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Óxido nítrico

Óxido nítrico
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Concepto:Gas simple, liberado por la conversión del aminoácido L-arginina en L-citrulina
Óxido Nítrico (NO). Se encuentra entre las 10 moléculas más pequeñas de la naturaleza, además de ser considerada la más liviana y el primer gas del que se tenga noticias como mensajero biológico en los Mamíferos.

Descubrimiento

El endotelio vascular se encuentra formado por una monocapa de células que tapizan el interior de los vasos sanguíneos constituyendo en sí un tejido con una fisiología propia y una función esencial en la homeostasis vascular y la vasomotilidad. Las células endoteliales son capaces de procesar las señales mecánicas (presión y rozamiento), químicas (O2, CO2) y humorales (Aminas, péptidos, nucleótidos) y traducirlas en ajustes compensatorios mediante la síntesis y liberación de numerosas sustancias biológicamente activas, entre ellas el Oxido Nítrico (NO). Se descubre en 1980 por R.F Furchgott nombrándolo en ese entonces por su acción principal como Factor relajante derivado del endotelio-Endotheliun derived relaxin factor (EDRF). En 1987 S. Moncada y LJ. Ignarro determinan la composición química quedando definido como monóxido de nitrógeno o como más comúnmente conocemos Oxido Nítrico (NO). Posteriormente en 1992 es definida por la revista Science como la molécula del año y en 1998 por los estudios sobre el óxido nítrico se le concede el premio Nobel en medicina a 3 científicos (Furchgott RF, IgnarroLJ, Murad F)

Propiedades, biosíntesis y cinética

Desde hace medio siglo se han identificado químicamente al menos siete óxidos de nitrógeno, cinco de ellos bien conocidos como el NO, el cual, contiene un número impar de electrones y debido a la presencia de este electrón no apareado, actúa como un radical libre biatómico altamente tóxico pudiendo participar en muchas reacciones como un oxidante débil o compuesto reductor (REDOX) donde se encuentran: catión nitrosonium (NO+), Oxido Nítrico (NO) y anión nitroxyl (NO-). En la naturaleza el NO es abundante, se produce en forma natural por los organismos vivos del subsuelo, en la atmósfera durante las tormentas eléctricas y en el humo del tabaco. La actividad industrial incrementa la presencia de NO en la niebla creada por el humo no purificado de algunas instalaciones. También se libera en el aire durante los procedimientos de soldadura eléctrica por arco. Todas las anteriores son fuentes contaminantes que contribuyen a reducir la capa de ozono de la atmósfera y son precursoras de las lluvias ácidas. El NO es un gas hidrosoluble y liposoluble muy inestable con una vida media corta de menos de 3-5 seg en soluciones acuosas, debido a su reactividad espontánea con el oxígeno molecular para producir nitrito (NO2) y nitrato (NO3), los que son inactivos. Pero su vida biológica es menor de un segundo en los tejidos que contienen oxidantes biológicos y oxihemoproteínas. Esta extrema labilidad química significa que no hay necesidad de mecanismos complejos de degradación enzimática o de recaptación para la inactividad de este compuesto, además este gas es muy difusible gracias a lo cual puede pasar fácilmente a través de las membranas de las células musculares lisas. El NO se genera gracias a una familia multigénica de enzimas denominadas Oxido Nítrico Sintasa (NOS), en la que hay cuando