Ferid Murad (2011) - Discovery of Nitric Oxide and Cyclic GMP in Cell Signalling and their Role in Drug Development

The role of nitric oxide in cellular signaling in the past three decades has become one of the most rapidly growing areas in biology. Nitric oxide is a gas and a free radical with an unshared electron that can regulate an ever-growing list of biological processes

Well, it's always fun to come to these meetings to meet the other Nobel laureates and friends. You know we travel all over the world often together and meet each other in various places but I think what is more fun for all of us and you've heard this already, is to interact with the students and the young people. You're very inquisitive, sometimes you ask stupid questions but the stupid questions can be very important as we know. I ask a lot of stupid questions, otherwise I wouldn't be here today I think. I was interested in training both in medicine and in fundamental research and I was one of the first students in the United States to do the MB PhD programme which had just got started at Western Reserve University in Cleveland. My mentors were Earl Sutherland and Ted Rall. Earl was the chairman of the pharmacology department, Ted was his collaborator. The year before I joined them they discovered cyclic AMP which mediated the effects of epinephrine on glucagon to degrade glycogen by phosphorylase to result in the release of glucose into the bloodstream. My assignment was to see if the regulation of this new intercellular second messenger cyclic AMP was because of an enzyme that they had described, adenylyl cyclase. And what hormones might regulate it. And that was an awful lot of fun. The next 10 year period for me was an exciting time to see all of these hormones and drugs working through this new messenger pathway. I worked in that field for 10 years as a student and later as a fellow but then in 1963 another cyclic nucleotide was discovered in rabbit urine. That was its first demonstration as a natural product. Several of us however became intrigued with this possibility of cyclic GMP, guanosine monophosphate being another intercellular messenger. And as I left my fellowship in 1970 to go to the faculty position at the University of Virginia in Charlottesville, I switched my interest from cyclic AMP to cyclic GMP. I felt that the cyclic AMP field was rather crowded, cyclic GMP was new and perhaps as a young faculty member I might have a better chance of contributing something important to cyclic GMP. And that intuition has really paid off. Now right after the Nobel Prize was announced in early October 1998, my office began to get lots of phone calls in Houston from the schools, the colleges, the universities. Even the churches and the mosques asked me to come and talk to young people and I did a great deal of that. But the requests were more than I could handle. There were just so many requests. It was fun but I didn't have time to do all of this. So I went to the television department in the Texas Medical Center. They have a team of people who develop educational materials, videos for patients. How do you manage your hemodialysis shunt for renal dialysis, how do you manage your ileostomy? These sorts of things and brochures as well but these were video preparations. And I asked them if they wouldn't help me put a video together and I'm going to show you this video. Some of you have seen it before I know. The video is in the Nobel electronic museum. Nils Ringertz, the secretary in the year that I got the award, was interested in putting it in the museum along with some other educational materials. It's on YouTube, so you can show it to your colleagues, your friends, your children, your grandchildren. I've shown it to people as young as 4 years old and as old as 85 years old and they all enjoy it because it's in lay, simple language. It's soft science as I call it. My 4 year old grandson watched it over and over and over again, memorised all the lines. When his friend would come over to watch videos, often cartoons, Thomas would show him the video that I'm going to show you shortly. And after having seen it many times this friend of his said: On another occasion his mother, my daughter, took him to the library. He went to the librarian, he was only about 5 years old and said: Well, it's been fun to reach out and influence hopefully these young people. So we're going to start with a video and then I'll show you some slides and I'm going to eliminate some slides. So we'll have ample time for the video. Girl 1: Gosh, what's with all the awards shows? TV And the winner is... Congratulations. And now I ask you to step forward and receive your Nobel Prize. Girl 1: Nobel Prize? What is that? Girl 2: Beats me. Ferid Murad: what? You don't know what the Nobel Prize is? We have to do something about that. Girl 1: Wow! Girl 2: What's up with this? Boy Hey, you're just coming out of the TV! It's like aliens. Ferid Murad: may