Stickstoffmonoxid

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Einleitung

Stickstoffmonoxid, reaktionsfähiges Gas, das bei vielen biologischen Vorgängen eine bedeutende Rolle spielt. Im menschlichen Körper fungiert Stickstoffmonoxid als Signalmolekül.

Wie man erst in den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts herausfand, kommt ihm große Bedeutung als zellulärer Botenstoff bei der Regulation glatter Muskelzellen und von Blutgefäßen zu. Es wird u. a. von einigen Nervenzellen freigesetzt, auch aktivierte Immunzellen synthetisieren Stickstoffmonoxid, um körperfremde Mikroorganismen oder andere Zellen zu zerstören.

Stickstoffmonoxid wird im Körper auf mindestens zwei Synthesewegen produziert. Es entsteht, wenn der endständige Guanidinstickstoff aus der Aminosäure L-Arginin entfernt wird, das Nebenprodukt ist Citrullin. Stickstoffmonoxid ist ein sehr instabiles, anorganisches Gas. Unmittelbar nach seiner Synthese verbindet es sich mit anderen Molekülen, so dass ein Nachweis schwierig ist. Indem die Bildung von Stickstoffmonoxid experimentell verhindert wird, kann das Ausbleiben einer spezifischen Wirkung überprüft werden. Durch Hinzufügen von Molekülen, die Stickstoffmonoxid bilden, lässt sich die Wirkung wieder herstellen.

Im Gegensatz zu Stickstoffmonoxid sind alle zuvor entdeckten Signalmoleküle komplexe Moleküle, die mit einem spezifischen Rezeptor an ihre Zielzellen binden. Stickstoffmonoxide sind einfache Moleküle mit einem ungepaarten Elektron und sind daher als freie Radikale äußerst reaktionsfähig. Möglicherweise ist Stickstoffmonoxid das erste einer bisher unbekannten Gruppe gasförmiger Signalmoleküle.

Stickstoffmonoxid ist sowohl wasser- als auch fettlöslich, so dass es leicht durch Membranen diffundieren kann. Dadurch können Stickstoffmonoxide innerhalb der Zelle nicht gespeichert werden, sondern werden meist gleich nach der Synthese freigesetzt.

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Die Rolle von Stickstoffmonoxid in den Blutgefäßen

Die Bedeutung des Stickstoffmonoxids im Körper wurde in den achtziger Jahren erkannt. Man entdeckte einen Faktor, der von Endothelzellen (Zellen, die Blutgefäße auskleiden) gebildet wird und eine Entspannung der glatten Muskeln in den Gefäßwänden bewirkt. Von Endothelzellen synthetisiertes Stickstoffmonoxid verhindert u. a. das Verkleben von Blutplättchen und weißen Blutkörperchen. Zunächst bezeichnete man diesen Faktor als EDRF (endothelial derived relaxing factor, von Endothelzellen gebildeter Relaxationsfaktor), doch nach der Entdeckung seiner Struktur stellte sich heraus, dass es sich um das Gas Stickstoffmonoxid handelt, einen wichtigen Faktor bei der Kontrolle des Blutdruckes. Synthetisieren die Endothelzellen nicht genügend Stickstoffmonoxid, kontrahieren sich die Blutgefäße, was eine Erhöhung des Widerstandes in den Gefäßen und damit des Blutdruckes zur Folge hat. Patienten, die unter systemischem Bluthochdruck, pulmonalem Bluthochdruck (erhöhtem Blutdruck in den Lungen) oder Erkrankungen der Herzkranzgefäße leiden, weisen Störungen der Synthesewege des Stickstoffmonoxids auf. Normalerweise bildet das Endothel geringe Mengen Stickstoffmonoxid, die ständig in kleinen Stößen durch Diffusion von den Endothelzellen zu den glatten Muskeln abgegeben werden. Entfernt man experimentell das Endothel aus dem Gefäßinneren oder fügt eine chemische Substanz hinzu, welche die Synthese von Stickstoffmonoxid verhindert, kontrahiert sich die glatte Muskulatur. Eine Kontraktion der Blutgefäße vermindert die Versorgung der Gewebe mit ausreichenden Mengen an Sauerstoff und anderen Nährstoffen. Das Endothel wird durch Rauchen, Diabetes (Zuckerkrankheit) und einen hohen Cholesterinspiegel geschädigt, was zu Erkrankungen der Herzkranzgefäße führt. Angina pectoris ist ein schmerzhaftes Engegefühl in der Herzgegend als Folge einer Minderdurchblutung der Herzmuskulatur. Medikamente zur Behandlung von Angina pectoris werden vom Körper in Stickstoffmonoxid umgewandelt. Die entkrampfende Wirkung von Stickstoffmonoxid auf die Blutgefäße lindern die Symptome. Seit 1867 verwendet man Nitroglycerol (Glyceroltrinitrat), sein Wirkmechanismus wurde jedoch erst kürzlich entdeckt.

