432
www.postepybiochemii.pl
Antonina
Chmura-Skirlińska
1,
Ryszard J. Gurbiel
1,2
1
Pracownia Spektroskopii EPR, Ja-
giellońskie
Centrum
Rozwoju
Le-
ków, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
2
Zakład Biofizyki Molekularnej, Wydział Bio-
chemii, Biofizyki i Biotechnologii, Uniwersytet
Jagielloński, Kraków
Pracownia Spektroskopii EPR, Jagiellońskie
Centrum Rozwoju Leków, Uniwersytet
Jagielloński, ul. Bobrzyńskiego 14, 30-348
Kraków; tel.: (12) 66 45 475, e-mail: antonina.
chmura@jcet.eu
Artykuł otrzymano 21 września 2013 r.
Artykuł zaakceptowano 31 października
2013 r.
Słowa kluczowe: tlenek azotu, NO-Hb, EPR,
pułapkowanie spinowe, chemiluminescencja,
azotany
Wykaz skrótów: NO — tlenek azotu; EPR
— elektronowy rezonans paramagnetyczny;
ROS — reaktywne formy tlenu; DETC — kwas
dietyloditiokarbamowy; MGD — N-metylo-
d
-
-glukaminowa pochodna kwasu dietyloditio-
karbamowego
Podziękowania: This study was supported
by European Union from the resources of the
European Regional Development Fund under
the Innovative Economy Programme (grant
coordinated by JCET-UJ, No POIG.01.01.02-00-
069/09) as well as the Polish Ministry of Sci-
ence and Higher Education (grant No. N N401
039637).
Wykrywanie tlenku azotu i jego pochodnych w komórkach śródbłonka i tkankach
STRESZCZENIE
P
rawidłowo działający śródbłonek produkuje odpowiednią ilość tlenku azotu (II) i innych
mediatorów, koniecznych do utrzymania homeostazy całego organizmu. Ze względu na
silną zależność pomiędzy stężeniem NO, a stanem fizjologicznym całego organizmu moni-
torowanie stężenia tlenku azotu ma niezwykle istotne znaczenie dla lepszego poznania me-
chanizmów prowadzących do różnorodnych stanów patologicznych towarzyszących powsta-
waniu wielu chorób. Spośród wielu metod oznaczania stężenia NO na szczególną uwagę
zasługują te, które umożliwiają pomiar stężenia wolnych rodników lub adduktów rodników
z innymi stabilizującymi je cząstkami, bądź pozwalają na pomiar bezpośrednich produktów
utleniania lub redukcji rodników. Taką metodą jest na przykład spektroskopia elektrono-
wego rezonansu paramagnetycznego (EPR), która pozwala na bezpośrednią rejestrację sy-
gnałów wolnych rodników jak również trwałych adduktów rodników z pułapką spinową.
Aby uzyskać pełniejszy obraz procesów, w których bierze udział tlenek azotu wskazane jest
aby wyniki uzyskane metodą EPR wzbogacić o wyniki uzyskane innymi metodami. Ponadto
biorąc pod uwagę, że stężenie tlenku azotu(II) zależy od stężenia reaktywnych form tlenu,
a główną przyczyną spadku aktywności biologicznej NO jest zwiększona produkcja RFT,
zwłaszcza anionu ponadtlenkowego (O2-) wykorzystanie technik pozwalających na detekcję
RFT pozwala na lepsze zrozumienie procesów, w których bierze udział NO.
WPROWADZENIE — TLENEK AZOTU I REAKTYWNE
FORMY TLENU W UKŁADACH BIOLOGICZNYCH
W zdrowym organizmie tlenek azotu(II) jest produkowany w ilościach ko-
niecznych do prawidłowego funkcjonowania, a zaburzenia jego produkcji i me-
tabolizmu mogą prowadzić do wielu stanów patologicznych.
Prawidłowo działający śródbłonek produkuje odpowiednią ilość tlenku
azotu(II) i innych mediatorów koniecznych do utrzymania homeostazy całe-
go organizmu. Jedną z głównych przyczyn spadku aktywności biologicznej
NO jest zwiększona produkcja reaktywnych form tlenu (RFT), a zwłaszcza
anionu ponadtlenkowego (O
2
˙
-
), co powoduje zwiększone powstawanie nad-
tlenoazotynu (ONOO
–
) (Ryc. 1). Ze względu na silną zależność pomiędzy
stężeniem NO a stanem fizjologicznym całego organizmu, znajomość stęże-
nia NO i RFT ma niezwykle istotne znaczenie dla lepszego poznania mecha-
nizmów prowadzących do różnorodnych stanów patologicznych towarzy-
szących powstawaniu wielu chorób. Z tego też powodu trwają intensywne
prace mające na celu wykrycie schorzeń, którym towarzyszy zaburzenie pro-
dukcji tlenku azotu(II). Z uwagi na fakt, że wolne rodniki charakteryzują
się dużą reaktywnością i w konsekwencji krótkim czasem życia w układach
biologicznych bezpośredni pomiar stężenia zarówno NO jak i RFT, a także
poznanie mechanizmów reakcji, w których zaangażowane są te cząsteczki
natrafia na wiele trudności.
Rycina 1. Wzajemna konwersja form oksydo-redukcyjnych tlenku azotu w układach biologicznych. Reakcje
związane z przeniesieniem elektronu pomiędzy tlenkiem azotu a metaloproteinami, kompleksami metali
przejściowych i tiolami mogą prowadzić do powstawania jonów NO
–
i NO
+
(na podstawie [11,22-24].
