Lipoproteiny i układ odpornościowy, przewlekłe procesy zapalne w rozwoju miażdżycy oraz chorób serca

Wstęp

Lipoproteiny są dużymi związkami chemicznymi, którym przypisuje się rolę w regulacji gospodarki cholesterolowo-lipdowej. Wyróżnia się cztery podstawowe frakcje tych molekuł:

  • LDL
  • HDL
  • VLDL
  • chylomikrony

W dostępnych podręcznikach wskazuje się głównie na powiązania między lipoproteinami oraz ryzykiem zachorowania na choroby serca oraz naczyń ( miażdżyca). Nie będę tu prowadził rozważań nad sensem tych stwierdzeń, natomiast zajmę się wskazaniem na  funkcje lipoprotein w neutralizacji toksyn bakteryjnych oraz roli długotrwałych infekcji w rozwoju chorób naczyń i serca , które w “niewyjaśnionych okolicznościach” nie są z reguły uwzględniane literaturze dotyczącej  patogenezy oraz leczenia tych chorób.

Lipoproteiny i toksyny bakterii

Istnieje wiele prac wskazujących na istotną rolę lipoprotein w wiązaniu oraz unieszkodliwianiu toksyn wydzielanych przez bakterie. Wykazano, że wszystkie cztery frakcje wymienione powyżej mają zdolność do tego typu działań. W badaniach in vitro oraz in vivo obserwowano tworzenie się kompleksów endotoksyna-lipoproteina. Poniżej podaję część wniosków, które uzyskano z licznych badań in vitro i in vivo:

  • zdolność wiązania HDL z lipopolisacharydem (LPS) bakterii Salmonella typhimurium. Kompleks HDL-LPS jest znacznie wolniej usuwany z osocza niż agregaty LPS. Mechanizm usuwania HDL-LPS opiera się o jego wychwyt przez nadnercza, śledzionę oraz worobę, natomiast LPS jest głównie pobierany przez fagocyty tkankowe – np. komórki Kupffera w wątrobie
  • rola ochronna LDL wobec komórek śródbłonka. LDL ma zdolność do wiązania różnorodnych bakteryjnych endotoksyn, które mogą przyczyniać się do inicjacji stanu zapalnego oraz uszkodzeń zdrowych tkanek
  • Ludzkie LDL, VLDL, HDL oraz chylomikrony zmniejszają letalny efekt wywołany przez wstrzykiwanie endotoksyn bakteryjnych myszom. Zasugerowano istotną rolę lipoprotein w ochronie przed endotoksemią oraz różnorodnymi infekcjami
  • U myszy z genetycznie uwarunkowanym niedoborem receptorów dla LDL (stężenie LDL w osoczu bardzo wysokie) zaobserwowano, że są znacznie bardziej odporne na dawki LPS, które wywołują efekt śmiertelny u myszy zdrowych. Prawie 100% śmiertelności osiągano u myszy zdrowych przy dawce LPS 0,5mg/osobnika, natomiast u myszy z defektem – 2,5 mg/osobnika
  • Oczyszczone HDL, LDL , a także apolipoproteiny apo A1 oraz  apo B dokonują neutralizacji endotoksyn (apo B jest silnym inhibitorem działającym na endotoksyny). Efekt ten jest także obserwowany przy obecności innych czynników występujących w osoczu
  • Lipoproteiny aktywnie uczestniczą w wiązaniu i unieszkodliwianiu bakteryjnej streptolizyny S
  • W trakcie infekcji wątroba jest pobudzana do syntezy większej ilości lipoprotein. Efekt ten tłumaczy się stymulacją poszczególnych szlaków enzymatycznych przez cytokiny wydzielane przez białe krwinki
  • Cząstki lipoprotein po związaniu toksyny bakteryjnej ulegają modyfikacjom strukturalnym. Takie zmiany są “zauważalne” dla makrofagów, które potrafią za pomocą rozbudowanego systemu receptorów odróżnić lipoproteiny zmodyfikowane  od  “normalnych”.  Zmodyfikowane lipoproteiny są fagocytowane znacznie intensywnej od prawidłowych.
  • Zmiany strukturalne w cząsteczkach lipoprotein zwiększają szansę tworzenia przez nie agregatów. Duże rozmiary agregatów LDL mogą być przyczyną uwięzienia ich w kapilarach tętnic.