i? Girl 1: Yeah sure, why not? So, what's your story? Prof. Dr. Ferid Murad: Well, my name is Ferid Murad. You can call me Fred. I'm a doctor and researcher and a scientist at the University Of Texas Medical School. And, oh, by the way I got the "Nobel Prize" in medicine in 1998. Girl 2: So, what is that "Nobel Prize" anyway? Ferid Murad: well, the nobel prize is one of the greatest awards you can get in the world. Boy: Aha... Ferid Murad: It's recognition from other scientists. Girl 2: So? Ferid Murad: Hmm. Well, you get to be on TV all over the world. There's a big party in Sweden. You even get to meet the King and Queen of Sweden. You get a gold medal. Then of course there is the money. Boy Money? Girl 1: Party? Girl 2: Royalty? Ferid Murad: Yeah. Maybe it would be better if I showed you. May I? Girl 1: Mmm...sure. Ferid Murad: Thanks. Scientist on TV: Thanks, Fred. Welcome to my world of science and my laboratory. You know, the Nobel Prize wouldn't even be around if it wasn't for...dynamite. Anyway. Alfred Nobel, the Swedish inventor and businessman who invented the Nobel Prizes, was the guy who invented dynamite. Nitro-glycerine is the explosive chemical in dynamite. And even though it was very dangerous, Mr. Nobel figured out a way to contain nitro-glycerine so that it could be put to good use like to build stuff. You could say his discovery rocked the world. But nitro-glycerine has other uses. When Nobel started having heart problems, his doctor actually prescribed nitro-glycerine for his heart. But Nobel said: "No way." So he blew it. He figured, anything that can blow stuff up can't be good for your heart. Nobody knew why it worked. But it did. and he shared the 1998 Nobel Prize in Medicine with Dr. Robert Furchgott and Dr. Luis Ignarro for figuring it out. Boy So you're the dude that figured out why nitro-glycerine helps peoples' hearts? Ferid Murad: Well, yeah. Girl 2: So? Ferid Murad: So what? Girl 2: So why does it work? Ferid Murad: We were trying to answer the question to how nitro-glycerine works to help with chest pain. I did experiment, observed the results and collected data. Then I found out if what I thought was right or wrong. Anyway, what I did find was that nitro-glycerine releases nitric oxide and that nitric oxide does a lot of important stuff in the body. Girl 1: So, what is nitric oxide? And what exactly did you figure out that got you this "Nobel Prize"? Ferid Murad: Let me show you. Announcer on TV It protects the heart. It stimulates the brain. It kills bacteria. And it's a real gas. It's nitric oxide. No one can say no to NO. Nitric oxide or NO is a simple molecule with two adapts, nitrogen and oxygen. And yes, it's a colourless, odourless gas. A scientific sensation sweeps the globe. Nitric oxide is everywhere. It's coming in toxic pollution depletes the ozone layer. It's even found in car exhaust and cigarette smoke. But from super-menace to superhero. Nitric oxide is also found inside the human body and it helps send very important messages which are not from our sponsors. When blood flows through your blood vessels, the inner lining or endothelium releases nitric oxide. The nitric oxide signals your blood vessel to relax and widen. So what? This in turn lowers blood pressure, the force which the blood exerts on the vessel walls. If your blood vessels make enough nitric oxide, this signals your blood vessel to relax. Then your blood flows on through. No problem. But if blood doesn't flow through, blood plugs forks. Then...(heart attack). And that's not all! Scientist on TV So relaxed blood vessels allow more blood to flow and nitric oxide can have an impact on all different parts of the body. For example, nitric oxide is already saving the lives of babies who are born too early by breathing in very small doses of this gas. It helps their lungs and improves their breathing. And that's good! In nerve cells nitric oxide can stimulate the brain affecting things like behaviour. Oh behave, baby! As part of the body's self-defence system nitric oxide defends against tumour cells and bacteria too. It's amazing stuff. But nitric oxide is no laughing matter and not to be confused with nitrous oxide, better known as laughing gas. Ha-ha... somebody turn of that gas. Boy: So how do you think of all that anyway? Ferid Murad: Well, over time I became very interested in how cells talk to each other. But most other scientists didn't think that was very important. Scientist on TV: Dr. Murad figured out that when cells talk to each other, it's like one cell sends an e-mail to another cell somewhere in the body. And the e-mail is the gas nitric oxide. The e-mail can break into another cell and take over how the cell works. It may contain a message like instructions for a blood vessel to relax. Or it may contain some other kind of instructions. For example, if the message is being sent to a cancer cell, the nitric oxide may kill the cancer and then self-destruct. Hasta la