Postępy Biochemii 59 (4) 2013
433
Na szczególną uwagę zasługują techniki, które po-
magają ominąć te problemy i pozwalają na bezpośred-
ni pomiar stężenia rodników przy wykorzystaniu sub-
stancji, które tworzą trwałe kompleksy z rodnikami, w
ten sposób wydłużając czas ich życia, bądź pozwalają
na pomiar bezpośrednich produktów utleniania lub
redukcji rodników. Jedną z takich technik jest metoda
elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR),
która pozwala na bezpośredni pomiar sygnałów
pochodzących od wolnych rodników lub rejestrację widm
trwałych adduktów rodników z pułapką spinową. Wyż-
szość techniki EPR nad innymi metodami bezpośrednimi
(np. metodami chemiluminescencji) polega na wysokiej
selektywności i wybiórczości w stosunku do NO czy O
2
˙
–
.
Warto również wspomnieć o innych, komplementarnych
metodach pomiaru, opartych między innymi na chemi-
luminescencji, spektroskopii UV-Vis, elektrochemii czy
fluorescencji, które bardzo często są wykorzystywane do
potwierdzenia wyników uzyskanych techniką EPR lub
dostarczają dodatkowych informacji na temat kinetyki
reakcji rodnikowej lub lokalizacji powstawania RFT.
FIZJOLOGICZNA ROLA TLENKU AZOTU(II)
Biologiczna funkcja tlenku azotu i jego form oksydacyj-
no-redukcyjnych ściśle zależy od zdolności oddziaływania
z różnymi biocząsteczkami. Bardzo mały rozmiar i obojętny
ładunek elektryczny tej cząsteczki pozwala na swobodne
przenikanie przez błony biologiczne. NO reguluje aktyw-
ność wielu białek [1-5] poprzez odwracalną koordynację do
jonów metali (Cu, Fe, Co, Mo) w centrach enzymów [3,5-11]
lub oddziaływanie z grupami tiolowymi [1,2].
Tlenek azotu jest termodynamicznie nietrwały i już w
temperaturze 30–50°C, pod podwyższonym ciśnieniem
łatwo ulega rozkładowi głównie do N
2
O i NO
2
oraz ślado-
wych ilości N
2
, O
2
i N
2
O
3
[12,13]. W roztworze wodnym po-
wstały NO
2
natychmiast reaguje z NO prowadząc do utwo-
rzenia jonów azotanowych(III):
NO + NO
2
→ N
2
O
3
N
2
O
3
+ H
2
O → 2HNO
2
Utlenianie tlenku azotu(II) tlenem cząsteczkowym jest
wielostopniowym procesem składającym się z względnie
wolnych reakcji. W przeciwieństwie do tego reakcja pomię-
dzy tlenkiem azotu a anionem ponadtlenkowym jest bar-
dzo szybka i prowadzi do utworzenia nadtlenoazotanu(III),
ONOO
–
, który z kolei ulega reakcjom homolizy prowadzą-
cym do utworzenia rodników
•
NO
2
,
•
OH [11,14-16].
Ze względu na to, że atom azotu w tlenku azotu(II)
występuje na drugim stopniu utlenienia, NO wykazuje
właściwości redukujące (antyutleniacz), a jego charakter
wolnorodnikowy powoduje, że jest on bardzo skutecz-
nym i szybkim zmiataczem wolnych rodników. Reaguje
on z wieloma wysoce szkodliwymi dla organizmów ży-
wych utleniaczami takimi jak nadtlenek wodoru, nad-
tlenki alkilowe, anionorodnik ponadtlenkowy i nadtlen-
kowe pochodne lipidów.
W przypadku stresu oksydacyjnego, w którym po-
wstaje nadtlenoazotan(III), tlenek azotu pełni rolę
ochronną. Z drugiej jednak strony, wysokiemu stężeniu
ONOO
–
przypisuje się odpowiedzialność za cytotoksycz-
ność tlenku azotu(II) [4,17]. Może on indukować proce-
sy dwuelektronowego utleniania, działając w ten sposób
na pierścień aromatyczny tokoferolu i innych ważnych
antyutleniaczy. W obecności tioli małocząsteczkowych i
tioli związanych z białkami, uważanych za główne zmia-
tacze ONOO
–
, powstają rodniki tiolowe (RS
•
) i S-nitrozo-
tiole (RSNO). Białka zawierające metale lub selen rów-
nież stanowią ochronę przeciwko nadtlenoazotanom(III)
[11,18,19].
Wysoka aktywność biologiczna i reaktywność chemiczna
tlenku azotu wynika stąd, że nie tylko forma rodnikowa,
ale także jego forma zredukowana i utleniona są zaangażo-
wane w procesy biochemiczne [14,18,20-23]. Reakcje zwią-
zane z przeniesieniem elektronu pomiędzy tlenkiem azotu
a metaloproteinami, kompleksami metali przejściowych i
tiolami mogą prowadzić do powstawania jonów NO
–
i NO
+
[11,23-25].
