Кіріспе

Нейротрансмиттерлер класы
Газтрансмиттерлер – нейротрансмиттерлер класы болып табылады. Бұл молекулалар басқа биоактивті эндогенді газдық сигнал молекулаларынан ерекше сипаттама критерийлеріне сәйкес келу қажеттілігімен ажыратылады. Қазіргі уақытта азот оксиді, көміртек оксиді және күкірт сутегі ғана газтрансмиттерлер ретінде қабылданады. In vitro модельдерге сәйкес, газтрансмиттерлер, басқа газдық сигнал молекулалары сияқты, газорецепторларға байланысып, жасушаларда сигналдауды іске қосуы мүмкін. Бұл газдар өндірісі мен функцияларында көптеген ортақ белгілерге ие, бірақ классикалық сигнал молекулаларынан өзгешеленетін ерекше жолдармен өз міндеттерін атқарады.

Критерийлер

"Газөткізгіш" терминологиясы мен сипаттама критерийлері алғаш рет 2002 жылы енгізілді. Газ молекуласын газөткізгіш деп санау үшін келесі критерийлердің барлығы орындалуы керек. Азот оксиді мен күкірт сутегі көптеген молекулалық нысаналармен жоғары реактивті, ал көміртек оксиді салыстырмалы түрде тұрақты және метаболизмі жай, негізінен сүтқоректілер организмдеріндегі темір иондарымен байланысқан кешендермен өзара әрекеттеседі. Биологиялық функциялардың көлемі филогенетикалық әлемдерде әртүрлі, мысалы, көміртек оксидінің никель немесе молибден көміртек оксиді дегидрогеназа ферменттерімен маңызды өзара әрекеттесуі осыны көрсетеді. Газөткізгіштер биосенсорлық, иммунология, нейроғылым, гастроэнтерология және фармацевтикалық әзірлемелерді қоса алғанда, көптеген басқа да салаларда зерттелуде. Биомедициналық зерттеулерге ең көп назар берілгенімен, газөткізгіштер биологиялық әлемдердің барлығында зерттелуде. Газөткізгіштерді зерттеуге көмектесетін көптеген талдау құралдары әзірленді.