vista, baby. Nitric oxide in your body affects so many things. It's like having a worldwide internet system inside your own body. Girl 1: So why did you go into science in the first place? Ferid Murad: Well, it's really a lot of fun to figure out how stuff like this works. And you don't have to be brilliant to get ahead. You just have to have some goals and be prepared to work very hard. Scientist on TV: As a scientist you get to do something for the first time that nobody else has ever done. And that's exciting! Sometimes your discovery opens the door to a whole new way of thinking and even more new discoveries. It is really cool! It's kind of like the "Science Olympics" and the goal is the Nobel Prize. Teams of scientists from around the world compete with each other. It's fun. Who's going to finish first? Who's going to win the prize? Ferid Murad: One of you could be a Nobel Prize winner someday. Who knows? Boy: Hey! I have some more questions. Girl 2: Yeah, me too. Girl 1: Well, I guess we have to find out more on our own. Girl 2: Maybe we could check the internet. Boy: Yeah, and look out for science and the Nobel Prize. Ferid Murad: They're gone and they left some popcorn, didn't they? Yum! Applause. Well, that was a lot of fun for me to make actually. These kids came over to my family room one Saturday morning with all the props and the people from the television crew. They rented the white tie and tails and it was a lot of fun. I have suggested to my Nobel colleagues that they might think about doing the same. I'd love to see an educational series on Discovery Channel or Nova or something like that in the future. It would be interesting to do and probably important to do. How do cells talk to each other? And the first slide is going to give you a cartoon to demonstrate that. This is 3 different populations of cell types that are going to communicate with each other. They can be any cells in the body because they all talk to each other in one way or another. The very first person who had suggested communication between cells was Pavlov. He got the Nobel prize in 1904 for understanding the physiology of the GI tract. Remember his Pavlovian dog experiments with pouches and fistulas from the stomach. You were probably told from your psychology classes. The first cell type here is the neuronal cell. It could be a central neuron or a peripheral neuron. The second cell type is endothelial cell lining a blood vessel. And the third cell type so the smooth muscle cell inside of the wall of that blood vessel. Cell type 1 wants to talk to cell type 2. It does this by producing substances that it releases into the bloodstream. Earl Sutherland called these first messengers, not a very popular term. Today we know them to be hormones, neurotransmitters, cytokines, growth factors. There are 100s and 100s of these molecules. Some are very simple amino acids, some are peptides, some are carcinoids, some are proteins like the gonadotropins. They home throughout the body to find their target, they're looking for a cell that they want to tweak and regulate. They identify this cell, cell type 2, by the presence in the membrane of that cell of a protein that we call a receptor. There's a receptor for every class of first messengers or ligands. The ligands as I will call them interact three-dimensionally to plug into this receptor protein like a key in a lock. Only certain ligands plug into the right receptor. That's where the specificity of the communication takes place. The ligand doesn't have to go inside of the cell necessarily. Some do, some of the steroids, thyroid hormone. There are a few others. But most of them don't have to go inside to tweak the biochemistry and alter the physiology. What they do instead is regulate a biochemical cascade to result in the accumulation or production of an intercellular second messenger. The first such second messenger was cyclic AMP, discovered in 1957. Since then there have been some others discovered, calcium, cyclic GMP, some of the eicosanoids, some of the peptides and of course nitric oxide. There will be a few more and I suspect, as there are a couple more discovered perhaps, they too will result in Nobel Prizes, I believe. So go out there and go find them, ok? You may be up here on the stage some day. What is unique about nitric oxide as a messenger is that it's a free radical with an unshared electron in its outer shell. It's a gas and it's uncharged at physiologic PH, unlike all of the other messengers. The other messengers to go in and out of the cell often require energy, ATP. And they have proteins or transporters to move them around. This is not the case with nitric oxide. It goes wherever it wants; it's very lipid soluble. It can go into the nucleolus and into the mitochondria, it can come out of the cell, go back in again or it can regulate the biology of adjacent cells. It's a very unique messenger. It has been suggested that there might be some other gases