Slāpekļa(II) oksīds

Slāpekļa(II) oksīds
Slāpekļa(II) oksīda molekulas modelis Slāpekļa(II) oksīda struktūrformulas
Citi nosaukumi	slāpekļa monoksīds, nitrozilradikālis
CAS numurs	10102-43-9
Ķīmiskā formula	NO
Molmasa	30,01 g/mol
Blīvums	1,3402 kg/m3
Kušanas temperatūra	−164 °C
Viršanas temperatūra	−152 °C
Šķīdība ūdenī	0,0098 g/100 ml (0 °C) 0,0056 g/100 ml (0 °C)

Slāpekļa(II) oksīds (NO) ir viens no slāpekļa oksīdiem, kas pieder pie reti sastopamajiem sāļus neradošajiem oksīdiem. Normālos apstākļos slāpekļa(II) oksīds ir bezkrāsaina, ūdenī slikti šķīstoša gāze, kas gaisā uzreiz kļūst brūna, jo oksidējas par slāpekļa(IV) oksīdu. NO ir grūti sašķidrināms; šķidrā un cietā veidā šī viela ir gaiši zilā krāsā. Tā kā NO molekulā ir viens nesapārots elektrons (tas ir brīvais radikālis), slāpekļa(II) oksīds spēj veidot vāji saistīta dimēra molekulas N₂O₂. 25% no sašķidrināta NO ir dimērs, bet sasalis slāpekļa(II) oksīds ir pilnībā dimerizējies.

Iegūšana

Slāpekļa(II) oksīdu var iegūt, iedarbojoties uz slāpekļskābi vai slāpekļpaskābi ar reducētājiem, parasti metāliem.

Laboratorijā NO iegūst, iedarbojoties uz varu ar atšķaidītu slāpekļskābi:

3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO

Līdzīgu reakciju ar dzīvsudrabu sērskābes klātienē izmanto slāpekļskābes satura noteikšanai:

6Hg + 2HNO₃ + 3H₂SO₄ → 2NO + 3Hg₂SO₄ + 4H₂O

Atšķirībā no iepriekšējās reakcijas, pilnīgi viss slāpeklis no slāpekļskābes pāriet gāzveidīgajā NO, tādēļ tā tilpumu var izmērīt speciālā ierīcē — Lunges nitrometrā — un izrēķināt, cik ir bijis slāpekļskābes.

Tīrāku NO gāzi var iegūt, izmantojot reakcijas:

FeCl₂ + NaNO₂ + 2HCl → FeCl₃ + NaCl + NO + H2O

2HNO₂ + 2HI → 2NO + I₂ + 2H₂O

Rūpniecībā NO iegūst ar katalītisku metodi, oksidējot amonjaku virs platīna katalizatora:

4NH₃ +5O₂ → 4NO +6H₂O

Slāpekļa(II) oksīds ir vienīgais no slāpekļa oksīdiem, kas var veidoties no vienkāršām vielām, tieši reaģējot slāpeklim ar skābekli:

N₂ + O₂ → 2NO

Šī reakcija, kam ir ķēdes reakcijas mehānisms, notiek tikai ļoti augstā temperatūrā (virs 3000 °C). Dabā NO šādi veidojas zibens izlādes laikā.

Molekulas uzbūve

Nitrozonija jona struktūrformula

NO molekulā ir nepāra skaits elektronu, tādēļ viens no tiem ir nesapārots un šī molekula uzskatāma par stabilu brīvo radikāli. Molekulāro orbitāļu metode nosaka, ka šis elektrons atrodas irdinošajā orbitālē, tādēļ ķīmiskās saites kārta NO molekulā ir 2,5 (tā ir vidēja starp divkāršo un trīskāršo saiti). Nesapārotā elektrona atrašanās irdinošajā orbitālē rada tam grūtības ķīmiskās saites veidošanā — tas nosaka šī brīvā radikāļa stabilitāti un dimerizēšanos tikai zemās temperatūrās.

Veidojoties pozitīvam molekulārajam jonam NO⁺, pirmais tiek zaudēts tieši irdinošais nesapārotais elektrons, tādēļ saites kārta šādā jonā pieaug līdz 3 (tā ir trīskāršā saite, tāpat kā slāpekļa molekulā). NO⁺ jonu sauc par nitroziljonu jeb nitrozonija jonu. Tas var veidot stabilus sāļus, piemēram, nitrozonija perhlorātu [NO]ClO₄.

Ja veidojas negatīvs molekulārais jons NO⁻, papildu elektrons arī atrodas irdinošajā orbitālē, tādēļ šajā jonā ķīmiskā saite ir tikai divkārša. Piemēram, NO reaģējot ar nātriju šķidrā amonjakā, veidojas savienojums Na⁺NO⁻, tomēr šādi savienojumi ir ļoti nestabili.

