влияющих на активность фермента СОА. Действительно, инфузия растворов аргинина добровольцам приводила к снижению системного кровяного давления. С помощью ингибиторов СОА удается сократить размеры инфарктной зоны при ишемии головного мозга. Интересно, что такой результат получен при введении ингибитора в течение нескольких суток после периода ишемии. Введение ингибиторов СОА до начала ишемии приводило к противоположному результату. Это указывает на возможность разностороннего действия NO в патогенезе инсульта.