menos 3 isoformas, dos de ellas denominadas constitutivas, siempre presentes en la célula, sintetizada a una rapidez constante e independiente de la demanda fisiológica y la isoforma inducible sintetizada lentamente cuando están presentes otros mensajeros celulares. Dentro de las constitutivas son relevantes las isoformas de 160 Kda, presentes en las neuronas fundamentalmente, aunque también se encuentran presentes en las glándulas suprarrenales, plaquetas , islotes pancreáticos y la mácula densa del riñón (NOS neuronal o NOS I) y la otra isoforma de 135 Kda presente en células endoteliales (NOS endotelial o NOS III) y la tercera isoforma denominada inducible de 130 Kda formada por los macrófagos (en respuesta a las citokinas) y en células del músculo liso vascular (NOS II). La NOS es una proteína con abundante cisteína, de las 24 moléculas de este aminoácido, 16 permanecen en una posición fija entre las diferentes isoenzimas NOS, aisladas fundamentalmente del endotelio, los macrófagos y el cerebelo. La NOS de origen cerebeloso guarda más similitud con la NOS del endotelio (60%) que con la NOS inducible (NOS II) del macrófago, por lo que parecen ser codificadas por diferentes genes, y podemos agregar que el producto final de su estimulación es la liberación de cantidades distintas de NO con un efecto celular diferenciado, además de existir características independientes en cada una de estas enzimas. Esta subdivisión clásica de la NOS (constitutiva e inducible) tiene tendencia a convertirse en obsoleta, desde recientes observaciones donde la isoforma constitutiva puede ser inducida en algunas circustancias, y la isoforma inducible puede ser constitutivamente expresada en algunas células. Las futuras clasificaciones denotarán el tipo de célula donde inicialmente fueron descritas así como su dependencia o no del Ca2+. Aunque la NOS tiene varios sitios de posible fosforilación, aún no esta demostrado que este sea su mecanismo de activación. La NOSc neuronal puede ser fosforilada por la proteína quinasa II, dependiente de Ca2+/Calmodulina , por la proteína quinasa C y por la dependiente de AMPc. La fosforilación por la proteína quinasa C reduce la actividad de la NOS. La NOSc endotelial puede ser fosforilada y sufrir una translocación por la bradiquinina a esta última, un nonapéptido sintetizado por el organismo que es rápidamente destruida por la enzima quinasa II la cual es idéntica a la enzima que convierte la angiotensina I en angiotensina II, de ahí que inhibidores de la enzima conversora de angiotensina (IECA) permiten la prolongación de la vida de bradiquinina. Esta sustancia estimula la NOS dando origen al aumento de la tasa local de NO lo que por otro lado explica parte de los efectos vasodilatadores, antihipertensivo y antihipertróficos de los IECA(16). El NO es sintetizado a partir de la Arginina, siendo catalizada por la NOS, mediante la oxidación de un átomo de nitrógeno terminal de la mitad guanidina del aminoácido L-Arginina, obteniéndose como producto intermediario la NG-hidroxi-L-Arginina, para obtener finalmente Oxido Nítrico y L-citrulina como coproducto. Durante esta reacción se requiere además la presencia de fosfato de nicotinamida adenina dinucleótido reducido (NADPH) y oxígeno (O2) como cofactor en ambos pasos. Además en esta reacción la NOSc como catalizador requiere del complejo Ca2+/Calmodulina y otros cofactores necesarios para la catálisis como:

  • Tetrahidrobiopterina (H4B
  • Flavina Adenina Dinucléotido(FAD)
  • Flavina mononucleótido (FMN)
  • Hemo
  • Zinc

Todos ellos participan en la transferencia de electrones para lograr la compleja oxidación, con cinco electrones de la L-arginina para formar el NO y L-citrulina . A nivel endotelial varios agentes químicos presentes en la sangre (Acetilcolina, Bradiquinina, ATP, Trombina, Ionóforos de Calcio, etc.), así como, fuerzas mecánicas (flujo) y eléctricas (corriente) pueden actuar con receptores selectivos situados en la superficie de la membrana para promover la entrada de Ca2+ en el interior de las células endoteliales, no obstante, el principal y más potente estímulo para la formación de NO por el endotelio son las fuerzas de frotamiento(cizallamiento o shear stress) ejercidas por el flujo sanguíneo sobre la pared del vaso, esencialmente sobre la superficie endotelial. Una vez el Ca2+ dentro de la célula forma un complejo con la calmodulina que se fija a la NOSc. El oxígeno es uno de los diversos factores requeridos para la catálisis desencadenando todo el proceso. Una vez obtenido el NO a nivel de la célula endotelial por sus propiedades gaseosas difunde con facilidad a través de las membranas hacia el interior de las células musculares lisas vecinas donde se puede añadir cierta cantidad procedente de la acción de la NOSi sobre la L-arginina. El NO forma un complejo con el hemo(Hem) unido a la guanilato ciclasa citoplasmática (GC) que produce la activación de la enzima (+) catalizando la conversión de GTP en GMPc y pirofosfato inorgánico (PPi) en presencia de ión Magnesio (Mg2+). El GMPc actúa como segundo mensajero intracecular para inducir la relajación del músculo liso vascular. El NO también causa inhibición en la proliferación de las células musculares lisas, pero el papel desempeñado por el GMPc en esta acción no se encuentra totalmente aclarado, no obstante, haremos referencia a este aspecto más adelante. A nivel de la superficie luminal el NO interactúa con las plaquetas y los leucocitos polimorfonucleares (PMN) para prevenir tanto la adhesión a la superficie endotelial como la agregación celular. Estos efectos del NO son probablemente mediados por el GMPc sintetizado en las plaquetas y en los polimorfonucleares. La inactivación del NO puede estar dada por diferentes mecanismos dentro de los que se destaca la oxihemoglobina (HbO2) que puede catalizar la inactivación rápida del NO, principalmente en nitrato (NO3) y formar metahemoglobina (metHb) en el proceso.
HbO2 + NO metHb +
La hemoglobina inactiva el NO por secuestro y restringe su acción biológica a las células cercanas, lo que unido a su vida media tan corta debe producir sus efectos biológicos en sitios muy cercanos a su lugar de biosíntesis, efecto paracrino y autocrino. Además otro de los mecanismos de inactivación natural del NO es su combinación con los aniones superóxidos (O‾2) con un efecto muy citotóxicos, lo que da origen a peroxinitritos, los cuales son transformados en nitritos (NO2), y nitratos (NO3). Habitualmente los aniones superóxidos son inactivados generalmente por la presencia de la enzima superóxido dismutasa (SOD), que desempeña el papel de protectora del NO, a través de la reacción: 2O2- + 2H + H2O2 + O2
La enzima SOD se encuentra presente en las mitocondrias y en el citosol. Hace pocos años se encontró una estrecha relación entre la presencia de SOD en estructuras neuronales y la enzima NOSc neuronal (NOS I), interpretando que tal asociación desempeña un importante papel como protector celular sobre los efectos del NO en presencia de aniones superóxidos. Este papel protector puede ser significativo en la disfunción vascular, que sigue a la reperfusión postoclusiva, donde suelen ocurrir trastornos mediados por la alteración de la función relajante del endotelio por la existencia de superóxidos. Los superóxidos interactúan con el NO y lo retiran de la circulación, por ello deben considerarse vasoconstrictores. Ellos son liberados por los fagocitos activos y posiblemente por los linfocitos y otras células relacionadas con la actividad inmune. En concentraciones no muy altas el óxido nítrico no solo se une y reacciona con el hierro en las proteínas, sino que además, induce el desprendimiento del hierro fuera de la proteína, con la disrupción de la función enzimática y celular provocando una inhibición de la síntesis de DNA por inhibición de la ribonucleótido reductasa. Esta reactivada con el hierro, constituye uno de los mecanismos fisiopatológicos por el cual el NO produce citotoxicidad.

Efectos del Óxido Nítrico sobre el organismo

Efectos Directos

Sobre los metales A. Hierro hemínico (Hb)

  • Activa la guanilato ciclasa. Vasodilatación, reduce la adhesión plaquetaria y leucocitos, traducción de señales en el sistema nervioso.
  • Inhibe el citocromo P-450. Regula el metabolismo de los esteroides, Eicosanoides, puede afectar la farmacocinetica de un numero de drogas dentro de las que se ha determinado el metabolismo de sedantes y analgésicos.
  • Activación/inhibición de las ciclooxigenasa. Modula la respuesta inflamatoria.
  • Inhibe las catalasas. Reduce el consumo de peróxido de hidrógeno (H2O2), potenciando la citotoxicidad mediada por él.
  • Inhibición de la citocromo oxidasa. Interviene en la regulación de la respiración celular.
  • Inhibe la NOS por un mecanismo de autorregulación negativo (feed-back). Es mucho más sensible la isoforma constitutiva que la inductiva, regulando de esta manera la síntesis de NO.
  • Formación de complejos Nitrosil-Hemoglobina (NO--Hb). Produciendo trastornos en la capacidad de saturarse la Hb, aumenta la P50 y por ende, afecta la oxigenación de los tejidos.

B. Hierro no hemínico

  • Inhibiendo la tromboxano sintetasa. Reduce la formación de leucotrienos proinflamatorios.