that do the same thing, carbon monoxide, hydrogen sulphide. They certainly have biochemical effects but I don't think they're going to have the ubiquitous nature as a messenger as nitric oxide because it's very, very potent and it's all over the place. When it comes out of the endothelial cell, it can move over to the smooth muscle compartment, regulate the production of another messenger, cyclic guanosine monophosphate resulting in the relaxation of that smooth muscle. Or alternatively it can clamp on to some complex sub-thiol group on a protein or small molecule and be carried to a distance and come back off again and therefore it's a hormone as well. There's no molecule that I'm aware of that has all those possible functions. A neurotransmitter, a hormone, an intercellular messenger, an autacoid, a paracrine substance, it does everything it wants to do. It's really amazing and it just has taken off in biology. Nitric oxide is a very, very old molecule. I wrote a short review. Actually quite a few years ago but I stuck it in my filing cabinet and a few years back I decided to finally publish it. I believe that as life began in the crypts of the ocean near the magma boiling out of the earth, that there had to be simple messenger molecules, calcium, phosphate, carbon monoxide, hydrogen sulphide, nitric oxide, transition metals. And these were often toxic to the bacteria that were trying to grow and proliferate in these environments. And the bacteria are pretty clever. They developed defence mechanisms to detoxify these substances. But bacteria are also very, very clever because once they've done that, why not turn the machinery around and start using this as a way to talk to each other. And I believe that bacteria began to engulf and phagocytise each other and colonise based on these simple messenger molecules. And I believe they participated in the evolution of life 3 billion plus years ago. How do I prove that? I can't prove that. I wish I could prove that because I'd go back to Stockholm again which would be lovely. But I don't know how to do the experiment. However, about 60 years ago it became very important because the environmentalists recognised that nitric oxide came out of automobile exhaust, cigarette smoke, smokestacks. It was a pollutant and a toxic material. Combustible materials with nitrogen in their structure produce a variety of nitrogen oxides. The mono oxide you know, N2O, NO2, N2O3 etc. All of these can interact with the ozone layer to deplete the ozone layer and result in global warming along with the greenhouse gases. So for many, many years everybody thought that these nitrogen oxides, we call them NOXs were pollutants and toxic and poisonous. And we came along and showed that this is how some very important drugs work, nitroglycerine, nitroprussides, some other cardiovascular drugs. And they have a variety of biological effects, partially listed for you on the right hand portion of this slide. Well, that was heresy. Nobody wanted to believe that. So for many years it was an uphill battle for me to convince other scientists that this field was going to become important. Ultimately we were able to do that but it was rather frustrating for many years. But on the other hand I was protected because other people were not interested in nitric oxide. It allowed us to dominate the field and do all of the critical important experiments over a 7 or 8 year period. And there hasn't been a lot done since that we haven't already done which was sort of interesting. When cyclic GMP was discovered in 1963, several laboratories, not many, only about 4 or 5 laboratories started looking at the production of cyclic GMP, the degradation inactivation of cyclic guanosine monophosphate and the possible targets that it might regulate. And there were lots of analogies between the cyclic G pathway and the cyclic AMP pathway. There are about 7 genes that are called guanylate cyclases that make cyclic GMP from GTP. The reaction is very similar to adenylyl cyclase which makes cyclic AMP from ATP. In fact the catalytic domains of all of the cyclases have considerable homology suggesting that maybe they call came from an ancestral gene and deviated with evolution somehow. There is the soluble guanylate cyclase which is the heterodimer with a heme prosthetic group that is the nitric oxide receptor. That's how nitric oxide often works; by binding to that enzyme and activating at 200-, 400-fold. And it will do that at very, very little concentrations, nanomolar concentrations. The particulate isoforms of guanylyl cyclase we've learned are receptor cyclases that bind to a variety of peptides, the HR peptins, AMP, CMP, BMP as well as E. coli heat-stable enterotoxin. And this is how they probably work physiologically. We will say a little bit more about that. They're a family of enzymes that degrade the cyclic nucleotides. They're called cyclic nucleotides phosphodiesterases. There are 11 gene products, very