La historia del descubrimiento del óxido nítrico (NO) es fascinante, ya que se ha usado en diversos compuestos desde hace siglos. Hoy en día se sabe que, debido a sus propiedades fisicoquímicas, este gas posee innumerables atributos y su producción responde a diferentes condiciones, tanto en los organismos como fuera de ellos.

El oxígeno y el nitrógeno se pueden combinar en diferentes proporciones para formar varias moléculas, algunas de las cuales tienen implicaciones en el medio ambiente. Podemos decir que los óxidos de nitrógeno de mayor interés como contaminantes en la calidad del aire son el NO y el dióxido de nitrógeno (NO₂). El NO₂ es un gas pardo-rojizo, no inflamable, de olor asfixiante y tóxico. Su principal fuente son los procesos de combustión a altas temperaturas, debido a la combinación del oxígeno y el nitrógeno presentes en el aire, combinación que da lugar a NO mismo que, posteriormente, por la acción de oxidantes atmosféricos como el ozono, se convierte en NO₂. En las ciudades, la gran cantidad de vehículos constituye la principal fuente de producción de NO₂ y ocasiona daños a la salud que afectan principalmente al aparato respiratorio.

     El NO (o monóxido de nitrógeno) es un gas incoloro e inodoro que consta de un solo átomo de oxígeno y un átomo de nitrógeno. Su punto de ebullición es de –151–7 ˚C.

     Es una molécula con carácter apolar, con una solubilidad en agua similar a la del O₂. El NO se considera una molécula inestable puesto que contiene un número impar de electrones (radical libre), por lo que reacciona fácilmente con el oxígeno del ambiente o con otras moléculas.

     El NO tiene un amplio espectro de acción y se ha encontrado en numerosos organismos tales como las esponjas, los insectos, las ranas y hasta en las plantas. Su vida media y su acción biológica son muy cortas, ya que es rápidamente oxidado a iones más estables como el nitrito (NO₂^–) y el nitrato (NO₃^–). La cantidad de NO producida está estrechamente relacionada con algunos eventos biológicos como el choque séptico y otras respuestas asociadas con infecciones, la reacción contra injertos de tejido, el cáncer, la función cardiaca y la presión arterial.

     El NO ejerce sus efectos en los sistemas biológicos a través de acciones sobre la membrana celular, el citoplasma y el núcleo de las células. La citotoxicidad del NO está relacionada con su autooxidación y la combinación con superóxidos, lo que produce otros radicales libres de oxígeno que tienen la capacidad de lesionar a las células. Además, el NO, en función de su concentración, puede generar eventos de protección y regulación, como el control de la presión arterial, la formación de nuevos capilares sanguíneos, la modulación del crecimiento celular, o inducir la producción de otras moléculas como factores de crecimiento.

     Por lo anterior y debido a la gama de acciones duales que posee esta molécula, es importante conocer su historia y el proceso de su descubrimiento, hasta llegar a ser el importante biomarcador en sistemas biológicos que es considerado hoy.

 

HISTORIA

 

El NO fue producido por primera vez en laboratorio como una entidad gaseosa por Joseph Priestley en 1772. Al calentar el nitrato amonio en presencia de limaduras de hierro en un recipiente de vidrio se desprendió un gas (NO) que fue filtrado a través de agua para eliminar los subproductos tóxicos. El hidróxido de hierro precipitaba al fondo del recipiente, y se obtenía como producto principal el óxido nitroso en forma de gas. Priestley, sin darse cuenta, sintetizó por primera vez el NO en el laboratorio, hecho que pasó inadvertido hasta muchos años después.

     En 1846, en Turín, en el pleno auge de la síntesis química, Ascanio Sobrero añadió glicerina a una mezcla de ácido nítrico, sintetizando así, por primera vez, la nitroglicerina explosiva. En esa misma época, Alfred Nobel, discípulo de Sobrero, mostró gran interés en la fabricación y uso seguro de la nitroglicerina, que era muy inestable, ya que su hermano había muerto en una explosión en 1864. Nobel observó que al incorporar sílice a la nitroglicerina la hacía más segura y fácil de manipular. Tras pruebas exitosas, patentó su creación en 1867 bajo el nombre de “dinamita”. Esto le dio gran fama a Nobel, ya que su invento empezó a utilizarse con mayor frecuencia para la construcción y minería, pero también como arma poderosa en las guerras.

     Unos años después, una serie de observaciones accidentales sugirieron que la nitroglicerina podía usarse en sistemas biológicos. William Murrell notó que ninguno de los trabajadores de una fábrica de nitroglicerina (propiedad de Alfred Nobel) padecían de hipertensión, hecho que lo llevó, en 1878, a tratar a pacientes hipertensos con dosis muy bajas de nitroglicerina. Murrell describió que la nitroglicerina aliviaba la angina de pecho y disminuía la presión arterial. En 1879 publicó las propiedades de este compuesto como agente vasodilatador y su uso médico. Años después, se encontró que el efecto vasodilatador de la nitroglicerina se debe a la liberación directa del NO en el organismo. A la fecha, la nitroglicerina se sigue usando en medicina en forma de parches adhesivos o vía sublingual (Marsh y Marsh, 2000).

