Tlenek azotu, czyli od nitrogliceryny do Viagry

Cząsteczka tlenku azotu. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Tlenek azotu czyli stymulator

Tlenek azotu (dokładniej: tlenek azotu(II), wzór chemiczny NO) jest małą cząsteczką o dużej aktywności biologicznej. Niewielkie rozmiary i lipofilność (zdolność do rozpuszczania się w tłuszczach) powodują, że łatwo przenika przez błony komórkowe bez pośrednictwa białek transportujących. Tlenek azotu bierze udział w następujących procesach:

• regulacja napięcia naczyń krwionośnych, a tym samym ciśnienia tętniczego krwi;
• przekazywanie impulsów w układzie nerwowym;
• hamowanie agregacji płytek krwi, czyli udział w mechanizmie krzepnięcia;
• regulacja odpowiedzi odpornościowej;
• erekcja członka.

Za wyjaśnienie roli tlenku azotu w procesach fizjologicznych Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyna lub fizjologia w roku 1998 otrzymali: Robert F. Furchgott (Cornell University), Louis Ignarro (University of California, Los Angeles) i Ferid Murad (University of Texas).

Tlenek azotu(II) jest jednym z sześciu trwałych związków tlenu i azotu. Jeden z nich, znany jako gaz rozweselający (N₂O czyli podtlenek azotu albo tlenek azotu(I)), jest wart osobnego omówienia (wkrótce).

Cząsteczka NO zawiera jeden niesparowany elektron, jest więc wolnym rodnikiem. Tlenek azotu powstaje z L-argininy (aminokwas) oraz tlenu cząsteczkowego w reakcji katalizowanej przez syntazę NO (Ryc. 1).

Ryc. 1. Powstawanie tlenku azotu (NO) z argininy katalizowane przez syntazę tlenku azotu. NADP: fosforan dinukleotydu nikotynamidowego, który pełni rolę akceptora elektronów w tej reakcji. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Tlenek azotu jest produkowany przez komórki śródbłonka, które wyściełają nasze naczynia krwionośne, ale także przez neurony. U człowieka i innych ssaków istnieją trzy geny kodujące syntazy tlenku azotu:

• NOS1 (nNOS):

Ulega ekspresji w komórkach nerwowych, a produkowany przez nią tlenek azotu bierze udział w przekazywaniu impulsów nerwowych;

• NOS2 (iNOS):

Jest indukowana przez cytokiny w czasie stanu zapalnego i bierze udział w odpowiedzi odpornościowej;

• NOS3 (eNOS):

Ulega ekspresji w komórkach śródbłonka wyściełających naczynia krwionośne. Produkowany przez nią tlenek azotu reguluje napięcie mięśni gładkich w naczyniach krwionośnych, a pośrednio wpływa na ciśnienie krwi. 

Ze względu na złożoność procesów, które reguluje, a także zdolność do autoregulacji, tlenek azotu jest obecnie uznawany za „nietypowy hormon” (chociaż budzi to kontrowersje wśród purystów endokrynologicznych). Mutacje w genach kodujących syntazy tlenku azotu powodują, że produkcja tlenku azotu jest znacznie podwyższona u rdzennych mieszkańców Tybetu. Jest to jeden z czynników umożliwiającym im życie na dużych wysokościach, gdzie tlenu jest mało.

Cykliczny GMP, czyli pośrednik

Ze względu na niewielkie rozmiary i zdolność do przenikania przez błony komórkowe, tlenek azotu łatwo wnika do komórek, jest więc klasyczną cząsteczką sygnałową. W jaki sposób przekazuje ten sygnał? Wiążąc się z enzymem o nazwie cyklaza guanylowa, która jest enzymem przekształcającym guanozyno-5’-trifosforan (GTP) do jego cyklicznej formy o nazwie cykliczny guanozyno-3′,5′-monofosforan (cGMP). W reakcji powstaje też pirofosforan, czyli dimer fosforanu. Cyklaza guanylowa jest jedynym receptorem dla tlenku azotu (Ryc. 2).

Ryc. 2. Synteza cyklicznego guanozyno-3′,5′-monofosforanu (cGMP) z guanozyno-5’-trifosforanu (GTP). Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Istnieją dwie formy cyklazy guanylowej: transmembranowa i rozpuszczalna. Transmembranowa produkuje cykliczny GMP w wyniku związania rozpuszczalnej cząsteczki, którą może być jak np. przedsionkowy peptyd natriuretyczny regulujący zwrotne wchłanianie sodu w nerkach, albo enterotoksyna bakteryjna, czyli białko produkowane przez bakterie powodujące zatrucia pokarmowe. Związanie enterotoksyn przez transmembranową cyklazę adenylową powoduje wzrost stężenia cGMP, co powoduje otwarcie kanałów jonowych w jelicie grubym. Skutkiem są zaburzenia równowagi sodowo-potasowej w komórkach jelit. Odczuwamy je w postaci biegunki.