complicated family. Some selectively hydrolyse cyclic AMP, some selectively hydrolyse cyclic GMP, some hydrolyse both. They can be regulated in a variety of ways by phosphorylation, calcium calmodulin, a complicated family. The enzyme that you all know, I'm sure, is the type 5 phosphodiesterase which is found predominantly in the wall of blood vessels. That's the target for Viagra. Viagra binds to that enzyme, inhibits it, permitting cyclic GMP levels to increase and the vessels in the penis, in the corpus cavernosum are being regulated by nerves that release nitric oxide as a neurotransmitter. These are nitrergic neurons, more cyclic GMP accumulates, the vessels dilate more, engorge with blood, that's the mechanism of erection. The other phosphodiesterases have interesting effects on a variety of tissues. Although it's an old field, many, many years of research in this area, there are now some interesting inhibitors coming along on the various phosphodiesterases for various applications, cancer, heart disease, pulmonary hypertension. It goes on and on and on. Most of the intercellular second messengers, calcium, cyclic AMP, cyclic GMP, diacylglycerol activate a protein kinase. Most of these protein kinases are serine-threonine kinases that transfer the gamaphosphate of ATP to a serine or threonine residue on this protein substrate. When the protein is phosphorylated its activity or structure can change and it can be activated or inhibited. Could go either way depending on the target. There are other family of kinases, the tyrosine kinases that are not regulated by these intracellular messengers. They're more often regulated by growth factors and cytokines. So the concept of self-signalling is pretty straightforward. A ligand comes along, binds to its receptor, regulates the cyclase to make it an intercellular messenger, that activates the kinase, the phosphodiesterases the protein and voila you got a physiological effect, simple. However with all of these players, all the protein substrates, all the kinases, there are hundreds of protein kinases, the cyclases, the phosphodiesterases, it can get pretty hairy in this metrics to figure out who is talking to who, to sort it all out. And you could spend many, many years trying to understand all of this. But it's obviously a wonderful pathway to discover drugs. When I began to work with cyclic G in 1970 as I went to Virginia I wanted to answer 2 questions. How do hormones and other drugs regulate the production of cyclic GMP? One laboratory showed that prostaglandins and acetylcholine could increase cyclic GMP in sub tissue preparations. However they failed to activate the enzyme in cell-free extracts. I wanted to figure out how these hormones are bound to their receptors and how that transmitted information to the cyclase. Because if I understood that detail pathway of coupling, I could intervene with drugs to either potentiate or inhibit as new therapies for various endocrine diseases. That was the rationale. We also, while cyclic G was there, we had no idea whatsoever as to what it was doing and I wanted to help find out what it did, physiologically. I'm going to skip through a lot about chemistry. In our earliest experiments it became obvious to us that there were multiple forms of the cyclase, soluble and particulate. In order to prove that there were different isoforms, ultimately we had to purify them, clone them, express them and re-examine them. A lot of work, took us 7 or 8 years to do all that. I took a shortcut. I went around the lab and plucked compounds off the shelf that might inhibit phosphodiesterases, nucleotidases, phosphotases in our prep because we found that the particulate form had cooperativity with curve linear double reciprocal plots, implying 2 or more nucleotide binding sites. The soluble had typical ... (inaudible 30.03) kinetics. And I wondered if the behaviour was because of the lipid environment or other agents, enzymes and things present or whether they were truly different isoforms in different compartments. And if they were different isoforms, I could appreciate how interesting the project would become, to put synthetic pathways in different places in the cell, different pools of cyclic G with perhaps different functions. What a marvellous problem that would be become. So I went around the laboratory, rather than purified it in those days, and pulled things off the shelf like fluoride, azide, hydroxylamine, sodium nitride, a variety of substances. And quite accidentally we found that a couple of them activated the enzyme. Azide, hydroxylamine and sodium nitride would activate the soluble isoform but not the particulate isoform. Well, having grown up with adenylate cyclase and appreciating the importance of fluoride to activate the cyclase which led to the development of G proteins I thought that these small molecules perhaps could tell us something about hormonal regulation of guanylate cyclase. Therefore we