Długotrwałe infekcje a choroby serca i miażdżyca

Istnieje dużo dowodów wskazujących na ważną rolę przewlekłych infekcji oraz stanów zapalnych w patogenezie chorób serca oraz naczyń. Zagadnienia te nie są  szczegółowo opisane w podręcznikach (o ile jest jakakolwiek wzmianka o nich). Warto zwrócić uwagę na informacje, które mają do przekazania autorzy publikacji poruszających ten temat:

  • chroniczna infekcja bakteryjna może mieć udział w inicjacji i progresji miażdzycy oraz destabilizacji istniejącej już blaszki miażdżycowej
  • istnieje związek pomiędzy przewlekłymi infekcjami bakteryjnymi przyzębia a wystąpieniem zawałów serca. Istotna jest tu rola endotoksyn wydzielanych przez bakterie gram-ujemne powodujące choroby przyzębia.
  • przewlekłe infekcje bakterią Chlamydia pneumonia oraz herpeswirusami wydają się prawdopodobnymi czynnikami, które mają wpływ na rozwój miażdżycy oraz wystąpienie zawału serca
  • przewlekłe infekcje spowodowane przez patogeny takie jak: Porphyromonas gingivalis, Helicobacter pylori , influenza A virus, hepatitis C virus, cytomegalovirus oraz HIV , są czynnikiem ryzyka w chorobach sercowo-naczyniowych
  •  w zmianach patologicznych związanych z miażdżycą zidentyfikowano bakterie powodujące paradontozę: Porphyromonas gingivalis oraz Treponema denticola. Sugeruje się, że Porphyromonas gingivalis może powodować stany zapalne śródbłonka poprzez aktywację receptorów TLR, co prowadzi do zwiększenia syntezy czynników prozapalnych
  • w zmianach miażdżycowych wykryto kilkadziesiąt gatunków bakterii chorobowtwórczych. Zasugerowano, że miażdżyca nie jest powodowana przez chroniczne zakażenie jednym rodzajem patogenu.
  • wydaje się, że stopień rozwoju miażdżycy jest ściśle związany z długością trwania choroby zakaźnej [Wiesel J 1906]
  • ” Wzrost tkanki wewnątrz ścian naczyń krwionośnych jest rezultatem bezpośredniego podrażnienia tej tkanki przez istniejący tam proces infekcyjny [..]” – Cytat z pracy Klotza i Manninga [1911] dotyczącej zmian w naczyniach krwionośnych u dzieci zmarłych na dur brzuszny. Zaczerpnięto z książki “The cholestrol myths” autorstwa Uffe Ravnskova

Podusmowanie

Można wyciągnąć wniosek, że podwyższony poziom LDL obserwowany u osób np. z miażdżycą może być związany z chroniczną infekcją toczącą się w organizmie. Warto się zastanowić czy:

  • walka z cholesterolem i nieustanne dążenie do sztucznego obniżenia poziomu LDL u tych osób jest rozsądnym postępowaniem?
  • Podwyższony poziom LDL  nie jest przyczyną, lecz markerem świadczącym o występowaniu stanu zapalnego np w obrębie śródbłonka tętnic?

Istnieje wiele innych publikacji, które wskazują na podobne lub takie same zjawiska. Wskazuję jedynie, że temat ten jest szeroko opisywany, a poważnym problemem jest brak jego szczegółowego przedstawienia w podręcznikach (w większości przypadków zagadnienie to nie jest w ogóle nie poruszane). Każdy kto ma do czynienia z chorobami serca lub naczyń powinien się dokładniej zaznajomić z tymi informacjami. Oczywiście, jak w każdym innym temacie, zawsze należy brać pod uwagę wiele innych czynników niż tylko przewlekła infekcja, a nie prezentować wyłącznie jednokierunkowe myślenie 🙂

Bibliografia

J.H Humphrey “THE NATURE OF ANTISTREPTOLYSIN S IN THE SERA OF MAN
AND OF OTHER SPECIES. THE LIPOPROTEIN PROPERTIES OF ANTISTREPTOLYSIN S.” THE BRITISH JOURNAL OF EXPERIMENTAL PATHOLOGY VOL. XXX OCTOBER, 1949 NO. O

H W Harris et al “Human very low density lipoproteins and chylomicrons can protect against endotoxin-induced death in mice” J Clin Invest. 1990 Sep; 86(3): 696–702

Mihai G. Netea et al “Low-Density Lipoprotein Receptor-deficient Mice Are Protected Against Lethal Endotoxemia and Severe Gram-negative Infections” J. Clin. Invest. Volume 97, Number 6, March 1996, 1366–1372