NATURALNE PUŁAPKI SPINOWE
Obecne głównie w osoczu S-nitrozotiole, a szczególnie
S-nitrozoproteiny są przykładem cząsteczek odpowiedzial-
nych za transport tlenku azotu. Tlenek azotu związany w
cząsteczce S-nitrozotiolu nie reaguje z O
2
i O
2
˙
-
, co ogranicza
powstawanie toksycznych produktów utleniania NO. Tiole
reagując ze związkami, które są źródłem NO
+
, tworzą S-ni-
trozotiole, które z kolei poprzez homolityczny rozpad wią-
zania S–N przekształcają się w rodnikowe formy NO
•
i RS
•
:
RSNO
RS• + NO•
S-nitrozotiole ulegają atakowi nukleofilowemu na grupę
nitrozylową. Jeżeli nukleofilem jest tiol lub anion RS
–
może
to prowadzić albo do przeniesienia jonu NO
+
pomiędzy
dwoma fragmentami S-nukleofilowymi, albo do utworze-
nia RSNO
•–
, który jest źródłem form NO
–
lub N
2
O [11,25].
WYKORZYSTANIE TECHNIKI EPR
DO POMIARU NO I RFT
Przedmiotem badań metodą EPR są substancje zawie-
rające nieskompensowany spin elektronowy, takie jak
wolne rodniki, jony metali przejściowych, kompleksy z
silnym przeniesieniem ładunku, O
2
, NO, znaczniki spi-
nowe czy pułapki spinowe. Metoda EPR charakteryzuje
się wysoką czułością pozwalającą na rejestrację sygnałów
pochodzących od mikromolowych stężeń centrów para-
magnetycznych. Metody rezonansu paramagnetycznego
pozwalają nie tylko na stwierdzenie obecności centrum
paramagnetycznego i jego identyfikację, ale również na
uzyskanie informacji na temat bezpośredniego otocze-
nia centrum paramagnetycznego, określenie geometrii
centrum, liczby i typu ligandów, odległości od innych
centrów paramagnetycznych i innych parametrów opi-
sujących procesy dynamiczne zachodzące w cząsteczce
(ruchliwość, procesy relaksacji itp.).
434
www.postepybiochemii.pl
Rejestracja sygnałów EPR pochodzących od wolnych
rodników tlenowych, w tym tlenku azotu, możliwa jest
dzięki zastosowaniu/wykorzystaniu pułapek spinowych:
egzogennych lub enendogennych. Wart pokreślenia jest
fakt, że spektroskopia EPR pozwala na bezpośredni pomiar
nie tylko tlenku azotu, ale również anionów ponadtlenko-
wych i innych wolnych rodników tlenowych i azotowych
wytwarzanych przez tkanki biologiczne.
PUŁAPKI ENDOGENNE
Badania z wykorzystaniem endogennych pułapek spino-
wych polegają na mierzeniu widm trwałych kompleksów
NO występujących w tkankach lub komórkach. Do takiej
grupy związków należą między innymi endogenne białka
zawierające żelazo zarówno hemoproteiny jak i białka za-
wierające żelazo niehemowe.
Jedną z bardzo często używanych metod do oznaczania
stężenia NO w żywym organizmie jest pomiar widm kom-
pleksów hemoglobina-NO. Pomiar taki przeprowadza się
w zamrożonych próbkach krwi i erytrocytów. Tlenek azo-
tu łączy się z żelazem hemowym, w wyniku czego tworzą
się trwałe pięcio- lub sześciokoordynacyjne kompleksy.
Addukty spinowe tlenku azotu dają charakterystyczne sy-
gnały ERP, tzw. „sygnały trypletowe” (Ryc. 2). Dzięki temu
pomiar charakteryzuje się dużą selektywnością [26-28].
Amplituda sygnału EPR (g = 2,035; AN = 12,6 Gs) jest pro-
porcjonalna do stężenia kompleksu Hb-NO. Hemoglobinę
można również wykorzystać jako nietoksyczną pułapkę do
detekcji NO wydzielonego w hodowlach komórkowych lub
w izolowanych tkankach.
Inną grupą stabilnych kompleksów NO są di-
nitrozylowe kompleksy żelaza, DNIC. Do rodzi-
ny tej należą kompleksy o strukturze tetraedru
[(RS)
x
Fe(NO)
4-x
]
−
, gdzie x=2 lub 3. Najbardziej znany przed-
stawiciel tej rodziny [(RS)
2
Fe(NO)
2
]
−
jest odpowiedzialny za
transport i magazynowanie NO w układach biologicznych
[29]. Jego reaktywność chemiczna i zmiany spektralne zo-
stały dokładnie opisane w literaturze [29-36]. Należy on do
dużej grupy kompleksów o wzorze ogólnym [FeL
2
(NO)
2
]
−
.
Wszystkie kompleksy [FeL
2
(NO)
2
]
−
są paramagnetyczne, a
widmo EPR (Ryc. 3) praktycznie nie zależy od struktury
ligandów i jest charakterystyczne dla tej grupy związków
[37-39].
W układach biologicznych ligandami tworzącymi DNIC
mogą być zarówno małe cząsteczki takie jak glutation czy
cysteina, jak i białka o dużej masie cząsteczkowej, zawie-
rające żelazo hemowe lub niehemowe centra żelazowo-
-siarkowe. Sygnał EPR (g=2,03) jest typowy dla całej grupy
DNIC, w których żelazo(I) tworzy trwałe dwurdzeniowe
kompleksy Fe-S z NO bez względu na rodzaj liganda. Sy-
gnał taki można zarejestrować zarówno w komórkach jak
i tkankach, i jego tworzenie jest związane ze wzrostem wy-
twarzania NO i obecnością wolnego żelaza [11,40].