focused on these small molecules to see how they were doing it. And this slide shows you a long list of compounds that would activate the soluble isoform of guanylate cyclase. Because of some effects in smooth muscle systems we were studying, we tested nitroglycerine and nitroprusside and they too would activate guanylate cyclase. And that's how we discovered the effects of nitroglycerine. We called all of these drugs on the left hand side here... There are many, many more, there could be another 1 or 2 dozen added to that list. We called them nitrovasodilators. We realised that they were not the active molecules but they were prodrugs or precursors to something being made in our incubations. Because their effects were tissue specific, oxygen-affected some, thiols-affected some, we knew that they were inhibitors of tissue extracts that blocked the effects of most of these. So it got to be a rather complicated system in these crude preparations we were working with and it became quite a mystery story for a couple of years as to what could this active substance be that was being made by all of these nitrovasodilators. Well, it turned out that many tissue extracts like heart possessed inhibitors that blocked the effect. We purified these. They turned out to be hemoglobin and myoglobin. We knew from some old literature that the ... (inaudible 32:46) and hemeproteins, hemoglobin and myoglobin, have a high affinity for nitric oxide, incredibly high affinity. We said perhaps the active principle is nitric oxide. So we did a simple experiment. We went to the fume hood, we mixed sodium nitride, ferosulphate and sulphuric acid with a stir bar, capped it with a catheter and put the gas coming out of this "Gemisch" [mixture] into our tube and sure enough it activated all the cyclases. And what a eureka moment that was. That was in early December 1996, the day before one of my Japanese fellows was returning to Osaka. Fortunately he stayed all day and night that night to do this experiment. This was the first demonstration ever that a free radical and a gas could activate an enzyme. It had never been shown before. And I was very, very excited about it. I shared the information with a lot of my colleagues in Virginia. They weren't so excited about it. They said: And I said: I'm going to skip this. This is what the nitrovasodilators do to blood vessel preparations or other smooth vessels. They elevate G and cause relaxation. This is a very important review article written in 1978. We say here that the scheme proposed that we just showed you in that nitrovasodilator list, the scheme proposed may prove to be the mechanism of action of this class of agents, nitrovasodilators. Perhaps the effects of various hormones in other agents in cyclic GMP accumulation are attributable to altered redox and nitric oxide formation from endogenous precursors. While we showed a free radical could activate an enzyme, we're now proposing that this free radical is a messenger mediating the effects of lots of hormones. That was real heresy. Nobody would believe it. We couldn't prove it at the moment because the concentration in tissues we learned later is nanomolar concentrations. It's so low we didn't have the technology to measure it at those concentrations. So we had to spend a few years developing new techniques. And other labs caught on and began to develop other methods, chemiluminescence methods and electrodes and all sorts of things. And ultimately by about 1986 the world of cyclic GMP and nitric oxide all came together and said: It's an endogenous substance regulating not only cardiovascular systems but probably others as well." Robert Furchgott was a vascular biologist in SUNY Downstate in Brooklyn and he found for the first time that a group of drugs could relax blood vessels in the organ bath in the laboratory, drugs like acetylcholine, histamine, bradykinin. They were known to be hypertensive in animals and man but in the laboratory they could never be shown to cause relaxation. Bob found that the reason they didn't work is because they destroyed the integrity of the endothelium and if you preserve the endothelium all of these drugs work to relax blood vessels. He called them endothelial dependent vasodilators and he found that they released a substance from the endothelium that he called EDRF, endothelial derived relaxant factor. In the spring of 1980 he came to Charlottesville, gave a lecture and I was very excited about his work. I cornered him afterwards, took him off to my office in another building and I said: And EDRF is going to be a reactive species, a free radical of some kind. Maybe it's a nitric oxide elector complex." And we were going to collaborate. Well, his wife was with him. My wife took them to Monticello, she fell down some steps, broke her leg. She had metastatic breast cancer in her leg so that collaboration never took place. We subsequently moved to Stanford and some months later we decided: Let's