Kennet Emancipator et al “In Vitro Inactivation of Bacterial Endotoxin by Human
Lipoproteins and Apolipoproteins” INFECTION AND IMMUNITY, Feb. 1992, p. 596-601

ARTHUR G.SUITS et al “Phagocytosis of aggregated lipoprotein by macrophages:Low density lipoprotein receptor-dependent foam-cell formation” Proc. Natd. Acad. Sci. USA Vol. 86, pp.2713-2717, April1989

THOMAS S. PARKER et al “Reconstituted High-Density Lipoprotein Neutralizes Gram-Negative Bacterial Lipopolysaccharides in Human Whole Blood” INFECTION AND IMMUNITY, Jan. 1995, p. 253–258

Carl Grunfeld et al “HDL and innate immunity: a tale of two apolipoproteins” Journal of Lipid Research Volume 49, 2008

Robert S. Munford et al “Biological Activity, Lipoprotein-binding Behavior, and In Vivo Dispositionof Extracted and Native Forms of Salmonella typhimurium Lipopolysaccharides”  J Clin Invest Volume 70 October 1982 877-888

K.J Mattila et al “Association between dental health and acute myocardial infarction” BMJ. 1989 Mar 25; 298(6676): 779–781

Nieminen MS et al “Infection and inflammation as risk factors for myocardial infarction” Eur Heart J. 1993 Dec;14 Suppl K:12-6

Rosenfeld ME, Campbell LA “Pathogens and atherosclerosis: update on the potential contribution of multiple infectious organisms to the pathogenesis of atherosclerosis.” Thromb Haemost. 2011 Nov;106(5):858-67. doi: 10.1160/TH11-06-0392. Epub 2011 Oct 20

Zahra Armingohar et al “Bacteria and bacterial DNA in atherosclerotic plaque and aneurysmal wall biopsies from patients with and without periodontitis”

Ott SJ et al “Detection of diverse bacterial signatures in atherosclerotic lesions of patients with coronary heart disease” Circulation. 2006 Feb 21;113(7):929-37

Muhlestein JB “Bacterial infections and atherosclerosis” J Investig Med. 1998 Oct;46(8):396-402

Biologia witaminy K2, osteokalcyna, związki z osteoporozą i miażdżycą

Ogólnie znanym faktem jest rola witaminy K1 (filochinonu) jako związku niezbędnego między innymi w procesach krzpnięcia krwi (aktywacja czynników II, VII, IX i X) i gojenia się ran. Niestety nadal istnieje zasadniczy problem, który polega na braku stanowczego rozróżnienia witamin z grupy K. Problem ten istnieje w dużej mierze także w literaturze polskojęzycznej. Bardzo często można spotkać teksty informujące o roli witaminy K w pewnych procesach, jednak jest to błędem merytorycznym, ponieważ znane są obecnie co najmniej kilka form witamin należących do GRUPY K: K1 , K2 (menachinon), K3, K4 i K5 (menadiole, menadiony), które wykazują zupełnie inne działanie (trzy ostatnie są formami syntetycznymi). Dodatkowo, dostępne opisy funkcji witaminy K w literaturze fachowej dotyczą głównie witaminy K1, natomiast witamina K2 jest opisywana (o ile w ogóle jest) bardzo skąpo, co jest poważnym zaniedbaniem.

Fizjologia

Pierwszą rzeczą, którą należy nakreślić jest występowanie dwóch form witaminy K2: MK-4 oraz MK-7. Ich zasadniczą różnicą strukturalną jest długość łańcucha węglowego. Jednak zaobserwowano także istotną różnicę w farmakokinetyce tych form. Otóż prawdopodobnie forma MK-4 wykazuje mniejszy T1/2 od formy MK-7 – tzn. jej stężenie we krwi spada w znacznie krótszym czasie i tym samym wykazuje krótszy efekt działania.

Istnieje spora liczba prac wskazujących na ochronne działanie witaminy K2 w chorobach takich jak: miażdżyca i osteoporoza. Efekt ten wynika z udziału menachinonu w procesach fizjologicznych, które w dużej mierze są związane z tzw. obrotem kostnym oraz gospodarką wapniową.