Азот оксиді

1998 жылғы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы эндогенді сигнал молекуласы ретінде азот оксидінің (NO) ашылуы үшін берілді. Зерттеу 1980 жылы NO алғаш рет «эндотелийден шыққан релаксациялық фактор» (ЭРФ) ретінде белгілі болған кезде басталды. ЭРФ-нің іс жүзінде NO екендігі 1986 жылы анықталды, көптеген адамдар бұл оқиғаны газды тасымалдағыштарды зерттеудің қазіргі заманғы дәуірінің басталуы деп санайды. Көміртек оксиді мен күкірт сутегіне қарағанда NO ерекше, себебі ол радикалды газ. NO өте реактивті (өмір сүру мерзімі бірнеше секунд), бірақ мембраналар арқылы еркін таралады. Бұл қасиеттері NO-ны уақытша паракриндік (жақын жасушалар арасындағы) және автокриндік (бір жасуша ішіндегі) сигнал молекуласы ретінде тиімді етеді. Ол бактериялардан өсімдіктерге, саңырауқұлақтарға және жануарлар жасушаларына дейінгі барлық организмдерде таралған биоөнім болып табылады. NO әртүрлі азот оксиді синтазасы (АОС) ферменттері арқылы L-аргининден эндогендік биосинтезделеді. Органикалық емес нитраттың тотығуы да NO түзуге көмектеседі. АОС-ке тәуелсіз, «нитрат-нитрит-азот оксиді» жолы деп аталатын баламалы жол, жапырақты көкөністер сияқты өсімдіктерден алынған тағамдық нитраттың тізбектеп тотығуы арқылы NO деңгейін көтереді: мысалы, шпинат, руккола және қызылша. Адам организмінің нитрат-нитрит-азот оксиді жолы арқылы NO өндіруі үшін, нитраттың нитритке тотығуы ауыз қуысы микробиомы арқылы жүзеге асады. NO өндірісі жоғары биіктікте тұратын халықта жоғарылайды, бұл оларға өкпе тамырларының кеңеюіне көмектесу арқылы гипоксиядан сақтануға көмектеседі. Қан тамырларының эндотелиі (ішкі қабығы) қоршаған тегіс бұлшық еттеріне сергіту сигналын беру үшін NO пайдаланады, осылайша тамырлар кеңейеді және қан ағыны артады. NO тамырлардың гомеостазына тамырлардың тегіс бұлшық еттерінің жирылуын және өсуін, тромбоциттердің бірігуін және лейкоциттердің эндотелийге жабысуын тежеу арқылы үлес қосады. Атеросклероз, диабет немесе гипертониямен ауыратын адамдарда NO жолдарының бұзылуы жиі кездеседі. Гипертония кезінде тамыр кеңейту механизмі мынадай: NO ерігіш гуанилат циклазаны (гетеродимерлі фермент) стимуляциялайды, содан кейін циклдік ГМФ түзіледі. Циклдік ГМФ протеинкиназа G-ні белсендіреді, бұл Ca2+ қайта сіңуіне және кальцийге сезімтал калий арналарының ашылуына әкеледі. Ca2+ концентрациясының төмендеуі миозиннің жеңіл тізбекті киназасының (МЖКК) миозин молекуласын фосфорилдеуін тоқтатады, осылайша көпірлік циклды тоқтатады және тегіс бұлшық клеткасының сергілуіне әкеледі. NO фагоциттер (моноциттер, макрофагтар және нейтрофилдер) арқылы да түзіледі, бұл адамның иммундық жауабының бір бөлігі болып табылады. Фагоциттерде индукцияланатын азот оксиді синтазасы (iАОС) бар, ол интерферон гамма (IFN γ) бір сигнал ретінде немесе ісік некрозы факторы (TNF) екінші сигналмен бірге белсендіреді. Керісінше, трансформациялық өсу факторы бета (TGF β) iАОС-ке күшті тежегіш сигнал береді, ал интерлейкин 4 (IL 4) және IL 10 әлсіз тежегіш сигналдар береді. Осылайша иммундық жүйе қабыну және иммундық жауаптар кезінде рөл атқаратын фагоциттердің ресурстарын реттей алады. NO иммундық жауап кезінде еркін радикалдар түрінде бөлінеді және бактериялар мен жасушаішілік паразиттерге, соның ішінде Лейшмания мен безгекке улы болып келеді; бұл механизм ДНК зақымдануын және темір-күкірт орталықтарының темір иондары мен темір нитрозилді қосылыстарға ыдырауын қамтиды. NO-ның екі маңызды биологиялық реакциялық механизмі - тиолдардың S-нитрозациясы және өтпелі металл иондарының нитрозиляциясы. S-нитрозациялау тиол топтарының (протеиндердегі цистеин қалдықтары сияқты) S-нитрозотиолдарды (RSNO) түзетуге (кері қайтаруға болатын) түрлендіруін қамтиды. S-нитрозациялау - белоктың көптеген немесе барлық негізгі кластарының динамикалық, трансляциялық реттелу механизмі. Екінші механизм, нитрозиляциялау, цитохром P450 сияқты ферменттің қалыпты ферменттік белсенділігін өзгерту үшін NO-ны темір сияқты өтпелі металл ионына байланыстыруды қамтиды. Нитрозильді темір әсіресе тұрақты, себебі нитрозил лигандының темірге (Fe(II)) байланысы өте күшті. Гемоглобин - NO-ға бірнеше жолмен өзгертілуі мүмкін гема ақуыздарының көрнекті мысалы. NO тірі жасушалардың биологиясына әсер ететіндігі дәлелденген бірнеше механизм бар. Бұларға темір құрамындағы рибонуклеотид редуктазасы және аконитазасы бар ақуыздарды тотықтыру, ерігіш гуанилат циклазасын белсендіру, белоктардың АДФ-рибозилануы, белоктың сульфгидрил тобының нитрозилануы және темірді реттейтін фактордың белсендірілуі кіреді. NO перифериялық қан мононуклеарлық жасушаларындағы iАОС генінің экспрессиясына жауап ретіндегі қабыну кезінде маңызды транскрипциялық фактор болып табылатын NF κB-ны белсендіретіні көрсетілген. NO белгілі жағдайларда зиянды тотықтырушы пероксинитрит түзу үшін супероксидпен реакцияға түседі. Фармацевтикалық бастамалар: Нитроглицерин және амил нитриті олар организмде азот оксидіне айналатындықтан тамыр кеңейткіштер ретінде қызмет етеді. Вазодилатациялық антигипертензиялық препарат миноксидил NO фрагментін қамтиды және NO агонисті ретінде әрекет етуі мүмкін. Sildenafil (Виагра) әрекет ету механизмі NO сигналдауымен тығыз байланысты. Жұлынды NO-ның жұтылуы парақват уыттануынан аман қалу мен жазылуды жақсарта алады.