Ale tlenek azotu działa wyłącznie na rozpuszczalną (czyli obecną w cytoplazmie komórki) formę cyklazy guanylowej. Białko to zawiera cząsteczkę hemu, która, wiążąc tlenek azotu wpływa na aktywność enzymu, stymuluje go do produkcji cyklicznego GMP.  Co dzieje się dalej? cGMP działając na kanały jonowe w błonie komórkowej obniża stężenie jonów wapnia (Ca²⁺) w komórce. Jony wapnia są modulatorem skurczu mięśnia, który polega na wzajemnym przesunięciu miozyny i aktyny. Bez wapnia takie przesunięcie (a więc i skurcz mięśnia) nie może zajść. Pisałem o tym w tekście o sprawie Kathleen Folbigg.

Co prawda chodziło tam o mięśnie prążkowane (czyli szkieletowe), ale w mięśniach gładkich mechanizm jest całkiem podobny. Cykliczny GMP powoduje obniżenie stężenia jonów Ca²⁺, a tym samym rozkurcz mięśni gładkich.

Rozkurcz mięśni gładkich jako skutek

Tak więc im więcej cyklicznego GMP, tym rozkurcz mięśni gładkich jest silniejszy i trwa dłużej. Na produkcję cGMP wpływa tlenek azotu i dlatego w leczeniu objawów dławicy piersiowej zwanej też dusznicą bolesną, choroby spowodowanej niewystarczającym dopływem krwi do mięśnia sercowego, używa się nitrogliceryny czyli trinitroglicerolu. Jest to ta sama nitrogliceryna, którą stosuje się jako materiał wybuchowy: w wyniku gwałtownego wstrząśnięcia (a także podgrzania do temperatury 218^oC), nitrogliceryna w sposób wybuchowy rozkłada do dwutlenku węgla, wody, azotu i tlenu (tlenek azotu nie powstaje). Wbrew nazwie, nitrogliceryna jest estrem, a nie związkiem nitrowym, ponieważ nie zawiera wiązań C-N (Ryc. 3).

Ryc. 3. Wzór nitrogliceryny i reakcja jej rozkładu. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Klasyczny film „Cena Strachu” w reżyserii Henri-Georgesa Clouzota (1953 r.) opowiada historię transportu ładunku nitrogliceryny, która miała posłużyć do ugaszenia pożaru szybu naftowego, przez bezdroża niewymienionego z nazwy państwa w Ameryce Południowej. Kto oglądał, pamięta na pewno wybuch nitrogliceryny, a także dramatyczną scenę, która rozegrała się chwilę później.

Ponieważ nitrogliceryna bardzo łatwo wybucha, poszukiwano materiału o większej stabilności. Udało się to Alfredowi Noblowi, który wymieszał nitroglicerynę z ziemią okrzemkową, czyniąc tę mieszaninę (którą nazwał dynamitem) odporną na wstrząsy (1867 r.). Ale ta sama nitrogliceryna w niewielkich ilościach może być stosowana jako lek rozszerzający naczynia krwionośne. W komórkach ulega rozkładowi m.in. do tlenku azotu pod wpływem obecnego w mitochondrium enzymu, dehydrogenazy aldehydowej (to jest ten sam enzym, który pomaga nam zwalczać nieprzyjemne skutki po spożyciu większej ilości alkoholu). Tlenek azotu działając na mięśnie gładkie w naczyniach krwionośnych powoduje ich rozkurcz, ułatwiając dopływ krwi do mięśnia sercowego (Ryc. 4).

Ryc. 4. Działanie tlenku azotu (NO) jako stymulatora produkcji cGMP. sGC: rozpuszczalna cyklaza guanylowa, PDE5: fosfodiesteraza typu 5. Według: Lee S., Park CY. Ann Transl Med 2023;11(10):352. Licencja CC BY 4.0.

Pojawia się problem: fosfodiesteraza typu 5

Oś tlenek azotu – cykliczny GMP – jony wapnia działa na ogół bardzo sprawnie, ale jest jeden problem: cGMP jest cząsteczką bardzo nietrwałą, szybko rozkładaną przez enzym o nazwie fosfodiesteraza typu 5. Dlatego do utrzymania rozkurczu mięśni gładkich potrzebne są stale nowe „dostawy” tlenku azotu. Systematyczne zażywanie nitrogliceryny przez pacjentów z dławicą piersiową powoduje jednak efekty uboczne, takie jak spadki ciśnienia, nudności, wymioty czy zaburzenia oddychania. Dlatego firmy farmaceutyczne, w tym Pfizer, prowadziły badania nad substancjami mogącymi zahamować działanie fosfodiesterazy typu 5. Mogłyby one umożliwić bardziej trwały rozkurcz mięśni gładkich bez wspomnianych efektów ubocznych. Jedną z tych substancji był sildenafil (zarejestrowany przez firmę Pfizer pod nazwą handlową Viagra), który przypomina budową cykliczny GMP i może blokować fosfodiesterazę, uniemożliwiając rozkład cGMP (Ryc. 5).