Aby wyjaśnić tą kwestię, należy przedstawić rolę białek regulujących procesy mające na celu utrzymanie kości w prawidłowym stanie. Białkami tymi są:

  • osteokalcyna
  • osteonektyna
  • osteopontyna

Są one wydzielane przez osteoblasty (komórki kościotwórcze). Zasadniczym zadaniem tych białek jest wiązanie jonów wapnia, a następnie tworzenie trwałych hydroksyapatytów, co powoduje intensywną mineralizację kości. W odróżnieniu od osteokalcyny i osteopontyny –  osteonektyna wykazuje powinowactwo do kolagenu I, zatem obserwowana jest aktywność kompleksu osteonektyna-kolagen jako zdolnego do wiązania wapnia. Prawidłowa aktywność tych białek jest więc istotnym elementem mechanizmu regulującego gospodarkę wapniową związaną z mineralizacją tkanki kostnej. Warto odnotować, że ich upośledzona aktywność może być przyczyną sytuacji, w której kości z niedoborem wapnia nie mogą uzupełnić jego deficytów nawet wtedy, gdy wraz z pokarmem dostarczane są jego optymalne ilości. Dlatego też niesłuszne jest zalecanie spożywania olbrzymich ilości wapnia osobom chorym na osteoporozę, nie znając stopnia aktywności wymienonych białek, ponieważ może to doprowadzić do poważnych konsekwencji i pogorszenia stanu zdrowia. Powstaje pytanie: jak można ocenić tą aktywność? Największa ilość publikacji dotyczy związków witaminy K2 z osteokalcyną, dlatego też skupię się głównie na opisaniu tego zagadnienia.

Osteokalcyna jest białkiem zawierającym w swojej strukturze gamma-hydroksyglutaminian. Jest to aminokwas syntetyzowany właśnie przy obecności witaminy K2. Poniżej omówię mechanizm syntezy tej molekuły:

  1. Witamina K1/K2 w postaci hydrochinonowej wchodzi w reakcję z glutaminianem (reakcja wymaga środowiska tlenowego oraz katalizatora – epoksydazy witaminy K1/K2)
  2. Produktami reakcji są: karboanion glutaminianu oraz epoksyd witaminy K1/K2 (nieaktywny)
  3. Karboanion glutaminianu natychmiast reaguje z obecnym w środowisku komórkowym dwutlenkiem węgla, co skutkuje wytworzeniem karboksyglutaminianu
  4. Karboksyglutaminian jest następnie konwertowany do gamma-karboksyglutaminianu ( reakcja katalizowana przez gamma-karboksylazę przy udziale witaminy K2, która jest kofaktorem tego enzymu)

Kolejną rzeczą, którą należy podkreślić jest konieczność syntezy hydroksyproliny w komórkach. Okazuje się że ten nietypowy aminokwas jest także elementem strukturalnym osteokalcyny. Do produkcji hydroksyproliny jest niezbędna obecność witaminy C, od której zależny jest enzym syntetyzujący ten aminokwas – hydroksylaza prolinowa.

Synteza osteokalcyny jest również warunkowana przez obecność metabolitów witaminy D3, która stymuluje ekspresję tego białka, a także pobudza osteoblasty do wzrostu.

Jedna z publikacji: “The role of vitamin K2 on osteoblastic functions by using stem cell model” (szczegółowe informacje w bibliografii) podaje informację o funkcji witaminy K2 jako silnego czynnika stymulującego ekspresję osteokalcyny i osteonektyny in vitro.

Pochodne kumaryny

Ciekawym zagadnieniem jest wpływ jaki wywierają pochodne kumaryny na witaminy z grupy K. Dla wyjaśnienia – pochodne kumaryny są lekami stosowanymi w celu zmniejszenia krzepliwości krwi. Szacuje się że są one najczęściej przepisywanymi i stosowanymi na świecie lekami (ok 1,5 mln osób w 2012 roku). Najbardziej znanymi lekami z tej grupy są:

  • warfaryna
  • acenokumarol

Mechanizm ich działania opiera się o blokowanie gamma-karboksylacji reszt kwasu glutaminowego, co ma zahamować syntezę min. aktywnych czynników krzepnięcia krwi VII , XI i X i protrombiny. Okazuje się jednak, że ich stosowanie przyczynia się też do zmniejszania puli aktywnych witamin z grupy K. Cofnijmy się do punktu 2 powyżej przedstawionego mechanizmu – syntezy gamma- karboksyglutaminianu. Otóż powstająca wówczas epoksydowa forma witaminy K w sytuacji fizjologicznej jest przekształcana z powrotem do postaci hydrochinonowej na następującej zasadzie:

  1. Postać epoksydowa witaminy K —> postać chinonowa witaminy K (katalizowany przez reduktazę epoksydowej witaminy K)
  2. postać chinonowa —> postać hydrochinonowa ( katalizowany przez reduktazę chinonową przy udziale NADPH)

Pochodne kumaryny wykazują zdolnośc do hamowania etapu przekształcania postaci epoksydowej w postać hydrochinonową. Jak wiadomo, w procesie tym mogą brać udział zarówno witamina K1 jak i K2. Postać epoksydowa tych witamin jest natomiast formą nieaktywną. Skutkuje to zaburzeniami w syntezie gamma-karboksyglutaminianu –> hamowanie syntezy min. osteokalcyny. Stosowanie tych leków wiąże się również z innymi skutkami ubocznymi. Korzystnym zaleceniem byłaby suplementacja witaminy K2 u osób stosujących pochodne kumaryny.

Osteoporoza

Na podstawie powyższego opisu można stwierdzić, że witamina K2 jest niezbędnym elementem profilaktyki osteoporozy.  Badanie stężenia witaminy K2 w organizmie nie jest badaniem rutynowym przy diagnozowaniu i wdrażaniu leczenia osteoporozy. Głównymi zaleceniami są: spożywanie produktów bogatych w wapń, suplementację witaminą D3 oraz stosowanie bisfosfonianów (poważne skutki uboczne). Działalność taka może spowodować poważne problemy: zwiększenie prawdopodobieństwa złamań kości (sic!) oraz intensywny rozwój zwapnień na miejscu zmian miażdżycowych.

Wykazano także, że suplementacja witaminą K2 w znaczny sposób poprawia kondycję kości u kobiet w wieku pomenopauzalnym ( kobiety po menopauzie są narażone na większe ryzyko zachorowania na min. osteoporozę).

Miażdżyca

 Dowiedziono, że w tętnicach ze zmianami miażdżycowymi mogą pojawiać się osteoblasty, osteoklasty oraz chondrocyty – te same komórki, które budują kości. Jest to bardzo interesująca sprawa, tym bardziej, że w trakcie niektórych sekcji zwłok z tętnic mających bardzo zaawansowane zmiany miażdżycowe ekstrahowano…. fragmenty kości. Obecność tych komórek w tętnicach można opisać powołując się na następujący mechanizm: Otóż pluripotentne komórki prekursorowe osteoblastów pochodzenia mezenchymalnego mają zdolność do różnicowania się w:

  • osteoblasty ( pod wpływem cząsteczek sygnalizacyjnych BMP-2 i BMP4)
  • chondrocyty (pod wpływem PTHrP oraz IHH)

Oprócz tego obserwuje się nabywanie  zdolności do mineralizacji tkanki ( w ten sam sposób co osteoblasty) przez komórki mięśni gładkich występujących w tętnicach (VSMC) pod wpływem BMP-2. VSMC, które nabyły tą funkcję  określa się jako C-VSMC.

Natomiast osteoklasty powstają w trakcie przekształceń prekursorów jednojądrowych fagocytów pod wpływem czynników CSF-1 i RANKL.

W tętnicy po prostu formuje się kość, ponieważ komórki te wykazują wszystkie swoje fizjologiczne funkcje. Dochodzi do wytwarzania osteokalcyny i innych białek odpowiedzialnych za mineralizację (pobieranie jonów wapnia z krwi) oraz stabilizację tkanki kostnej.

Należy wskazać na ścisłe zależności między witaminą K2 a rozwojem miażdżycy. Otóż istnieją prace wskazujące na jej działanie ochronne polegające na redukcji zwapnienia tętnic. Zauważono, że witamina K2 aktywuje białko MGP*, którego rola opiera się o inhibicję (hamowanie) mineralizacji naczyń krwionośnych poprzez zdolność do  blokowania BMP-2 i BMP-4 , a więc nie dochodzi wówczas do powstawania osteoblastów w tętnicach i tym samym hamowany jest proces zwapniania. W badaniach klinicznych oraz w badaniach na zwierzętach (szczurach) wykazano, że stosowanie witaminy K2 podczas miażdżycy hamuje progresję choroby oraz proces zwapnienia tętnic.

*MGP jest białkiem, które fizjologicznie występuje w kościach i bierze udział w prawidłowej organizacji tkanki kostnej, współpracując z min. osteokalcyną.