NO molekula ir paramagnētiska (to pievelk magnēts).

Ķīmiskās īpašības

Slāpekļa(II) oksīds ir visai reaģētspējīga viela. Tas kāri reaģē ar gaisa skābekli:

2NO + O₂ → 2NO₂

NO reaģē arī ar hloru un bromu, veidojot nitrozilhalogenīdus — nitrozilhlorīdu NOCl un nitrozilbromīdu NOBr. Iedarbojoties ar NO uz koncentrētu sērskābi skābekļa klātienē, veidojas nitrozilsērskābe. NO var oksidēt līdz slāpekļskābei ar hromskābi, paskābinātu kālija permanganāta šķīdumu vai hlorapskābi. Savukārt, iedarbojoties ar sēra dioksīda ūdens šķīdumu, NO reducējas līdz dislāpekļa oksīdam. Ar hroma(II) sāļiem vai SnCl₂ NO var reducēt līdz amonjakam vai hidroksilamīnam.

NO var būt ligands dažādos kompleksos, ko sauc par nitrozilkompleksiem. Piemēram, ievadot NO dzelzs(II) sulfāta šķīdumā, veidojas dzelzs nitrozosulfāta [Fe(NO)]SO₄ šķīdums. Šie savienojumi nav stabili un karsējot NO izdalās no šķīdumiem. Pavisam stabili ir tā saucamie nitroprusīdi, kas satur komplekso jonu [Fe(CN)₅NO]²⁻. Nitroprusīdi pēc ķīmiskās uzbūves ir asinssāļiem līdzīgas vielas.

Atrašanās dabā

Atmosfērā NO piedalās fotoķīmiskajos procesos, kas rada smogu, tas ietilpst arī akmeņogļu degšanas produktu sastāvā, kā arī veidojas, degot tabakai.

Bioloģiskā nozīme

1916. gadā tika konstatēts, ka NO veidojas arī dzīvos organismos - baktērijās. Sākot ar 1981. gadu, sāka pētīt šīs mazās molekulas biosintēzi zīdītāju organismā. 1986. gadā atklāja, ka NO ir endoteliālais relaksācijas faktors, kas uztur asinsvadus pastāvīgā atslābinātā stāvoklī. Drīz atklāja, ka slāpekļa oksīds piedalās daudzos fizioloģiskos procesos organismā: asinsvadu tonusa regulācijā, neirotransmisijā, lielās koncentrācijās tas iedarbojas citostatiski vai citotoksiski un kalpo kā šūnu imunitātes efektors. 1992. gadā slāpekļa oksīdu pasludināja par gada molekulu. 1998. gadā piešķīra Nobela prēmiju medicīnā un fizioloģijā par ieguldījumu NO izpētē trim zinātniekiem: Robertam Fērčgotam (Robert F. Furchgott), Feridam Mirā (Ferid Murad) un Luijam Ignaro (Louis J. Ignarro).

NO biosintēze

NO sintezē fermenti NO sintāzes (NOS) (EC 1.14.23.) no aminoskābes L-arginīna, oksidējot vienu no terminālajiem N atomiem tās guanidīna grupā.

Ja šūnās trūkst L-arginīna, NOS var veidot superoksīda radikāļus (O₂⁻) un ūdeņraža peroksīdu (H₂O₂).

Organismā ir trīs NOS izoformas: neironālā (nNOS jeb NOS I), inducējamā (iNOS jeb NOS II) un endoteliālā (eNOS jeb NOS III). Tās kodējošie gēni atrodas, attiecīgi, 12., 17. un 7. hromosomā.

NOS struktūra

Katrs NOS polipeptīds sastāv no oksidenāzes domēna N-galā, kas veido fermenta aktīvo centru, kur noris NO sintēze, un reduktāzes domēna C-galā. Tiem vidū atrodas Ca²⁺ un kalmodulīnu (CaM) saistošās sekvences. Aktīvā formā NOS ir homodimērs — apvienojas divi vienādi NOS polipeptīdi.

NOS polipeptīda N-galā piesaistās tās aktivitāti regulējošie proteīni, kas nosaka fermenta lokalizāciju šūnā — tā spēju piesaistīties pie noteikta plazmas membrānas domēna vai metaboliska kompleksa, piemēram, sintrofīna muskuļšūnās, postsinaptiskajiem proteīniem nervu šūnās, u.c. eNOS, nNOS un iNOS oksigenāzes domēnā ir motīvi, kur piesaistīties kaveolīnam - šūnas membrānas strukturālam proteīnam, kas atrodas kaveolās — vietās, kur atrodas receptori, G proteīns un proteīnkināzes.