Kompleks [Fe(SR)
2
(NO)
2
]
−
może także przekazywać NO
innym cząsteczkom np. tiolom. W wyniku takiej reakcji po-
wstają S-nitrozotiole:
[Fe(SR)
2
(NO)
2
]
−
+ R’SH → R’S-NO + produkt rozkładu
Reakcja ta została opisana dla układu gdzie RS to L-cyste-
ina lub GSH (glutation), a R’S to albumina [29,34]. Przykład
ten pokazuje znaczącą rolę kompleksu [Fe(SR)
2
(NO)
2
]
−
w
transporcie i magazynowaniu NO in vivo [11].
PUŁAPKI EGZOGENNE
Pomiar NO może też być prowadzony przy wykorzy-
stanu pułapek spinowych. Zastosowanie techniki pułap-
kowania spinowego, polega na rejestracji widm EPR pa-
ramagnetycznych adduktów spinowych powstających w
specyficznej reakcji pułapki z wolnym rodnikiem NO, przy
czym sama pułapka nie daje sygnału EPR. Do grupy jed-
nych z najbardziej popularnych pułapek stosowanych do
Rycina 2. Charakterystyczny sygnał trypletowy kompleksu hemoglobina-NO
(Hb-NO), zmierzony w erytrocytach uzyskanych z krwi dwumiesięcznych my-
szy ApoE/LDLR knock-out. Sygnał zmierzono w temperaturze 77 K. Amplituda
sygnału jest proporcjonalna do stężenia kompleksu Hb-NO. Widmo wykonano
w Pracowni EPR JCET.
Rycina 3. Widmo EPR charakterystyczne dla grupy dinitrozylowych komplek-
sów żelaza DNIC – stabilnych kompleksów tlenku azotu(II), żelaza i siarki [Fe-
L
2
(NO)
2
]
−
odpowiedzialnych za transport i magazynowanie NO w układach bio-
logicznych. Widmo zmierzono w temperaturze 77 K (na podstawie [44]).
Postępy Biochemii 59 (4) 2013
435
oznaczania NO należą syntetyczne pochodne kwasu karba-
mowego. Można do nich zaliczyć rozpuszczalne kompleksy
(DETC, PDTC) oraz formy nierozpuszczalne (MGD, DTCS,
ProDTC, MSD) [41].
Jednym z pierwszych wykorzystywanych i wciąż po-
wszechnie stosowanych związków jest DETC. Pomiary z
wykorzystaniem kompleksu Fe-DETC prowadzone są w
zamrożonych próbkach, w temperaturze 77K. W celu uzy-
skania aktywnego kompleksu Fe-DETC należy zmieszać
odpowiednią ilość kwasu dietyloditiokarbamowego roz-
puszczonego w odtlenowanym buforze PBS z odpowied-
nią ilością soli żelaza(II) rozpuszczonej w odtlenowanej
soli fizjologicznej. Tak uzyskany hydrofobowy kompleks
jest dodawany do komórek i tam łączy się z wydzielonym
tlenkiem azotu. Utworzony w ten sposób kompleks mono-
nitrozylowy ma właściwości paramagnetyczne, a jego wid-
mo może być rejestrowane techniką EPR (Ryc. 4). Ponieważ
sam kompleks jest hydrofobowy, przeprowadzenie syntezy
w roztworze wodnym prowadzi do utworzenia zawiesiny,
co często jest uważane za wadę tej metody. Co prawda moż-
na go rozpuścić w rozpuszczalnikach niepolarnych i w ten
sposób podać do komórek lub tkanek, ale o wiele bardziej
popularne jest wykorzystanie tego kompleksu do pomiaru
stężenia NO in vivo. W takim przypadku DETC rozpusz-
czony w soli fizjologicznej jest podawany dootrzewnowo,
a roztwór Fe(II) jest podawany podskórnie. Formowanie ni-
trozylowego kompleksu Fe-DETC następuje bezpośrednio
w tkankach i pomiar jest możliwy poprzez przygotowanie
próbek z zamrożonych tkanek. Metodę tę można wykorzy-
stać do monitorowania stężenia NO w różnych tkankach
oraz do określania lokalizacji tych miejsc, w których stęże-
nie tlenku azotu odbiega od przyjętej normy.
Alternatywą dla hydrofobowego kompleksu Fe-DETC
jest równie popularny Fe-MGD, hydrofilowy kompleks że-
laza (II) i N-metylo-
d
-glukaminowej pochodnej DETC. Fe-
-MGD jest pułapką stosowaną do badań w temperaturze
fizjologicznej. Bardzo dobra rozpuszczalność tego komplek-
su pozwala na łatwe uzyskanie jego rozpuszczalnej formy
w roztworze wodnym, poprzez zmieszanie odpowiedniej
ilości soli MGD rozpuszczonej w odtlenowanym buforze
PBS z odpowiednią ilością soli żelaza(II) rozpuszczonego w
odtlenowanej soli fizjologicznej. Istnieją
liczne prace poka-
zujące wykorzystanie tej pułapki w obecności komórek jak
i w tkankach, ale również w izolowanych, perfundowanych
narządach.
WYKORZYSTANIE CYKLICZNYCH HYDROKSYLOAMIN
DO DETEKCJI REAKTYWNYCH FORM TLENU
Tak jak wspomniano na wstępie, stężenie tlenku azotu-
(II) w dużym stopniu zależy od stężenia reaktywnych
form
tlenu, a główną przyczyną spadku aktywności biologicznej
NO jest zwiększona produkcja RFT, zwłaszcza anionu
ponadtlenkowego (O
2
˙
–
). Istnieje bardzo wiele związków,
które mogą potencjalnie być wykorzystane jako pułapki
spinowe do oznaczania RFT. Niektóre z nich, takie jak np.