 

Zakończenie

Organizm ludzki nie jest bezradny i nie jest skazany na suplementację witaminy K2, ponieważ występuje ona w pożywieniu (np fermentowana soja natto, w Europe jednak ciężko o ten produkt w dobrej jakości 🙂 , także żółtka jaj, dobrej jakości masło ), ale jest również syntetyzowana przez bakterie jelitowe (temat flory jelitowej będzie szerzej opisany). Dlatego też dbanie o florę jelitową i stosowanie pełnowartościowej diety są bardzo ważnymi elementami profilaktyki chorób związanych z zaburzeniami mineralizacji kości. Nadużywanie antybiotyków, sterydów, konserwantów żywności, alkoholu, nieprawidłowe stosowanie leków itp. może prowadzić do zaburzenia funkcjonowania flory jelitowej i tym samym niedoborów min. witamin K1 i K2. Suplementacja powinna być natomiast rozpatrzona w przypadku osteoporozy, czy też miażdżycy, ponieważ może ona przyczynić się do zwiększenia skuteczności leczenia tych chorób.

Istnieją jednak dowody na znacznie szersze działanie witaminy K2, opiszę to wówczas, gdy zbiorę odpowiednią ilość materiałów.

Zainteresowanych dogłębną analizą opisanego tematu odsyłam do poniższych publikacji (Do przeczytania niektórych z nich może być wymagane wykupienie dostępu).

Bibliografia:

Margueritta S. El Asmar, Joseph J. Naoum, and Elias J. ArbidVitamin K Dependent Proteins and the Role of Vitamin K2 in the Modulation of Vascular Calcification: A Review” Oman Med J. 2014 May; 29(3): 172–177.

Iwamoto J, Takeda T, Sato Y.”Effects of vitamin K2 on osteoporosis” Curr Pharm Des. 2004;10(21):2557-76.

M. H. J. Knapen, L. J. Schurgers, and C. Vermeer “Vitamin K2 supplementation improves hip bone geometry and bone strength indices in postmenopausal women” Osteoporos Int. 2007 Jul; 18(7): 963–972.

Katarzyna Maresz, PhD “Proper Calcium Use: Vitamin K2 as a Promoter of Bone and Cardiovascular Health ” Integr Med (Encinitas). 2015 Feb; 14(1): 34–39.

Iwamoto J, Takeda T, Sato Y. “Role of vitamin K2 in the treatment of postmenopausal osteoporosis.”Curr Drug Saf. 2006 Jan;1(1):87-97.

Conly JM, Stein K “The production of menaquinones (vitamin K2) by intestinal bacteria and their role in maintaining coagulation homeostasis.” Prog Food Nutr Sci. 1992 Oct-Dec;16(4):307-43.

Bunyaratavej N, Sila-Asna M, Bunyaratavej A. “The role of vitamin K2 on osteoblastic functions by using stem cell model.” J Med Assoc Thai. 2009 Sep;92 Suppl5:S1-3.

Termine JD et al. “Osteonectin, a bone-specific protein linking mineral to collagen.” Cell. 1981 Oct;26(1 Pt 1):99-105.

Skjødt H et al “Vitamin D metabolites regulate osteocalcin synthesis and proliferation of human bone cells in vitro.”  J Endocrinol. 1985 Jun;105(3):391-6.

Terence M. Doherty et al “Calcification in atherosclerosis: Bone biology and chronic inflammation at the arterial crossroads”  ( http://www.pnas.org/content/100/20/11201.full.pdf)

Kawashima. H et al “Effects of vitamin K2 (menatetrenone) on atherosclerosis and blood coagulation in hypercholesterolemic rabbits.” Jpn J Pharmacol. 1997 Oct;75(2):135-43.”
Rodrigo DAM Alves et al. “Calcifying vascular smooth muscle cells and osteoblasts: independent cell types exhibiting extracellular matrix and biomineralization-related mimicries” BMC Genomics. 2014; 15(1): 965.
Bertram G. Katzung et al ” Farmakologia ogólna i kliniczna” wyd. Czelej 2012, str 685
R.K Murray et al “Biochemia Harpera” wyd. PZWL 2012, str 597

 

Fizjologia tlenku azotu w układzie krwionośnym, peroksydacja lipidów

Synteza i właściwości tlenku azotu

NO pod względem chemicznym jest molekułą charakteryzującą się następującymi cechami:

  • wysoka reaktywność jako efekt obecności niesparowanego elektronu
  • słaba polarność ( niewielka różnica elektroujemności między atomami O i N)
  • zdolność do dyfuzji w środowiskach polarnych i niepolarnych, co jest wynikiem elektrycznej obojętności oraz małej wartości momentu dipolowego
  • względnie wysoka stabilność

W organizmie człowieka występują trzy enzymy odpowiedzialne za syntezę NO:

  • NOS-1 (syntaza neuronalna)
  • NOS-2 (syntaza immunologiczna)
  • NOS-3 (syntaza endotelialna)

Nazwy syntaz wzięły się z miejsc ich głównej aktywności.