Көміртек тотығы

Көміртек оксиді (CO) филогенетикалық әлемдердің барлығында табиғи түрде пайда болады. Сүтқоректілер физиологиясында CO – қабынуды азайту және қан тамырларын кеңейту сияқты пайдалы қызметтер атқаратын маңызды нейротрансмиттер. Сүтқоректілер CO газын дем алмаса да, бастапқы карбоксигемоглобин деңгейін сақтайды. Сүтқоректілерде CO көптеген ферменттік және ферменттік емес жолдар арқылы өндіріледі. Ең көп зерттелген көзі – гемооксигеназаның (HMOX) катаболикалық әрекеті, ол эндогенді CO өндірісінің шамамен 86% құрайды деп есептеледі. Басқа да үлес қосатын көздер: микробиом, цитохром P450 редуктазасы, адам ациредуктон диоксигеназасы, тирозиназа, липидтердің пероксидтелуі, альфа-кето қышқылы және басқа да тотығу механизмдері. Сонымен қатар, CO өндірісін арттыру үшін HMOX жылдамдығы мен каталитикалық белсенділігін диеталық заттар мен ксенобиотиктердің көптеген түрлері арқылы арттыруға болады. CO-ның биомедициналық зерттеулері 1790 жылдарға дейін, Томас Беддос, Джеймс Уатт, Джеймс Линд және тағы басқалар гидрокарбонат (су газы) ингаляциясының пайдалы әсерлерін зерттеген кездегі жасалма ауаларға байланысты. 1993 жылы Соломон Снайдер CO – қалыпты нейротрансмиттер екенін алғаш рет хабарлағаннан кейін, CO биологиялық реттеуші ретінде маңызды клиникалық назарға ие болды. NO және H2S-тен айырмашылығы, CO – өте тұрақты химиялық молекула, ол мембраналар арқылы таралып, жергілікті және алыс тіндерге әсер ете алады. CO ерігіш гуанилил циклаза, митохондриялық оксидазалар, каталаза, азот оксиді синтетазасы, митогенге белсендірілген протеинкиназа, PPAR гамма, HIF1A, NRF2, иондық каналдар, цистатион бета синтетазасы және көптеген басқа да функциялар сияқты молекулалық нысаналармен өзара әрекеттеседі. CO сүтқоректілерде әсерін негізінен гемопротеиндердің протездік гема бөлігі сияқты темір иондарының кешендерімен өзара әрекеттесу арқылы көрсетеді деп кеңінен қабылданады. Бұл қасиеттер ишемиялық реперфузиялық зақымдану, трансплантаттың қабылдануын жоққа шығару, атеросклероз, ауыр сепсис, ауыр малярия, аутоиммунитет және басқа да көптеген жағдайларды болдырмау үшін қолданылуы мүмкін.