DMPO, umożliwiają selektywne oznaczanie stężenie O
2
˙
–
.
Uzyskanie informacji na temat stężenia RFT może być ko-
nieczne do zrozumienia przyczyn zmian stężenia NO.
Jedna z metod pozwalających na oznaczanie wolnych rod-
ników tlenowych wykorzystuje reakcję utleniania cyklicz-
nych hydroksyloamin, takich jak CPH (1-hydroksy-3-kar-
boksy-2,2,5,5-tetrametylopirolidyna) i CMH (1-hydroksy-
3-metoksykarbonyl-2,2,5,5-tetrametylopirolidyna),
które
mogą swobodnie wnikać przez błonę do wnętrza komórki.
Można również stosować PPH (1-hydroksy-4-fosfono-oksy-
-2,2,6,6-tetrametylopiperydyna), dla której błony komórko-
we są nieprzepuszczalne. Dzięki wykorzystaniu odpowied-
niej pułapki można określić poziom RFT wewnątrz oraz na
zewnątrz komórki. Co prawda rejestrowany sygnał nie daje
pełnej informacji o rodzaju pułapkowanego rodnika, ale na
podstawie uzyskanych wyników otrzymuje się informację
na temat poziomu reaktywnych form tlenu zdolnych do
utleniania cyklicznych hydroksyloamin.
Na rycinie 5 umieszczono zestawienie widm EPR uzy-
skanych podczas inkubacji świeżo pobranej krwi z pułap-
ką CMH w temperaturze 37ºC. Dzięki tego typu pomiarom
można uzyskać informację o szybkości utleniania hydrok-
syloamin przez RFT, co jest miarą poziomu stresu oksyda-
cyjnego zachodzącego w układzie biologicznym. W prób-
kach krwi pochodzącej od zwierząt z zaburzeniami pro-
dukcji tlenku azotu (myszy pozbawione aktywnych genów
kodującego apolipoproteinę E i receptor lipoprotein o małej
gęstości apoE/LDLR knockout) zaobserwowano znacznie
wyższy poziom sygnału od pułapki niż u zwierząt zdro-
wych (Ryc. 5).
Cykliczne hydroksyloaminy mogą także być stosowane
w hodowlach komórkowych. Wykorzystanie odpowiedniej
pułapki pozwala na określenie, czy sygnał pochodzi od pu-
łapki znajdującej się wewnątrz czy na zewnątrz komórki.
Nasze dotychczasowe badania prowadzone na komórkach
unieśmiertelnionej linii śródbłonkowej EAhy 926 pokazały
między innymi, że po dwunastogodzinnej inkubacji komó-
rek z czynnikiem martwicy
nowotworu-α (TNFα) utlenia-
nie pułapki CPH następuje w większym stopniu niż w ko-
mórkach kontrolnych.
METODY KOMPLEMENTARNE DO EPR
Niejednokrotnie technika EPR jest niewystarczają-
ca do pełnego zrozumienia procesów biologicznych, w
których biorą udział tlenek azotu i RFT. Dlatego w wielu
Rycina 4. Widma EPR nierozpuszczalnego adduktu NO-Fe(DETC)
2
. Widma uzy-
skano w temperaturze 77 K, dla różnych stężeń tlenku azotu(II): 1000 μM-50 μM.
Widmo wykonano w Pracowni EPR JCET.
436
www.postepybiochemii.pl
doświadczeniach konieczne jest zastosowanie innych, kom-
plementarnych metod, pozwalających na oznaczanie NO
lub jego pochodnych. Do metod tych można zaliczyć spek-
troskopię Ramana, gdzie pomiar NO opiera się na obser-
wacji przesunięć pasm stokesowskich i antystokesowskich,
chromatografię gazową z detekcją mas, metody spektro-
fluorymetryczne, chemiluminescencyjne, wykorzystujące
spektroskopię UV-Vis (i np. reakcję Griessa) oraz techniki
elektrochemiczne. W układach biologicznych szczególnie
cenne są te metody, które pozwalają na oznaczalność bar-
dzo małego stężenia NO (10
-8
-10
-9
mola/L) i
w ostatnim czasie obserwuje się wzrost za-
interesowania tymi technikami.
CHEMILUMINESCENCJA
Metody chemiluminescencyjne pozwa-
lają na oznaczanie NO powstałego poprzez
redukcję azotanów(III) i (V), nitrozotioli
oraz białek kompleksujących NO. Tlenek
azotu, który tworzy się w wyniku reakcji re-
dukcji nitrozozwiazków, reaguje z ozonem
i powstaje NO
2
*
. Emisja fotonów, która to-
warzyszy przejściu cząsteczki NO
2
*
ze sta-
nu wzbudzonego do stanu podstawowego,
jest wprost proporcjonalna do ilości tlenku
azotu, który przereagował z ozonem. Me-
tody chemiluminescencyjne pozwalają na
oznaczenia już nanomolowych ilości NO
w pożywkach hodowlanych, osoczu, pełnej
krwi, lizatach tkanek, a także w żywności
czy w lekach.