go ahead and do the experiment ourselves. And sure enough it worked. EDRF is today called nitric oxide. It's probably a mixture of nitro compounds but it does cause relaxation by increasing cyclic GMP production which we showed in the early 1980's. I'm skipping through a lot of biochemistry and some important observations by a couple of other laboratories as well. I want to stop here. This is a cartoon of a blood vessel. On the right hand slide is the smooth muscle compartment, on the left hand slide is the endothelial compartment. In red are 3 categories of vasodilators that work by increasing cyclic GMP production. There are other ways to relax blood vessels, through cyclic AMP, calcium etc. But these are the agents that increase cyclic GMP synthesis. The nitrovasodilators lead to the production of nitric oxide in the tissue, either in the blood stream or in the tissue. Some require enzymes to do it. That binds to the heme prosthetic group on the beta subunit of the heterodimer soluble guanylyl cyclase. That converts GTP to cyclic GMP. That activates the cyclic G dependent protein kinase which phosphorylates a variety of proteins that we've chased with P32 incorporation and 2D gels. We were doing proteomics, my goodness, 30 years ago. And some of those proteins regulate the cytosolic calcium. By lowering calcium in the cell the activity of myosin light chain kinase decreases because there's a calcium calmodulin dependent enzyme. And when you dephosphorylate myosin light chain, the acted myosin filaments slide apart and you get relaxation. When you phosphorylate the myosin light chain they slide together and let you have contraction. That's the smooth muscle model. The endothelial dependent vasodilators which first got described are shown on the left. They interact only with the endothelium, not with the smooth muscle. Why is that? Because the receptors are only on the endothelial cell. They're not on the smooth muscle. So when you have patients coming into the emergency room or the intensive care unit with heart attacks and you want to decrease blood pressure for after load to protect the heart, you don't give them endothelial dependent vasodilators. You give them direct acting nitrovasodilators to lower their blood pressure. Now we understand why. These endothelial dependent vasodilators increase calcium in the endothelial cell. They activate an enzyme called nitric oxide synthase that converts L-arginine, an essential amino acid, into EDRF which is nitric oxide. That goes to the smooth muscle compartment and it works just like a nitrovasodilator. The third category are the atriopeptins. These are peptide hormones first described in the cardiac atrium but they exist in lots of tissues. The particular guanylyl cyclases are receptor cyclases for these atriopeptins, AMP, BMP, CMP. And they work the same way. The enzymes nitric oxide synthase, there are 3 isoforms. Their genes are on 3 different chromosomes. They have about 50 to 60% homology with each other. It's a complicated family of enzymes initially called neuronal NOS, inducible NOS, endothelial NOS. Because they're so ubiquitous, we suggested they be called NOS 1, 2 and 3 in the chronological order which they were first described, purified and cloned. NOS 2 is an interesting one because normally you don't see the transcript or the protein in tissue unless there's been an inflammatory insult. With inflammation TNF-alpha, IL-1 interfere on gamma, endotoxin, increased transcription of NOS 2. So it becomes a biomarker of inflammation. Whether the inflammation is Parkinson's, Alzheimer's, myocarditis, enteritis, nephritis, arthritis, atherosclerosis, it's a biomarker for all those diseases because there are inflammatory components in those diseases. All of these enzymes have a complicated array of cofactors and this is important and I'll tell you why in a moment. They are hemeproteins, they only function as homodimers. I'm about through. I haven't got to the good part, all the medicine yet. But they're complicated because of the reduced cofactors and this provides rationale for nutritional supplementation to influence the activity of these enzymes. Arginine supplementation, anti-oxidants and so forth and I help advise a number of companies around the world with various nutritional supplements, how to improve them. So let's put the story together. Hormones interact with their appropriate receptor, the receptor regulates the activity of nitric oxide synthase probably by regulating some of the activators and co-factors, that makes nitric oxide, that activates soluble cyclase, makes cyclic G, activates the kinase and each of these steps become molecular targets to identify substances that are inhibitory or stimulatory, activators or inhibitors. And there's been a lot of that, all the major drug companies around the world and probably 60 or 70 biotechs are looking at these molecular targets trying to develop drugs. And there are a lot of interesting