Ryc. 5. Sildenafil. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

W czasie testów okazało się jednak, że sildenafil słabo hamuje objawy dławicy  piersiowej, natomiast powoduje u pacjentów nieoczekiwane skutki uboczne w postaci erekcji członka. Jaki jest mechanizm tego zjawiska? Trzeba najpierw wyjaśnić, skąd się bierze erekcja.

Tlenek azotu i erekcja członka

W skład męskiego członka wchodzą cylindryczne zatoki, które w wyniku pobudzenia mogą napełnić się krwią tętniczą. Są to dwa ciała jamiste oraz jedno ciało gąbczaste. W czasie erekcji ciała jamiste napełniają się krwią, powodując usztywnienie, czyli erekcję członka. Co powoduje to usztywnienie? Odpływ krwi z tętnic do ciała jamistych jest w normalnych warunkach zablokowany przez skurcz mięśni gładkich. Podniecenie seksualne powoduje aktywację ośrodka erekcji w rdzeniu kręgowym, a to z kolei wpływa na wydzielanie tlenku azotu przez zakończenia nerwowe w członku. Powoduje to rozkurcz mięśni gładkich blokujących przepływ krwi z tętnic członka do ciała jamistych. Ciśnienie krwi w ciałach jamistych zwiększa się, blokując odpływ żylny (Ryc. 6). Członek usztywnia się, a ciśnienie krwi może przekroczyć 150 mm Hg (ok. 20-30 mm Hg więcej niż tętnicze ciśnienie skurczowe).

Ryc. 6. Mechanizm erekcji członka. Według: Kim E. et al., BMC Urology 2015, 15:11. Licencja CC BY 4.0.

Jeżeli erekcja ma się utrzymywać, konieczne jest stałe pobudzanie mięśni gładkich do rozkurczu za pośrednictwem tlenku azotu, który stymuluje cyklazę adenylową do produkcji cyklicznego GMP. Inaczej mówiąc, produkcja cGMP musi zachodzić szybciej niż jego rozkład przez fosfodiesterazę typu 5. Jeżeli rozkład zachodzi szybciej, erekcja zanika. I tu właśnie wchodzi do gry Sildenafil, blokując rozkład cGMP (Ryc. 7).

Ryc. 7. Wpływ tlenku azotu na rozkurcz mięśni gładkich. PDE5: fosfodiesteraza typu 5. Według: Cruz-Burgos M. et al., Fr., Oncol. 2021, 11:627229. Licencja CC BY 4.0.

Tak więc w podsumowaniu: tlenek azotu działając jako cząsteczka sygnałowa aktywuje produkcję cyklicznego GMP, który za pośrednictwem jonów wapnia powoduje rozkurcz mięśni gładkich. Skutkiem może być lepsze ukrwienie serca, ale również erekcja członka. Podwyższenie trwałości cyklicznego GMP poprzez zahamowanie aktywności enzymu, który go rozkłada (czyli fosfodiesterazy typu 5) umożliwia bardziej efektywne działanie tlenku azotu. Ale tu należy uważać, bo nadmiar tlenku azotu może być niebezpieczny. Dlatego nie należy zażywać Viagry lub jej odpowiedników (Mensil, Inventum), jeżeli jednocześnie bierze się leki generujące tlenek azotu (nitrogliceryna, Nitro-Stat, Nitro-Bid). Liczne przypadki zejść śmiertelnych w wyniku jednoczesnego zażycia tych dwóch specyfików mogą być ostrzeżeniem.

A nitrogliceryna? Dalej jest jednocześnie lekiem i aktywnym składnikiem dynamitu. Niestety wydaje się, że to drugie zastosowanie zaczyna odgrywać coraz większą rolę w naszym świecie.

Literatura dodatkowa

Tlenek azotu jako cząsteczka sygnałowa i hormon

https://dx.doi.org/10.21037/atm-22-5634

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/apha.13443

Tlenek azotu i cGMP

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005272899000249

Mechanizm erekcji

https://bmcurol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12894-015-0005-x

Autor

Marcin Czerwiński

chemik z wykształcenia, biolog molekularny z zawodu. Interesuje się glikobiologią i grupami krwi, a prywatnie fotografią. Miłośnik twórczości Stanisława Lema. X: @CzerwinsMarcin, Bluesky: @czerwinsmarcin.bsky.social.

Ostatnie wpisy

Archiwum autora

• biologia molekularna17 listopada 2025Od semaglutydu do jadowitej jaszczurki, czyli jak badanie gadów wpływa na leczenie cukrzycy i otyłości
• biochemia21 lipca 2025Tlenek azotu, czyli od nitrogliceryny do Viagry
• biologia molekularna9 czerwca 2025Czy w wyniku inwazji kleszczy staniemy się wegetarianami?
• biochemia7 marca 2025Lewoskrętna witamina C: fakty i mity