W zależności od doboru reduktora mo-
żemy oznaczać stężenia azotanów(V) i
(III). Azotany (III) oznaczamy Redukując
je do NO jonami jodkowymi. Stężenie azotanów(V) i (III)
możemy oznaczyć w procesie redukcji w obecności chlor-
ku wanadu(III). Nitrozotiole można selektywnie oznaczyć
w obecności jonów miedzi(II), natomiast oznaczenie NO
przyłączonego do żelaza hemowego w białkach jest moż-
liwe w obecności KCN/K
3
Fe(CN)
6
. Dzięki wysokiej czuło-
ści metodę tę można wykorzystać do oznaczania azotynów
będących produktem utleniania tlenku azotu wydzielonego
nawet z małego kawałka aorty (Rys. 6).
SPEKTROSKOPIA UV-VIS
Niejednokrotnie cząsteczki, które
łączą się z tlenkiem azotu nie tylko po-
siadają charakterystyczne widmo EPR,
ale również charakteryzują się specy-
ficznym widmem UV-Vis. Tak jest na
przykład w przypadku nitrozohemo-
globiny (HBNO), której widmo EPR
zostało opisane powyżej. Dodatkowo
addukt ten ma bardzo charakterystycz-
ne widmo UV-VIS, z pasmami absorp-
cji 417 nm (ε=126), 544 nm (ε=11,4) i
572 nm (ε=11,4) [42]. Dzięki znajomo-
ści położenia pasm absorpcji i wartości
ekstynkcji można niezależnie metodą
UV-Vis potwierdzić zarówno czystość
próbki jak i określić stężenie związku.
Techniki z wykorzystaniem UV-Vis, ze
względu na swoją prostotę i łatwość
wykonywanych pomiarów, są ciągle
jednymi z najpopularniejszych metod
analitycznych. Pozwalają na określenie
czystości próbki w szerokim zakresie
stężeń i dla różnorodnych materiałów.
Techniką tą można również określić
Rycina 5. Widma EPR uzyskane podczas inkubacji świeżo pobranej krwi myszy c57BL6/J z pułapką
CMH w temperaturze 37ºC, zmierzone przy użyciu spektrometru Bruker e-scan. Amplituda sygnału jest
proporcjonalna do stężenia utlenionej hydroksyloaminy. Dzięki tego typu pomiarom można uzyskać in-
formację o szybkości utleniania hydroksyloamin przez RFT, co jest miarą poziomu stresu oksydacyjnego
zachodzącego w układzie biologicznym. Widmo wykonano w Pracowni EPR JCET.
Rycina 6. Stężenie azotanów(III) w buforze po inkubacji krążków aorty szczurów rasy Wistar w obecności
L-NAME (inhibitora syntazy tlenku azotu), aorty kontrolnej (odcinek 1 i odcinek 2) i aorty aktywowanej jonofo-
rem wapniowym. Każdy kolor reprezentuje wyniki uzyskane z krążków pochodzących od jednego zwierzęcia.
Pomiar wykonano w Pracowni EPR JCET.
Postępy Biochemii 59 (4) 2013
437
kinetykę przyłączania się lub dyfuzji tlenku azotu oraz
trwałość samych kompleksów w różnym zakresie stężeń,
pH i temperatury.
ELEKTROCHEMIA
Obecnie znane są metody amperometryczne, dzięki któ-
rym można dokonać pomiaru tlenku azotu(II) w nienaru-
szonych tkankach i w komórkach [43]. Detekcji dokonuje
się za pomocą selektywnych elektrod gazowych, w których
potencjał w określonym przedziale stężeń zależy liniowo
od stężenia NO. Jednymi z pierwszych elektrod używanych
powszechnie do pomiaru NO w układach biologicznych
były: elektroda profesora Tadeusza Malińskiego oraz elek-
troda ISO-NO firmy World Precission Instruments.
Selektywne elektrody gazowe składają się z elektrody
jonowymiennej oraz układu wyodrębniającego i przetwa-
rzającego oznaczany składnik z próbki analitycznej. Głów-
ną częścią tych elektrod jest hydrofobowa membrana prze-
puszczalna dla gazów. Oddziela ona odpowiednie półogni-
wo od roztworu badanego, styka się z dwoma roztworami,
wewnętrznym o stałym składzie i zewnętrznym badanym.
Rdzeniem elektrody jest grafitowe włókno pokryte galwa-
nometrycznie zmodyfikowaną porfiryną lub polimerem o
ładunku ujemnym, wysoce specyficznym dla tlenku azotu-
(II). Nawet duży nadmiar jonów NO
2
-
nie wpływa na zmia-
nę przepływu prądu. Metoda polega na pomiarze prądu
elektrycznego generowanego podczas utleniania tlenku
azotu(II) zachodzącego na powierzchni elektrody. Genero-
wany w wyniku tego procesu prąd jest wprost proporcjo-
nalny do ilości utlenianego NO:
NO – ē → NO+
Technika ta służy do pomiaru nanomolowych stężeń
NO oraz daje możliwość analizy szybkiej odpowiedzi cza-
sowej (sekundy). Jej zaletą jest też umożliwienie pomiaru
miejscowego w tkankach i komórkach, np. w śródbłonku i
mięśniach gładkich ściany naczynia. Elektroda ta cechuje się
również wyjątkowo szybką reakcją na zmianę bodźca [44].
