1.3. Метаболічні перетворення l-аргініну

Існує два шляхи метаболізації цієї амінокислоти: неокиснювальний та окиснювальний . Неокиснювальний (аргіназний) складається з реакцій: L-Арг  карбамід  орнітин  путресцин  поліаміни. Окиснювальний (NO-синтазний) шлях має таку структуру: L-Арг  NO (оксид азоту)  NO₂^-  NO₃^-. У нормотензивних тварин (щурів) домінує NO-синтазний шлях метаболізму даної амінокислоти [17]. Можливе і одночасне протікання цих двох процесів [21].

При гідролізі бактеріями із аргініну утворюється агматин – сильно лужний амін [22].

Схематично реакцію синтезу NO можна представити у вигляді рівняння:

2Arg + 3NADPH + 4О₂ + 3H = 2Cit + 2NO + 3NADPH + 4H₂O

де Arg - аргінін; Cit – цитрулін.

У фізіологічних умовах синтез NO з L-аргініну відбувається за допомогою ферментів NO-синтази (NO-synthase, NOS), іншим продуктом реакції є L-цитрулін. NOS – єдиний відомий на сьогодні фермент, який використовує у цьому процесі одночасно 5 кофакторів (флавінаденіндинуклеотид, флавинмононуклеотид, гем, тетрагідробіоптерин і кальцій/кальмодулін), будучи таким чином одним з найбільш регульованих в природі ферментів [23].

Існує кілька ізоформ NOS, названих за типом клітин, де вони були вперше виділені: двома конститутивними (cNOS) — нейрональною (nNOS-1) і ендотеліальною (eNOS-3) і однією індуцибельною (iNOS, NOS-2) [24].

nNOS – білок нейронального походженя [17]. Крім нервової тканини, NOS-1 експресується в скелетних м’язах, кардіоміоцитах, епітелії бронхів і трахеї. NOS-1 – це фермент, рівень експресії якого в деякій мірі може регулюватися концентрацією в клітині йонів кальцію. Фермент бере участь у забезпеченні механізмів пам’яті, модуляції больового подразнення, координації між нервовою активністю і судинним тонусом [25]. nNOS переважно синтезує NO в якості трансмітера в головному мозку та периферичній нервовій системі, особливо у неадренергічних нехолінергічних автономних нервових волокнах.

Другий тип – NOS-2, вперше виділений із активованих лейкоцитів, молекулярна маса якого становить 135 кДа. Цей фермент виявлений у кардіоміоцитах, ендотеліоцитах, гладком’язевих клітинах, гепатоцитах, але головним його джерелом є макрофаги [27,28].

Макрофагальна іNOS активується під впливом бактеріальних ендотоксинів і запальних цитокінів [26] (таких як фактор некрозу пухлини-α і інтерлейкіни), деяких компонентів клітинної стінки грампозитивнихбактерій [27], механічне пошкодження судинної стінки, вагітність, виробляючи NO в кількості в 1000 разів більшій, ніж із еNOS. NOS-2 – індуцибельний фермент, рівень його експресії не залежить від концентрації внутрішньоклітинного кальцію. Наслідком індукції NOS-2 є посилення кровотоку у вогнищах запалення, при гіперпродукції NO можлива повна втрата судинної реактивності на пресорні стимули навіть до розвитку септичного шоку (це єдина форма NOS, що здатна синтезувати цитотоксичні рівні NO, оскільки в її структурі відсутня аутоінгібуюча послідовність).

Активність еNOS підтримується біохімічними стимулами, такими як ацетилхолін і брадикінін[26], а також за рахунок сили потоку крові, яка направлена вздовж ендотеліальної поверхні кровоносної судини. Таким чином активуються рецептори поверхні ендотеліальних клітин. Проте в даний час є докази, що еNOS знаходиться не тільки в ендотелії, але і в інших клітинах і тканинах.

В синтезі NO беруть участь ряд кофакторів: NADPH, міцно зв'язаний гем, флавінові нуклеотиди: фловінадениндинуклеотид (FAD), фловінмононуклеотид (FMN), 5,6,7,8-тетрагідробіоптерин, глутатіон (можливо), кальмодулін і кальцій (є коферментом лише для NOS-3) [29]. В залежності від кількості доступних кофакторів аргініну реакція може протікати двояко: з утворенням NO, з утворенням пероксидів, а також паралельним синтезом NO та пероксидів.

Стаціонарна концентрація NO визначається швидкістю його утворення і розпаду, так як NO і його метаболіти в істотних кількостях в тканинах на запасаються. Активність різних ізоформ NO-синтаз коливається в широких межах: NOS-1 (нейрональна) має максимальне значення близько 300 нмоль/мг/хв, NOS-2 (макрофагальна) – до 1000 нмоль/мг/хв, NOS-3 (ендотеліальна) – близько 15 нмоль/мг/хв. [30].

Зміни вмісту NO в просвіті судин на різних ділянках серцево-судинної системи коливається в межах 0,3 – 1,3 мкмоль. За допомогою мікроелектродної техніки було виявлено, що ендотелій може виробляти в 10-40 разів більше NO, ніж потрібно для активації розчинної гемвмісної гуанілатциклази. В печінці мишей NO продукується зі швидкістю 2 мкмоль/годину/г, а в інших тканинах в 5-10 разів менше. В тканинах міокарда його вміст за рахунок синтезу NOS-3 складає 100-300 пмоль. Загальна кількість NO, що синтезується, коливається в межах 150-1000 мкмоль/добу (більше 100 мг) [31].

Інший шлях метаболізму аргініну, так званий неокислювальний, як зазначалося вище, відбувається за участю ферменту аргінази. Аргіназа здійснює синтез орнітину та сечовини із амінокислоти L-аргініну, конкуруючи, таким чином, за спільний субстрат із синтазою оксиду азоту. Виявлено зростання активності даного ферменту в печінці експонованих свинцем щурів, особливо у постекспозиційному періоді. За таких умов можливе зниження концентрації аргініну в тканинах печінки, а також зменшення його біодоступності для NOS. Важливо відзначити, що NO-синтаза належить до групи оксидаз, яка за певних умов, наприклад при нестачі субстрату (L-аргініну) чи кофакторів (особливо ВН4), здатна синтезувати супероксид-аніон замість оксиду азоту або паралельно синтезувати обидва ці продукти, що є передумовою утворення пероксинітриту [32].

У печінці NO утворюється з L-аргініну як у паренхімних, так і у непаренхімних клітинах. З віком в організмі людини змінюється рівень похідних оксиду азоту. Так, у віці 60-79 років спостерігається зниження концентрації нітритів у крові. Припускають [11], що такі зміни виникають через пошкодження клітин ендотелію або їх виснаження після тривалого впливу сполук, що стимулюють синтез NO. Зменшується рівень NO₂^- і в організмі щурів, що постаріли порівняно зі зрілим віком.