Substratami wykorzystywanymi w enzymatycznej syntezie NO są:

  • L-arginina (substrat główny)
  • NADPH
  • tlen cząsteczkowy

Istotną rolę pełnią kofaktory:

  • FAD
  • FMN
  • hem
  • BH4 (tetrahydrobiopteryna)

Dodatkowo niezbędnymi czynnikami są jony wapnia oraz kalmodulina, które regulują aktywność syntaz tlenku azotu. Trzeba jednak podkreślić interesującą różnicę w regulacji aktywności syntaz. Otóż syntaza NOS-2 jest jako jedyna niezależna od cytozolowego stężenia jonów wapnia, ponieważ w przeciwieństwie do NOS-1 i NOS-3 jest trwale związana z kalmoduliną – jest to zatem enzym konstytutywnie aktywny. Regulacja stężeniem jonów wapnia polega na tworzeniu kompleksów Ca-kalmodulina, które indukując zmiany strukturalne w cząsteczkach enzymów aktywują NOS-1 i NOS-3 .

Są to informacje podstawowe. W dalszej części skupię się na szczegółowym opisaniu funkcji NO w układzie krwionośnym.

NO i naczynia krwionośne

Głównym funkcjami tlenku azotu w układzie krwionośnym są:

  • regulowanie ciśnienia krwi oraz napięcia mięśniówki naczyń krwionośnych (NO pełni funkcję EDRF – czynnika rozkurczającego pochodzenia śródbłonkowego)
  • szeroko pojęte działanie wazoprotekcyjne
  • działanie antyoksydacyjne
  • udział w stanach zapalnych oraz odpowiedzi immunologicznej, szczególnie w zmianach miażdżycowych (ważny element układu odpornościowego)

Mechanizm działania tlenku azotu związany z regulacją ciśnienia krwi

Aby doszło do syntezy jakiegokolwiek związku w organizmie żywym, musi zadziałać odpowiedni sygnał ze środowiska informujący o zapotrzebowaniu na określoną substancję. W przypadku NO mogą to być czynniki powodujące podwyższenie stężenia jonów wapnia w komórkach śródbłonka – np. acetylocholina. Mechanizm działania jest następujący:

1.Cząsteczka acetylocholiny dołącza się do receptora cholinergicznego M3, występującego na powierzchni komórek  śródbłonka. Receptor ten jest zbudowany z siedmiu helis transbłonowych związanych z białkiem G.

2. Uruchomienie szlaku sygnalizacyjnego związanego z działalnością trifosforanu inozytolu oraz diacyloglicerolu, który stymuluje retikulum endoplazmatyczne do wydzielania jonów wapnia do wewnątrz cytozolu (ER jest magazynem jonów wapnia wewnątrz komórki).

3. Wysokie stężenie jonów wapnia inicjuje powstawanie kompleksów Ca-kalmodulina, które następnie aktywują syntazę NOS-3 (endotelialną)

4. Dochodzi do syntezy NO z L-argininy, który następnie dyfunduje do mięśni gładkich budujących mięśniówkę naczynia krwionośnego

5. Obecność NO w komórkach mięśni gładkich powoduje aktywację cyklazy guanylowej (GC), która jest wyjątkowym targetem hemowym dla NO (GC). Jako produkt powstaje cykliczny GMP, który wykazuje powinowactwo do kinazy białkowej G. Aby utrzymać aktywność GC konieczna jest ciągła obecność NO w jej otoczeniu.

6. Aktywna kinaza białkowa G hamuje pompowanie jonów wapnia do cytozolu komórki mięśnia ze środowiska. Dochodzi zatem do zahamowania aktywności skurczowej mięśnia, co może się przekładać na obniżenie ciśnienia krwi.