C. Reacciones Redox.

  • Efecto de barredor de NO a través de la Hb, interviniendo en el catabolismo del NO y la formación de metahemoglobina (metHb).
  • Reduce la reacción de metales hipervalentes con radicales libres (peróxido de hidrógeno) disminuyendo el potencial oxidativo de estos, por lo que reduce el stress oxidante.

D. Grupos Hierro-Azufre (Fe-S)

  • Inhibe la aconitasa mitocondrial reduciendo la respiración celular.
  • Inhibe la aconitasa citoplasmática reduciendo la síntesis de ferritina, incrementa la síntesis del receptor de transferrina.

Sobre radicales libres

  • Efecto barredor de hidroperóxidos lipídicos reduciendo el stress oxidativo

Efectos Indirectos

La mayor parte, sino todos de los efectos indirectos primeramente son consecuencia de una expresión de la NOSi y dependen de la reacción del NO con el oxígeno (O2) y el anión superóxido (O2-) formando peroxinitritos (ONOO-) y trióxido de Dinitrógeno (N2 O3). Dependiente de los peroxinitritos A. Reacciones de oxidación

  • Peroxidación lipídica sobre los ácidos grasos polinsaturados, lípidos de mielina y lipoproteínas de baja densidad (LDL) produciendo daño a nivel de las membranas, desmielinización y oxidación de las LDL.

B. Reacción de nitritos.

  • Inhibe la síntesis de prostaglandina I2 reduciendo la antiagregación dependiente de prostaciclina y vasodilatación.
  • Altera la estructura del citoesqueleto induciendo desorganización en la arquitectura celular.

Además dependiendo de la relación NO/ ONOO- existe un efecto proapotótico. Dependiente del Trióxido de Dinitrógeno (N2 O3). Sobre receptores específicos.

  • Receptor N-metil-D-Aspartato (NMDA) con un efecto neuroprotector.
  • Receptor de los glucocorticoides reduciendo el efecto antinflamatorio de los esteroides.

B. Sobre canales iónicos.

  • En el corazón y músculo esquelético activa los canales liberadores de Ca2+ del retículo sarcoplásmico siendo esto considerado un mecanismo fundamental en la regulación de la fuerza en el músculo estriado.

C. Sobre el metabolismo protéico.

  • Inhibe la glicolisis a través de su reacción con Gliceraldehido Fosfatodeshidrogenasa (GAPDH).
  • Reduce el metabolismo del etanol a través de la alcohol deshidrogenasa.
  • Reduce la formación de ATP por vía anaerobia por medio de la creatinín quinasa.
  • Reduce la síntesis de poliamina por la ornitín decarboxilasa.

D. Sistema de amplificación de señales.

  • Inhibe la cascada de señales dependiente de la proteína kinasa C.

Consideraciones Fisiopatológicas.

Sepsis.