Сутек сульфиді

Сутек сульфиді (H2S) сүтқоректілер физиологиясында маңызды сигналдық функцияларды атқарады. Газ цистатионин бета-синтетаза және цистатионин гамма-лиаза ферменттері, сондай-ақ эндогенді ферментсіз реакциялар арқылы өндіріледі және микробиом арқылы да пайда болуы мүмкін. Соңында газ митохондрияда тиосульфат редуктаза арқылы сульфитке айналады, ал сульфит сульфит оксидазасымен тиосульфат пен сульфатқа тотықтырылады. Сульфаттар зәрмен шығарылады. H2S тегіс бұлшық еттерін босаңсытады және тамырларды кеңейтеді. NO және H2S екеуі де қан тамырларын босаңсытады, бірақ олардың әрекет ету механизмдері әртүрлі: NO гуанилил циклаза ферментін белсендіреді, ал H2S тегіс бұлшық еттердегі АТФ-ге сезімтал калий каналдарын белсендіреді. Зерттеушілер NO мен H2S арасындағы тамырларды босаңсыту жауапкершілігінің қалай бөлісетінін нақты білмейді. Дегенмен, NO ірі тамырларда тамырларды босаңсытудың көп бөлігін жасайды, ал H2S кіші қан тамырларында ұқсас әрекетке жауапты екенін көрсететін деректер бар. H2S жетіспеуі жедел миокард инфарктісінен (АМИ) кейін тамырлардың функциясына зиян келтіруі мүмкін. H2S терапиясы миокард зақымдануын және реперфузиялық асқынуларды азайтады. NO-ға ұқсас әсерлеріне байланысты (супероксидпен өзара әрекеттесу арқылы пероксидтердің түзілуіне бейім емес), H2S қазір жүрек-қан тамырлары ауруларына қарсы қорғаныш ретінде танылған. Жақындағы зерттеулер NO және H2S арасындағы жасушалық байланыстың күшті екенін көрсетеді, бұл екі газдың тамыр кеңейту әсерінің бір-біріне тәуелді екенін көрсетеді. Сонымен қатар, H2S ішкі жасушалық S-нитрозотиолдармен реакцияласып, ең кішкентай S-нитрозотиолды (HSNO) құрайды және H2S ішкі жасушалық S-нитрозотиол қорын бақылаудағы рөлі ұсынылған. H2S мида да белсенді, онда ол NMDA рецепторларының жауабын арттырады және ұзақ мерзімді потенциялануды жеңілдетеді, бұл есте сақтаудың қалыптасуына қатысады. Альцгеймер және Паркинсон ауруларында мидағы H2S концентрациясы күрт төмендейді. H2S сигналдауының пайдалы әсерлері фармацевтикалық әзірлемелерге түрткі болды. NO сияқты, H2S эректильді дисфункцияға қарсы жаңа терапиялық мүмкіндіктер ұсынады. 2005 жылы егеуқұйрықтарды H2S-тің төмен дозасын қолдану арқылы гипотермияға ұқсас тоқтатылған анимация күйіне енгізуге болатыны көрсетілді. H2S-тің артық өндірілуі 21-трисомия (Даун синдромы) сияқты ауруларда мәселе тудыруы мүмкін. Газды тасымалдағыштардың қатаң критерийлері туралы пікірталас жалғасуда. Кейбір зерттеушілер «шағын молекулалық сигналдық агент» терминін қолдануды ұсынды, ал басқалары критерийлерді кеңейтуді ұсынды, басқа газдарды, мысалы, оттегіні, маңызды аминқышқылдарына ұқсас маңызды газды тасымалдағыш ретінде қосуды ұсынды.