NOSs

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Einleitung

Stickstoffmonoxid (NO) ist ein Botenmolekül mit zahlreichen molekularen Zielstrukturen. Es kann die Neurotransmission bzw. den Gefäßtonus, die Gen-Transkription, die mRNA-Translation sowie posttranslationale Proteinmodifikationen regulieren. Die Reaktion von NO mit dem Superoxid-Anion (O₂^-) zur Bildung des potenten Oxidans Peroxynitrit (ONOO^-) stellt einen wichtigen Mechanismus der NO-Inaktivierung dar. ONOO^- kann oxidative Schäden, Nitration und S‑Nitrosylierung von Biomolekülen einschließlich Proteinen, Lipiden und DNA verursachen.

Bei Säugetieren kann NO durch drei unterschiedliche Isoenzyme der NO-Synthase (NOS; L-Arginin, NADPH: Sauerstoff-Oxidoreduktasen, NO-bildend; EC 1.14.13.39) gebildet werden. Diese drei Isoenzyme werden als neuronale „n“ NOS (oder NOS I), induzierbare „i“ NOS (oder NOS II) bzw. endotheliale „e“ NOS (oder NOS III) bezeichnet (Abbildung 1).

Abbildung 1. Wichtige Funktionen der verschiedenen NOS-Isoformen (Förstermann, U.; Sessa, W.C. 2012)

Mechanismen der Stickstoffmonoxid-Synthese

Alle NOS-Proteine liegen als Homodimere vor (Abbildung 2). L-Arginin ist ein Substrat, das von allen NOS-Isoformen genutzt wird; molekularer Sauerstoff und reduziertes Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH) dienen als Kosubstrate. Die Kofaktoren aller Isoenzyme sind Flavinadenindinukleotid (FAD), Flavinmononukleotid (FMN) und (6R-)5,6,7,8‑Tetrahydro‑L‑biopterin (BH 4). Eine funktionelle NOS überträgt Elektronen von NADPH auf das Häm im aminoterminalen Oxygenase-Domänenteil. Die Elektronen am Häm-Zentrum sind für die Reduktion und Aktivierung von O₂ sowie für die Oxidation von L-Arginin zu L-Citrullin und NO verantwortlich.

Das NOS-Enzym durchläuft zur NO-Synthese zwei Schritte. Zunächst hydroxiliert NOS L-Arginin zu N^ω-Hydroxy-L-Arginin. Anschließend oxidiert NOS N^ω-Hydroxy-L-Arginin zu L-Citrullin und NO. Alle NOS-Isoformen binden Calmodulin. Bei nNOS und eNOS wird die Calmodulinbindung durch einen Anstieg des intrazellulären Ca²⁺ ausgelöst. Bei iNOS bindet Calmodulin aufgrund der unterschiedlichen Aminosäurestruktur der Calmodulin-Bindungsstelle bereits bei sehr niedriger Ca²⁺-Konzentration (unter 40 nM). Alle NOS-Proteine enthalten einen Zink-Thiolat-Cluster, der durch Zinkionen gebildet wird; Zink hat hierbei eine strukturelle und keine katalytische Funktion.

Abbildung 2. Struktur und katalytische Mechanismen der funktionellen NOS (Förstermann, U.; Sessa, W.C. 2012)

Neuronale Stickstoffmonoxid-Synthase

Die neuronale NOS wird in spezifischen Neuronen des Gehirns exprimiert. Die nNOS im Gehirn liegt in partikulärer und löslicher Form vor; die subzelluläre Lokalisation ihrer unterschiedlichen Pools ermöglicht eine funktionelle Diversifizierung. Die neuronale NOS enthält eine PDZ-Domäne, die direkt mit den PDZ-Domänen anderer Proteine interagieren kann. Diese wesentlichen Interaktionen bestimmen die subzelluläre Verteilung und die Enzymaktivität. Neben Hirngewebe wurde nNOS auch im Rückenmark, in sympathischen Ganglien, in den Nebennieren, in peripheren nitrergen Nerven, in Epithelzellen verschiedener Organe sowie in Pankreas-Inselzellen etc. nachgewiesen. Bei Säugetieren ist die Skelettmuskulatur die größte Quelle für nNOS.

Fazit

Alle drei NOS-Isoenzyme erfüllen wichtige regulatorische Funktionen im kardiovaskulären System. Die neuronale NOS ist an der zentralen Regulation des Blutdrucks beteiligt, und nNOS-haltige Nerven können bestimmte Gefäßstromgebiete dilatieren. Phosphodiesterase‑5‑Inhibitoren benötigen mindestens eine residuale nNOS-Aktivität, um ihre Wirkung zu entfalten. Studien haben gezeigt, dass die induzierbare NOS in atherosklerotischen Plaques exprimiert wird, was darauf hindeutet, dass sie ein wesentlicher Mediator des Blutdruckabfalls beim septischen Schock ist. eNOS hat sehr wichtige Funktionen; sie kann beispielsweise die Vasodilatation aufrechterhalten, den Blutdruck kontrollieren und zahlreiche weitere gefäßprotektive sowie antiatherosklerotische Effekte vermitteln. Obwohl keine Forschung belegt, dass eNOS ein „Krankheitsgen“ ist, können viele kardiovaskuläre Risikofaktoren zu eNOS-Entkopplung, oxidativem Stress und endothelialer Dysfunktion führen. Arzneimittel, die in das Renin‑Angiotensin‑Aldosteron‑System eingreifen, sowie Statine können zur Prävention einer endothelialen Dysfunktion eingesetzt werden. Weitere Forschung sollte klären, wie diese Therapeutika bei zunehmendem oxidativem Stress die eNOS-Kopplung fördern, um weitere potenzielle Signalwege zu identifizieren und besser zu verstehen, die zu einem günstigen NO-Effekt im kardiovaskulären System beitragen.