Bioķīmiskās reakcijas, kurās iesaistās NO

NO ir lipofils un viegli difundē no šūnas uz šūnu cauri membrānu fosfolipīdu slānim.

NO, būdams radikālis, ir ķīmiski ļoti aktīvs un strauji iesaistās reakcijās — tā pussabrukšanas laiks ir ļoti īss: no 5 sekundēm ūdens šķīdumos in vitro līdz 120 milisekundēm organismā jeb in vivo. NO koncentrāciju audos un ķermeņa šķidrumos bieži raksturo ar tā oksidācijas galaproduktu koncentrāciju (nitrītu NO₂⁻ un nitrātu NO₃⁻, ko kopā apzīmē: NO_x), jo NO ļoti strauji oksidējas, venozās asinīs NO koncentrācija ir 0,02 μM, bet NO₂ — 30 μM.

NO iesaistās pievienošanas, aizvietošanas un oksidēšanās-reducēšanās reakcijās ar proteīniem, kas satur hēma un ārpushēma dzelzi. NO viegli saistās pie hēma grupas Fe atoma hemoglobīnā. Pēc šāda mehānisma notiek arī guanilātciklāzes aktivācija, kas nodrošina vairākas NO fizioloģiskās funkcijas: gludās muskulatūras atslābināšanu, neirotransmisiju, trombocītu agregāciju.

Ja NO veidojas lielā koncentrācijā, tas iesaistās brīvo radikāļu reakcijās. Tas notiek iekaisuma procesā vai dažādu slimību (neirodeģeneratīvu, kā Pārkinsona slimība vai hronisku iekaisumu — reimatoīdais artrīts) gadījumos.

Piemēram, reakcijā ar superoksīda radikāli (O₂⁻) NO veido ļoti toksisku peroksinitrīta anjonu (ONOO⁻), kas olbaltumvielās nitrolizē tirozīna atlikumus.

NO reakcijai ar lipīdu peroksīdiem (LO^•₂) ir pozitīva nozīme, tā aizsargā audus, pārtraucot lipīdu peroksidāciju: NO^• + LO^•₂ → LOONO

NO ļoti viegli saistās ar cisteīna tiola grupām (R−SH) un otrējiem amīniem (R−H₂N), veidojot atbilstošus nitrozosavienojumus: nitrozotiolus (R−S−NO) un nitrozoamīnus (R₂N−NO).

NO ietekmē gēnu ekspresiju kā prokariotu, tā arī eikariotu šūnās. NO un tā oksidācijas produkti izraisa vairāku transkripcijas faktoru posttranslācijas modifikāciju. Transkripcijas faktoru sastāvā esošās cisteīna -SH grupas var tikt oksidētas, izveidojot disulfīda (S−S) tiltiņus, vai nitrozilētas, NO reaģējot ar −SH grupām (izveidojas nitrozotioli). Rezultātā mainās transkripcijas faktoru telpiskā konformācija un tie nespēj saistīties ar DNS un veikt savas funkcijas.

Slāpekļa oksīda fizioloģiskā loma organismā

NO izraisītās bioloģiskās atbildes organismā ir ļoti daudzveidīgas, atkarīgas no tā veidošanās apstākļiem. NO ietekme var būt regulējoša, aizsargājoša vai toksiska:

• regulējoša — attiecībā uz asinsvadu tonusu, šūnu adhēziju, asinsvadu caurlaidību, neirotransmisiju, bronhu tonusu, trombocītu adhēziju, pretaudzēju imunitātes atbildi, nieru funkciju,
• aizsargājoša, kas izpaužas tā antioksidanta aktivitātē, leikocītu adhēzijas inhibēšanā un aizsardzībā pret ANF-α toksisko darbību,
• toksiska, kas izpaužas lielās koncentrācijās kā vairāku fermentu inhibēšana, DNS struktūras bojāšana, lipīdu peroksidācijas procesu izsaukšana, antioksidantu koncentrācijas pazemināšana, šūnas jutības paaugstināšana pret radiāciju, alkilējošiem aģentiem un smago metālu joniem.

Izmantošana

Slāpekļa monoksīds ir slāpekļskābes ražošanas starpprodukts.

Preparātus, kas organismā veicina NO izdalīšanos, plaši izmanto medicīnā (nitroglicerīns, nātrija nitroprusīds u.c.).

Atsauces

Slāpekļa oksīdi
Dislāpekļa oksīds (N2O)			Slāpekļa(II) oksīds (NO)
Slāpekļa(III) oksīds (N2O3)		Slāpekļa dioksīds (NO2)		Slāpekļa(V) oksīds (N2O5)