PIŚMIENNICTWO
1. Szaciłowski K, Stasicka Z (2001) S-nitrosothiols: Materials, reactivity
and mechanisms. Progr React Kin Mech 26: 1
2. Gaston B (1999) Nitric oxide and thiol groups. Biochem Biophys Acta
1411: 323-333
3. Cooper CE (1999) Nitric oxide and iron proteins. Biochem Biophys
Acta 1411: 290-304
4. Wink DA, Mitchell JB (1998) Chemical biology of nitric oxide: insights
into regulatory, cytotoxic and cytoprotective mechanisms of nitric oxi-
de. Free Rad Biol Med 25: 434-456
5. Hoshino M, Laverman L, Ford PC (1999) Nitric oxide complexes of
metalloporphyrins: an overview of some mechanistic studies. Coord
Chem Rev 187: 75-102
6. Milani M, Pesce A, Nardini M, Ouellet H, Ouellet Y, Dewilde S, Bocedi
A, Ascenzi P, Guertin M, Moens L, Friedman JM, Wittenberg JB, Bolo-
gnesi M (2005) Structural bases fro heme bingind and diatomic ligand
recognition in truncated hemoglobins. J Inorg Biochem 99: 97-109
7. Pal B, Kitagawa T (2005) Interactions of soluble guanylate cyclase with
diatomics as probed by resonnance raman spexctroscopy. J Inorg Bio-
chem 99: 267-279
8. Endo I, Odaka M, Yohda M (1999) An enzyme controlled by light: the
molecular mechanism of photoreactivity in nitrile hydratase. Trends
Biotechnol 17: 244-248
9. Noguchi T, Noriji M, Takei K, Odaka M, Kamiya N (2003) nitrile hy-
dratase. Biochemistry 42: 11642-11650
10. Gilles-Gonzalez M-A, Gonzalez G (2005) Heme-based sensors: defi-
ning characteristics, recent developments and regulatory hypotheses.
J Inorg Biochem 99: 1-22
11. Szaciłowski K, Chmura A, Stasicka Z (2005) Interplay between iron
complexes, nitric oxide and sulfur ligands: Structure, (photo)reactivity
and biological importance. Coordination Chem Rev 249: 2408-2436
12. Feelish M, Stamler JS (red) (1996) Methods in Nitric Oxide Research,
Chicester, GB, John Wiley & Sons
13. Bohle DS (1998) Pathophysiological chemistry of nitrix oxide and its
oxygenation by-products. Curr Opin Chem Biol 2: 194-200
14. Kröncke KD, Fehsel K, Kolb-Bachofen V (1997) Nitric oxide: cytotoxici-
ty versus cytoprocestion — how, why, when and where? Nitric Oxide
1: 107-120
15. Goldstein S, Czapski G (1995) Kinetics of nitric oxide autoxidation in
aqueous solution in the absence and presence of various reductants.
The nature of oxidizing intermediates. J Am Chem Soc 117: 12078-
12084
16. Szabó C (2003) Multiple pathways of peroxynitrite cytotoxicity. Toxi-
cology Lett 140-141: 105-112
17. Patel RP, McAndrew J, Sellak H, White CR, Jo H, Freeman BA, Dar-
ley-Usmar VM (1999) Biological aspects of reactive nitrogen species.
Biochem Biophys Acta 1411: 385-400
18. Crow JP (2000) Peroxynitrite scaveging by metalloproteins and thiola-
tes. Free Rad Biol Med 28: 1487-1494
19. Butler AR, Flitney FW, Williams DLH (1995) NO, nitrosolium ions,
nitroxide ions and iron nirosyls in biology: a chemist’s perspective.
Trends Pharmacol Sci 16: 18-22
20. Hughes M (1999) Relationship between nitric oxide, nitroxyl ion, nitro-
sonium cation and peroxynitite. Biochem Biophys Acta 1411: 263-272
21. Kelm M (1999) Nitric oxide metabolism and breakdown. Biochem.
Biophys. Acta 1411: 272-289
22. Stamler JS, Singel DJ, Loscalzo J (1992) Biochemistry of nitric oxide and
its redox-activated forms. Science 258: 1898-1902
23. Ford PC, Lorkovic I (2002) Mechanistic aspects of the reactions of nitric
oxide with transition metal complexes. Chem Rev 102: 993-1017
24. Szaciłowski K, Stasicka Z (2000) S-nitrosothiols: materials, reactivity
and mechanisms. Progr React Kin Mech 26: 1
25. Kleschyov AL, Munzel W (2007) Electron paramagnetic resonance
(EPR) spin trapping of biological nitric oxide. J Chromatogr B 851: 12-
20
26. Pustelny K, Bielanska J, Płonka P, Rosen G, Elas M (2007) In vivo spin
trapping of nitric oxide from animal tumors. Nitric Oxide 16: 202-208
27. Vanin AF, Sanina NA, Serezhenkov VA, Burbaev DS, Lozinsky VI,
Aldoshin SM (2007) Dinitrosyl-iron complexes with thiol-containing
ligands: spatial and electronic structures. Nitric Oxide 16: 71-81
28. Wang PG, Xian M, Tang X, Wu X, Wen Z, Cai T, Janczuk AJ (2002)
Nitric oxide donors: chemical activities and biological applications.