     El estudio de las propiedades vasodilatadoras tanto de la nitroglicerina como de otros derivados del NO (como el nitrato de amilo) continuó hasta el siglo XX con el hallazgo de efectos incluso negativos cuando se incrementaban las dosis o cuando se abusaba de estos compuestos.

     Fue en la década de 1980 que se asoció el papel del NO a la reducción de la presión arterial posterior a la administración de la nitroglicerina y se pudo explicar el uso de este medicamento para el tratamiento de la angina de pecho. En 1980, Robert Furchgott investigó el papel de la acetilcolina, un potente vasodilatador, y descubrió que la relajación de los vasos sanguíneos solo se producía si estaba presente un tipo especializado de células que, en conjunto, forman el endotelio vascular. 

     Las células endoteliales recubren el interior de los vasos sanguíneos y están en contacto directo con la sangre. Sobre las células endoteliales hay otro tipo de células que conforman el músculo liso; la contracción y relajación de estas células musculares mantiene el tono vascular (proceso alternado de relajación y contracción). Furchgott y su grupo de investigación encontraron que, sin las células endoteliales, la acetilcolina no podía causar vasodilatación. Ante esta evidencia, surgió la idea de que había algún factor producido por las células endoteliales que era indispensable para llevar a cabo la relajación de los vasos sanguíneos. Este factor se denominó Factor Relajante Derivado del Endotelio, y con la suposición de que debía existir, se inició su búsqueda. Fue en el año 1986 cuando Ferid Murad encontró que el factor relajante era un compuesto nitrogenado. Las piezas del rompecabezas finalmente se integraron en 1987, cuando Louis Ignarro y Salvador Moncada demostraron que este componente clave era el NO. En ese mismo año John Hibbs propuso que el precursor del NO endógeno es el aminoácido arginina y que este se sintetiza por una vía enzimática. En 1988, John Gartwaite demostró que las neuronas también producen NO, y más aún, que este actúa como neurotransmisor. En 1988, Palmer y Moncada descubrieron que la molécula que produce NO es una enzima a la que nombraron sintasa de óxido nítrico endotelial (eNOS), por su ubicación en el endotelio vascular. En ese mismo año se descubrió otra isoforma de la enzima que se denominó sintasa de óxido nítrico inducible (iNOS), porque su expresión se inducía o provocaba en presencia de factores que generaban daños a nivel celular (Tabla 1).

 

     Las evidencias y las propiedades del NO endógeno llevaron a que en el año 1992 fuera reconocida como la “molécula del año” por la revista Science, y a que, por su papel en este descubrimiento, Furchgott, Murad e Ignarro fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en el año 1998 (Lancaster, 2017).

     El descubrimiento del NO abrió una serie de investigaciones a nivel biológico y fisiopatológico relacionadas con el tratamiento de la hipertensión arterial, la disfunción eréctil, el síndrome de estrés respiratorio del adulto, la enfermedad de Alzheimer y la de Parkinson y en la prevención de la formación de coágulos sanguíneos.

 

EL NO EN LOS SERES VIVOS

 

La síntesis de NO es catalizada a partir de L-arginina por una familia de sintasas de óxido nítrico (NOS). La concentración de NO en el cuerpo puede variar desde el rango picomolar o nanomolar durante períodos cortos, hasta el rango micromolar en períodos prolongados. Se ha evidenciado que concentraciones bajas de NO ejercen un efecto directo sobre procesos como la proliferación y supervivencia celular, mientras que concentraciones más altas tienen un efecto indirecto a través de estrés oxidativo y nitrosativo, la detención del ciclo celular, la apoptosis y la senescencia.

     El NO, al ser un radical libre, reacciona con facilidad con moléculas como oxígeno, superóxido o metales, ácidos nucleicos y proteínas. Las principales reacciones que involucran al NO llevan a su rápida oxidación en metabolitos estables, como nitratos y nitritos. El efecto de la producción de NO sobre los procesos celulares también depende de la presencia de otros radicales libres. Los peroxinitritos generados a partir de la reacción con un superóxido pueden interactuar con varios componentes celulares y están implicados en los mecanismos de señalización del NO que involucran modificaciones de proteínas (Stuehr y Haque, 2019).

     Existen tres tipos de enzimas que catalizan la síntesis del NO que, en función de su localización, promueven acciones específicas sobre tipos especializados de células y el microambiente en el que se encuentran:

- La NO neuronal (nNOS) están presente en neuronas específicas del cerebro. La actividad enzimática está regulada por el calcio y la calmodulina. La nNOS del cerebro se encuentra en forma soluble y dentro de vesículas intracelulares, y la localización subcelular diferencial de la nNOS puede contribuir a sus diversas funciones como un neurotransmisor y en la plasticidad neuronal asociada con la memoria a largo plazo (Arami et al., 2017).