La sepsis y el shock séptico en especifico asocia a la secreción de numerosas citoquinas dentro de las cuales se encuentra el Factor de necrosis tumoral a (TNF a) que de por sí constituye una de las piezas fundamentales del rol que desempeña el NO en el shock séptico y las alteraciones que a nivel endotelial ocurren En la etapa inicial de la sepsis, las endotoxinas y las citoquinas producen una inhibición incompleta del óxido nítrico sintetasa constitutiva (NOSc) determinando un bloqueo de relajación vascular dependiente del endotelio. Pasando varias horas, tanto las endotoxinas como las citoquinas (TNF a , IL-1) inducen la expresión de la óxido nítrico sintetasa inductiva (NOSi) con la consiguiente producción de cantidades elevadas de NO por períodos de tiempo relativamente prolongados. Se ha comprobado que para una estimulación óptima de la enzima se requiere del efecto conjunto de varias citoquinas. 1. Aparato Respiratorio. Sobre el árbol pulmonar tiene las siguientes propiedades, cuando es administrado por via inhalatoria A. El NO puede difundir dentro de la vasculatura pulmonar a regiones pulmonares ventiladas y causar relajación del músculo liso vascular pulmonar disminuyendo la hipertensión. B. Como el NO es inhalado, el gas debe ser distribuido predominantemente en áreas alveolares bien ventiladas. La vasodilatación local en áreas bien ventiladas puede mejorar la relación ventilación-perfusión y mejorar la oxigenación arterial en diferentes patologías pulmonares. C. El NO tiene la capacidad de unirse a la hemoglobina y rápidamente ser inactivado, vía por la que se evita la vasodilatación sistémica. 2. Aparato cardiovascular. La disminución de la generación de NO y/o de su actividad desempeña un papel importante en ciertas formas de Hipertensión arterial y Ateroesclerosis En la ateroesclerosis esto ocurre por varios mecanismos y en distintas etapas del proceso: A. En un estado precoz el NO podría desempeñar un papel protector frente a la oxidación de las LDL, a través de su efecto antioxidante e inhibiendo la expresión de ciertas moléculas de adhesión y, de este modo, influyendo en el tráfico celular, sobre todo por reducción en la acumulación de monocitos-macrófagos de la subíntima. B. Un estadío más avanzado, donde la ateroesclerosis va acompañada de migración y proliferación de células musculares lisas, fenómeno suprimido “in vitro” por el NO. C. Estadío final donde en la placa de ateroma ya evolucionada, el óxido nítrico no protege frente a las complicaciones clínicamente manifiestas, gracias a sus efectos vasodilatadores y de oposición a la agregación de las plaquetas quizás esta sea la causa por la que determinados pacientes no presentan una respuesta a los donantes de NO. 3. Aparato renal Los efectos renales inducidos por la disminución de NO son dependientes en gran medida del grado de reducción de NO alcanzado. A. Una ligera reducción del NO produce un aumento en la reabsorción de sodio sin que se produzcan cambios de resistencia vascular renal o presión arterial B. Cuando la reducción es moderada hay un incremento de la resistencia vascular renal con aumento de la reabsorción de sodio y un posterior aumento de la tensión arterial. C. Cuando la tasa basal de NO esta severamente disminuida se produce un incremento inmediato de las resistencias vasculares periféricas y por lo tanto hipertensión. Todos estos cambios son sobre una base de una ingesta de sodio dentro de los niveles normales, porque entonces con una ligera disminución de los niveles de NO desarrollaría una hipertensión sal-sensible donde un incremento en la ingesta de sodio en tales condiciones provocaría un aumento significativo de la tensión arterial.

Potencial terapéutico

Establecer una separación entre las diferentes enzimas NOS y a su vez entre los efectos directos de los cuales mayormente son responsables las isoformas constitutivas y los efectos indirectos de los que se encarga la isoforma inductiva arribamos al conocimiento de múltiples procesos fisiopatológicos en todo el organismo en general y sobre esta división se encaminan las potencialidades terapéuticas actualmente en estudio en las diferentes patologías. 1. La sepsis constituye una de las principales causas de morbilidad en las unidades de atención al grave , a pesar, del gran avance farmacológico en el área de los antimicrobianos. La potencialidad de estrategias terapéuticas con el NO van encaminadas principalmente por 4 vertientes: A. La sintésis y caracterización de inhibidores específicos de la NOSi que eviten su expresión con la liberación consecuente de grandes cantidades de NO, reduciendo las alteraciones Fisiopatológicas de enfermedades inflamatorias y shock circulatorio por las vías anteriormente señaladas. B. Terapias encaminadas a limitar la acción o generación de especies reactivas del O2 (peroxinitritos) y favorecer los barredores de NO, peroxinitritos y superoxidos. C. Aproximarse a las células blanco de la acción de las especies reactivas del O2 y detener o retardar el efecto citotoxico sobre ellas. D. La combinación de las propiedades anteriores. 2. En las patologías respiratorias Su uso es discutido y pendiente a ulteriores estudios que lo avalen dentro del arsenal terapéutico de patologías como el Síndrome de Distress Respiratorio del Adulto (SDRA), Hipertensión pulmonar primaria, Cirugía cardiovascular donde obtener una vasodilatación pulmonar sin repercutir sobre la sistémica es tan importante. 3. Hipertensión arterial primaria y ateroesclerosis. Ambos procesos responden a una alteración drástica del papel homeostático que ejerce el endotelio sobre la regulación de la función vascular, con una producción basal de NO disminuida como factor vasodilatador de mayor importancia. “Los fármacos cardiovasculares que interfieren en la vía del Óxido Nítrico resultaran muy eficaces en el tratamiento de patologías como la hipertensión arterial.

Véase tambiém

Fuentes

  • Manual de primeros auxilios