Chem Rev 102: 1091-1134
29. Szaciłowski K, Oszajca J, Barbieri A, Karocki A, Sojka Z, Sostero S, Bo-
aretto R, Stasicka Z (2001) Photochemistry of the [Fe(CN)
5
N(O)SR]
3-
complex. A mechanistic study. J Photochem Photobiol A: Chem 143:
99-108
30. Costanzo S, Ménage S, Parello R, Bonomo RP, Fontecave M (2001) Re-
-examination of the formation of dinitrosyl-iron complexes during re-
action of S-nitrosothiols with Fe(II). Inorg Chim Acta 318: 1-7
31. Butler AR, Glidewell C, Hyde AR, Walton JC (1985) Formation of pa-
ramagnetic mononuclear iron nitrosyl complxes from diamagnetic di-
and tetranuclear iron-sulphur nitrosyls: characterization by EPR spec-
troscopy and study of thiolate and nitrosyl ligand exchange reactions.
Polyhedron 4: 797
438
www.postepybiochemii.pl
The detection of nitric oxide and NO-derivatives in the endothelial cells
and tissues
Antonina Chmura-Skirlińska
1,
, Ryszard J. Gurbiel
1,2
1
Laboratory of EPR Spectroscopy, Jagiellonian Center for Experimental Therapeutics, Jagiellonian University 14 Bobrzyńskiego St., 30-348 Kra-
kow, Poland
2
Deparment of Molecular Biophysics, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, 7 Gronostajowa St., 30-387
Krakow, Poland
e-mail: antonina.chmura@jcet.eu
Key words: nitric oxide, NO-Hb, EPR, spin trapping, chemiluminescence, nitrite
ABSTRACT
The correctly working endothelium produces suitable quantities of nitric oxide (NO) and other mediators, necessary for maintenance of ho-
meostasis of cardiovascular system. Because of correlation between the availability of NO and the physiological state of the whole organism,
monitoring the concentration of nitric oxide is essential for the better understanding of pathogenesis of many diseases. For this reason, there
are intensive studies performed to develop new methods allowing the control of NO concentration in biological specimens. Thus, we should
pay a special attention on the methods which make possible the measurement of the concentration of nitric oxide and reactive oxygen species
(ROS). They can be based on analysis of adducts formed by ROS with different stable complexes, on measurement of the direct products
of oxygenation, or on the reduction of radicals. Electron paramagnetic resonance (EPR) deserves special attention, as it allows for the direct
measurement of free radical signals or for analysis of stable adducts of radicals with the spin traps. Other methods should be used, however,
to confirm and extend the results of EPR examination.
32. Baltusis LM, Karlin KD, Rabinowitz HH, Dewan JC, Lippard SJ (1980)
Synthesis and structure of Fe(L’H)(NO)
2
, a tetracoordinate complex
having a twelve-membered chelate ring, and its conversion to penta-
coordinate FeL’(NO) through formal loss of “HNO” (L’ = SCH
2
CH
2
N-
MeCH
2
CH
2
CH
2
NMeCH
2
CH
2
S
-
). Inorg Chem 19: 2627-2632
33. Boese M, Mordvincev PI, Vanin AF, Busse R, Mulsch A (1995) S-Nitro-
sation of serum albumin by dinitrosyl-iron complex. J Biol Chem 270:
29244-29249
34. Szaciłowski K, Macyk W, Stochel G, Sostero S, Traverso O, Stasicka
Z (2000) Ligand and medium controlled photochemistry of iron and
ruthenium mixed ligand complexes: prospecting for versatile systems.
Coord Chem Rev 208: 277-297
35. Conrado CL, Bourassa JL, Egler C, Wecksler S, Ford PC (2003) Pho-
tochemical investigation of Roussin’s Red salt esters: Fe
2
(u-SR)
2
(NO)
4
.
Inorg Chem 42: 2288-2293
36. Boese M, Keese MA, Becker K, Busse R, Mülsch A (1997) Inhibition
of glutathione reductase by dinitrosyl-iron-dithiolate complex. J Biol
Chem 272: 21767-21773
37. Wiegant FCA, Malyshev IY, Kleschyov AL, van Faassen E, Vanin AF
(1999) Dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands and
S-nitroso-D,L-penicillamine as inductors of heat shock protein synthe-
sis in H35 hepatoma cells. FEBS Lett 455: 179-182
38. Jeżowska-Trzebiatowska B, Jezierski A (1973) Electron spin resonance
spectroscopy of iron nitrosyl complexes with organic ligands. J Mol
Struct 19: 635-640
39. Lewandowska H, Brzóska K, Męczyńska-Wielgosz S, Rumianek K,
Wójciuk G, Kruszewski M (2010) Dinitrozylowe kompleksy żelaza -
budowa i znaczenie biologiczne. Postepy Biochem 56: 298-304
40. Fujii S, Yoshimura T (2000) A new trend in iron-dithiocarbamate com-
plexes: as an endogenous NO trapping agent. Coord Chem Rev 198:
89-99
41. Kharitonov VG, Ventura JB, Sharma VS (1996) Interactions od nitric
oxide with heme proteins using UV-VIS spectroscopy. W Methods
in nitric oxide research (Feelisch M, Stamler J, red.) Chichester, Wi-
ley-Blackwell, str. 39-44
42. Janczyk A, Wolnicka-Glubisz A, Chmura A, Elas M, Matuszak Z, Sto-
chel G, Urbanska K (2004) NO-dependent phototoxicity of Roussin’s
black salt against cancer cells. Nitric oxide 10: 42-50
43. Maliński T (2007) Electrochemical measurements of nitric oxide in bio-
logical systems. Encyclopedia of Electrochemistry
44. Chmura A (2005) Fotochemia wybranych nitrozylowych klasterów
żelazowo-siarkowych. Praca doktorska, Wydział Chemii, Uniwersytet
Jagielloński