- La NOS endotelial se expresa principalmente en células endoteliales. Sin embargo, la isoenzima también se ha detectado en células cardiacas, plaquetas, ciertas neuronas del cerebro, en células de la placenta humana y en células epiteliales de riñón. Al igual que la nNOS, esta enzima es activada por la calmodulina y el calcio. La eNOS sintetiza NO de manera pulsátil y su actividad aumenta notablemente cuando aumenta el calcio intracelular, en procesos usualmente relacionados con la tonicidad muscular (Garcia y Sessa, 2019).

- La NOS inducible no suele encontrarse en las células, pero su expresión puede ser estimulada por lipopolisacáridos bacterianos, citocinas y otros agentes. Aunque se identifica principalmente en macrófagos, la expresión de la enzima se puede estimular en prácticamente cualquier célula o tejido, siempre y cuando se encuentren los agentes inductores apropiados.

     Una vez expresada, la iNOS está constantemente activa y no está regulada por las concentraciones intracelulares de calcio.

     La iNOS permite que las células liberen NO en respuesta a citocinas, por lo que puede mediar algunos de los efectos citotóxicos y citostáticos del sistema inmunitario. Aunque se ha descrito que la actividad citotóxica del NO por sí misma es débil, esta molécula reacciona con aniones superóxido producidos por macrófagos activados, lo cual genera peróxidos de nitritos que, a su vez, causan daño al tejido. Varios estudios han demostrado la sobreexpresión de iNOS en enfermedades inflamatorias crónicas (esclerosis múltiple, enfermedad inflamatoria intestinal, cirrosis primaria biliar, hepatitis autoinmunitaria, etc.), así como en diversos tumores (cáncer de ovario, mama, estómago y tiroides) en los que participan procesos clave como la angiogénesis y la apoptosis (Cinelli et al., 2020).

 

NO EN EL MEDIO AMBIENTE

 

Como se mencionó anteriormente, en la atmósfera están presentes los óxidos de nitrógeno. Estos son contaminantes que deterioran la calidad del aire. A partir del NO y NO₂ se forma en la atmósfera el ácido nítrico, que es absorbido por las gotas de agua y se precipita en forma de lluvia ácida.

     Este es el más importante por sus efectos sobre la salud humana. Los óxidos de nitrógeno junto con los compuestos orgánicos volátiles son los principales precursores del ozono troposférico. Entre los posibles daños a la salud que pueden causar estos gases están los que afectan al aparato respiratorio provocando neumonía y bronquitis, así como una menor resistencia a las infecciones de las vías respiratorias. Bajos niveles de óxidos de nitrógeno en el aire pueden irritar los ojos, la nariz, la garganta, los pulmones y causar tos y una sensación de falta de aliento, cansancio y náusea. Respirar altos niveles de óxidos de nitrógeno puede producir quemaduras, espasmos en las vías respiratorias superiores, reducir la oxigenación de los tejidos del cuerpo y producir acumulación de líquido en los pulmones que puede llevar a la muerte.

 

ESTUDIOS DEL NO

 

Debido a las amplias acciones del NO a nivel celular, tisular y orgánico, se ha considerado como un biomarcador, tanto en condiciones normales como patológicas, en función del tipo de estímulo que origine su liberación y las consecuentes acciones desencadenadas por agentes endógenos (hormonas) o exógenos (como derivados de productos naturales y derivados tecnológicos del tipo de los nanomateriales). En diversos modelos experimentales hemos evaluado las circunstancias en que el NO es producido, tanto en bajas como en altas concentraciones, pero también hemos podido identificar a través de herramientas farmacológicas y moleculares, la expresión selectiva de las isoformas de las NOS que lo producen, y si están asociadas o no con la generación de radicales libres o con mecanismos antioxidantes (Tabla 2).

 

CONCLUSIONES

 

La producción del NO es estimulada por una gran variedad de factores que pueden generar efectos tanto protectores como citotóxicos, cuyas acciones dependen de la cantidad en la que se generen y su temporalidad. Estas acciones pueden ser moduladas por factores endógenos y otras sustancias vasoactivas destinadas a mantener el equilibrio y la protección del organismo cuando este sufre algún tipo de agresión ocasionada por microorganismos, agentes físicos o contaminantes que alteran el equilibrio orgánico. Es importante saber cómo el NO, una molécula tan pequeña y con una permanencia tan breve en el organismo, puede desplegar una versatilidad de acciones como mediador celular, biomarcador, contaminante del medio ambiente, explosivo o medicamento y que, gracias a las investigaciones en curso en las diferentes áreas de la biomedicina, toxicología y fisiología, seguirá dando mucho de qué hablar tanto en la ciencia básica como en la clínica.

 

REFERENCIAS

 

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