Aktywność wazoprotekcyjna i antyoksydacyjna, związek z peroksydacją lipidów, fizjologiczne przeciwutleniacze

Temat ten został częściowo opisany w artykule o homocysteinie. Należy jednak rozwinąć pewne zagadnienia związane z mechanizmami działania:

  • hamowanie peroksydacji lipidów przez NO
  • neutralizacja reaktywnych postaci tlenu
  • aktywność przeciwzakrzepowa

Peroksydacja lipidów jest procesem patologicznym, który polega na utlenieniu kwasów tłuszczowych przez wolne rodniki (np. rodnik hydroksylowy). Proces ten sprzyja powstawaniu: procesów zapalnych, miażdżycy, a nawet niektórych nowotworów. Należy podkreślić, że reakcja ta dotyczy kwasów tłuszczowych zawierających wiązania podwójne oddzielone grupą metylenową – kwasy nienasycone. Warto się zastanowić nad słusznością zalecania spożywania tłuszczów nienasyconych osobom, które chorują na miażdżycę (wielu autorów sugeruje, że taka działalność może spowodować więcej negatywnych skutków niż korzyści). Przemawia za tym fakt, że miażdżyca jest chorobą związaną z przewlekłym stanem zapalnym, a więc i możliwym stresem oksydacyjnym. Wracając do peroksydacji, jej szkodliwe działanie ujawnia się podczas powstawania produktów – nadtlenków kwasów tłuszczowych – które wykazują silnie toksyczne działanie w obrębie komórek. Tlenek azotu ma natomiast zdolność antyoksydacyjną – neutralizuje wolne rodniki, które są przyczyną peroksydacji lipidów i tym samym zmniejsza jej intensywność. Oczywiście NO nie jest jedynym związkiem, pełniącym tą funkcję. Wyróżniamy wiele antyoksydantów – np. tokoferole i tokotrienole (wtiaminy E, z czego najsilniejszym przeciwutleniaczem jest prawdopodobnie delta-tokoferol), witamina C, enzymy: katalaza, peroksydaza glutationowa, czy dysmutaza ponadtlenkowa. Mechanizmy działania tych związków są niekiedy odmienne, ale ostatecznie prowadzą do efektu ochronnego przed wolnymi rodnikami.

Istnieje jednak proces, w którym tlenek azotu po reakcji z anionorodnikiem pondatlenkowym nie zachowuje się jako antyoksydant, lecz jako prooksydant. Powstający wówczas peroksyazotan (III)  gdy ulegnie uprotonowaniu, uzyskuje możliwośc dyfuzji przez błony komórkowe i może powodować znaczne uszkodzenia w komórkach.

Aktywność przeciwzakrzepowa

Trombocyty zawierają syntazę NOS-3, jest to zatem dowodem na ich zdolność do wydzielania NO. Istotnie, jest to ważny czynnik regulujący aktywację płytek krwi. NO produkowany przez płytki krwi aktywuje cyklazę guanylową, której produkt – cGMP – hamuje agregację płytek krwi blokując nadmiar krążącej w osoczu trombiny i tym samym nie doprowadza do zapoczątkowania tworzenia skrzepu. Mechanizm ten jest fizjologiczny i ściśle regulowany przez większą ilość związków, niemniej jednak NO pełni tu także ważną funkcję.

Udział NO w procesach zapalnych i odpowiedzi immunologicznej będzie opisany w osobnym artykule

Bibliografia:

“Biochemia Harpera” R.K.Murray, D. K. Granner, V.W. Rodwell, wyd. PZWL 2012 str.734 i 739

K.F Nickel et al. “Thrombin Has Biphasic Effects on the Nitric Oxide-cGMP Pathway in
Endothelial Cellsand Contributes to Experimental Pulmonary Hypertension”
PLoS ONE 8(6):e63504 June 2013

Guang-Rong Wang et al. “Mechanism of platelet inhibition by nitric oxide:In vivophosphorylation of thromboxane receptor by cyclic GMP-dependent protein kinase” Proc. Natl. Acad. Sci. USAVol. 95, pp. 4888 – 4893, April 1998 Biochemistry

Hogg N , Kalyanaraman B. “Nitric oxide and lipid peroxidation” Biochim Biophys Acta. 1999 May 5;1411(2-3):378-84.

Nitric Oxide Function in Coagulation – Part II

Horton AA, Fairhurst S. “Lipid peroxidation and mechanisms of toxicity.” Crit Rev Toxicol. 1987;18(1):27-79