Heute kann man pulmonalen Bluthochdruck durch Inhalation von Stickstoffmonoxid behandeln. Diese Behandlung ist zwar noch im Versuchsstadium, doch scheint sie erfolgreich zu wirken. Stickstoffmonoxid entspannt die Kapillaren in der Lunge und verbindet sich im Blut mit Hämoglobin, so dass seine Wirkung auf den übrigen Körper aufgehoben ist. Die drei amerikanischen Wissenschaftler Robert Furchgott, Louis Ignarro und Ferid Murad erhielten 1998 für ihre Entdeckung der Signalübermittlung zwischen Zellen durch Stickstoffmonoxid den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

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Stickstoffmonoxid als Neurotransmitter

Nach neuesten Erkenntnissen ist Stickstoffmonoxid auch ein Neurotransmitter. Es ist im Gehirn und im peripheren autonomen Nervensystem vorhanden und für die Übertragung von Nervenimpulsen verantwortlich, die an der Gedächtnisbildung und am Lernen sowie bei der Steuerung des Darmes, beispielsweise der Peristaltik, beteiligt sind. Stickstoffmonoxid steuert auch die Erektion des Penis.

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Freisetzen von Stickstoffmonoxid aus Immunzellen

Makrophagen sind Zellen des Immunsystems, die Mikroorganismen wie Bakterien sowie geschädigte Zellen phagozytieren (siehe Endozytose). Aktivierte Makrophagen setzen große Mengen Stickstoffmonoxid frei, das eine toxische Wirkung auf die Zielzellen hat. Überdosen von Stickstoffmonoxid wirken als Zellgift und töten die Zellen ab, in manchen Fällen kann eine Immunreaktion, die außer Kontrolle gerät, mehr schaden als nützen. Eine der Ursachen bei einem septischen Schock ist die Freisetzung sehr großer Mengen Stickstoffmonoxids. Wenn die Synthese von Stickstoffmonoxid besser verstanden ist, kann eine therapeutische Einsetzbarkeit in Erwägung gezogen werden. Die Entwicklung von Medikamenten, welche die Bildung von Stickstoffmonoxid durch Immunzellen verhindern, ohne jedoch die Synthese durch Endothelzellen zu unterbinden, kann für die Regulation eines normalen Blutdruckes von besonderer Bedeutung sein.

Neben seiner erst kürzlich entdeckten Rolle im menschlichen Körper ist Stickstoffmonoxid auch ein Luftschadstoff. Es wird u. a. durch Abgase der Kraftfahrzeuge freigesetzt und spielt als säurebildendes Gas eine wichtige Rolle bei der Bildung sauren Regens. Vermutlich entstand Stickstoffmonoxid schon früh in der Evolution, da es in primitiven Organismen wie dem Schleimpilz Physarum polycephalum zu finden ist. Außerdem ist es im Gehirn von Insekten (beispielsweise der Gottesanbeterin), im Magen von Seesternen sowie im Immunsystem der Pfeilschwanzkrebse zu finden. Da Stickstoffmonoxid im Körper dieser Tiere eine ähnliche Rolle spielt wie im menschlichen Organismus, scheint es entwicklungsgeschichtlich selektionsbegünstigt zu sein, wobei sich seine Funktionen nahezu unverändert erhalten haben.