Stickstoffmonoxid

NO

Medizin & Gehirn

Stickstoffmonoxid Synthese

 

Das gasförmige Stickstoffmonoxid wird gebildet durch eine NADPH- und Sauerstoff-abhängige 5-Elektronen-Oxidation der terminalen Guanidinogruppe des Arginins, wobei Citrullin und zwei Wassermoleküle als Koprodukte entstehen.
Durch Hydroxylierung entsteht zunächst das kurzlebige Zwischenprodukt Nw-Hydroxy-L-Arginin. Die hierfür benötigten Elektronen werden von der Reduktasedomäne der NOS durch Oxidation von NADPH bereitgestellt und über die Flavinnucleotide zum Häm-Eisen in der Oxygenasedomäne transportiert (Stuehr, Kwon et al. 1991). Durch die Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ kann molekularer Sauerstoff bei der anschließenden Oxidierung von Fe2+ reduziert werden, indem ein Sauerstoffatom auf das Arginin übertragen und das zweite zu Wasser reduziert wird. Der hier beschriebene Reaktionsschritt ähnelt der typischen Monooxygenasereaktion der P450-Cytochrome. Die Aminosäure-Sequenz der C-Terminale Reduktasedomäne der NOS besitzt eine 58%ige Homologie zur Cytochrom-P450-Reduktase (Masters, McMillan et al. 1996). Nicht verwunderlich ist daher, daß die NOS als erstes ‚self-sufficient‘ P450-Enzym bezeichnet wurde, da hier im Gegensatz zu den P450-Cytochromen die Reduktasedomäne in das Protein integriert ist (Marletta 1994).

Die folgende NADPH-abhängige Oxidation von Nw-Hydroxy-L-Arginin zu Stickstoffmonoxid und Citrullin benötigt Tetrahydrobiopterin (BH4) und molekularen Sauerstoff. Die Rolle des Tetrahydrobiopterin ist noch Gegenstand der Forschung, da die benötigten Reduktionsäquivalente bereits vom NADPH zur Verfügung gestellt werden. Für das Tetrahydrobiopterin wird vor allem eine Funktion entweder als allosterischer Faktor (Mayer, John et al. 1990) oder aber als Stabilisator des Homodimers diskutiert (Baek, Thiel et al. 1993).

Für die toxischen Effekte der NOS ist von besonderer Bedeutung, daß bei Substratverarmung (Argininkonzentrationen < 100 µM) die NADPH-Oxidation teilweise entkoppelt wird (Heinzel, John et al. 1992). Dabei kann dann simultan Superoxid und Stickstoffmonoxid - mit der zumindest theoretischen Möglichkeit einer sofortigen Reaktion zu Peroxynitrit - produziert werden (Wever, van Dam et al. 1997; Xia, Roman et al. 1998).

 

Verteilung in den Zellen

 

nNOS

eNOS

iNOS

Typ

konstitutiv

konstitutiv

induzierbar

Vorwiegende Lokalisation

Neurone des ZNS + PNS

Endothelzellen

Immunzellen

Dauer der Aktivität

Sekunden

Sekunden

Stunden bis Tage

Synthesemenge

Picomol

Picomol

Nanomol

Subzelluäre Verteilung

90 – 100 % im Cytosol

95 % membranständig

80 – 90 % im Cytosol

Übersicht 2: Gegenüberstellung der drei NOS-Synthasen (modifiziert nach Berdeaux, 1993)

Die induzierbare und die konstitutiven NOS-Isoformen unterscheiden sich funktionell (Übersicht 2) durch ihre Abhängigkeit von intrazelluärem Calcium. Calmodulin bindet reversibel an die konstitutiven NOS-Isoformen (Schmidt, Pollock et al. 1992; Vincent 1994) bei intrazelluären Calciumkonzentrationen ab 200 - 400 nM, je nach Spezies und Isoform (Griffith & Stuehr 1995). Da diese durch Calmodulin vermittelte Dimerisierung zum Homodimer für die Aktivität der NOS entscheidend ist, kann die Aktivität durch Calmodulin-Antagonisten oder Calcium-Chelatoren kontrolliert werden. Diese auch pharmakologisch interessante Regulation besteht bei der iNOS nicht, da Calmodulin als prosthetische Gruppe irreversibel gebunden ist und so die iNOS konstitutiv aktiv hält (Nathan 1992).