and promising drugs now in clinical trials that you'll see in the next 5 or 10 year period I'm sure. But pathways are always a little bit more complicated than you think. While nitric oxide prefers to activate guanylyl cyclase, it's also pulled off into other directions. It's oxidised to nitrite and nitrate, it forms complexes with other transition metals besides iron. It forms nitrosation products with thiol groups and proteins. More than 100 proteins get nitrosated, maybe a signally pathway. A very important reaction is the interaction of the nitric oxide free radical with super oxide anion free radical. Both of which are increased in the presence of inflammation and they interact almost in a diffusion limited way to form a more reactive species, peroxynitrite. Peroxynitrite will nitrate lipids, polynucleotides, proteins, fatty acids and they're probably toxic. And the biomarker of the increased production of this toxic molecule is the nitration product that they make, such as nitrotyrosine. So we now have a variety of markers to follow these pathways in biology indices. Endothelial dysfunction, hypertension, atherosclerosis, diabetes, obesity, these patients do not make enough nitric oxide in their blood vessels because of reactive oxygen species, because of inhibitors, because they've depleted the cofactors for NOS. We now can figure out how to supplement the therapy in these diseases in a variety of ways for the future. And here's a list of diseases and you can go to some of the review articles I've written. These are some of the areas that I follow about where this whole field can be useful in medicine. Pulmonary hypertension, angiogenesis, gene regulation, blood clotting, the list goes on and on and on. It's been exciting. Thank you. Applause.

Nun, es macht immer Spaß, zu diesen Veranstaltungen zu kommen und die anderen Nobelpreisträger und Freunde zu treffen. Wir reisen um die ganze Welt, wissen Sie, häufig zusammen, und treffen uns an zahlreichen Orten, was uns allen aber am meisten Spaß macht, glaube ich, und das haben Sie schon gehört, ist der Austausch mit den Studenten und jungen Menschen. Sie sind sehr wissbegierig, manchmal stellen Sie dumme Fragen, aber diese dummen Fragen können sehr wichtig sein, wie wir wissen. Ich stelle eine Menge dummer Fragen, sonst wäre ich heute nicht hier, glaube ich. Mich interessierte sowohl eine Ausbildung in Medizin als auch in der Grundlagenforschung und ich war einer der ersten Studenten in den Vereinigten Staaten, die das MB PhD-Programm durchliefen, das an der Western Reserve University in Cleveland gerade angelaufen war. Meine Mentoren waren Earl Sutherland und Ted Rall. Earl war der Vorsitzende des Fachbereichs Pharmakologie und Ted war sein Mitarbeiter. Das Jahr, bevor ich mich ihnen anschloss, entdeckten sie das cyclische AMP, das die Wirkung von Epinephrin auf Glukagon vermittelt, um Glykogen durch Phosphorylierung abzubauen, was zur Freisetzung von Glukose in den Blutkreislauf führt. Meine Aufgabe bestand darin, festzustellen, ob die Regulation dieses neuen intrazellulären sekundären Botenstoffs cAMP über ein Enzym erfolgte, das sie beschrieben hatten, Adenylatcyclase. Und welche Hormone es regulieren könnten. Und das machte jede Menge Spaß. Die nächsten zehn Jahre waren ein sehr aufregender Zeitraum für mich, in dem ich all diese Hormone und Wirkstoffe durch diese neue Botenstoff-Signalkette wirken sah. Ich forschte zehn Jahre auf diesem Gebiet, als Student und später als Stipendiat, aber dann wurde 1963 ein weiteres zyklisches Nukleotid in Kaninchenurin entdeckt. Das war der erste Nachweis als natürlich vorkommendes Produkt. und die meisten Leute auf diesem Gebiet konzentrierten sich auf cAMP. Einige unter uns waren jedoch fasziniert von der Möglichkeit eines cyclischen GMP, Guanosinmonophosphat, als ein weiterer intrazellulärer Botenstoff. Nach Beendigung meines Stipendiums 1970, um eine Lehrtätigkeit an der Fakultät der University of Virginia in Charlottesville übernehmen zu können, verlegte ich mein Interesse von cAMP zu cGMP. Für mich herrschte im cAMP-Bereich ein wenig zu viel Trubel, cGMP war neu und vielleicht hatte ich als neues Fakultätsmitglied eine bessere Chance, etwas Wichtiges zu cGMP beizutragen. Und diese Intuition hat sich wirklich ausgezahlt. Nun, direkt nach Bekanntgabe des Nobelpreises Anfang Oktober 1998 fing mein Büro an, viele Anrufe aus Houston zu erhalten, von Schulen, Colleges, den Universitäten. Selbst die Kirchen und Moscheen baten mich zu kommen und zu den jungen Menschen zu sprechen, und das tat ich sehr häufig. Aber die Anfragen nahmen überhand. Es gab einfach so viele Anfragen. Es machte Spaß, aber ich hatte einfach nicht die Zeit für all das. Also wandte ich mich an die Fernsehabteilung des Texas Medical Center. Sie haben ein Team von Mitarbeitern, das Schulungsunterlagen entwickelt, Videos für Patienten. Wie gehen Sie mit Ihrem Dialyse-Shunt zur Hämodialyse um, wie gehen Sie mit Ihrem Ileostoma um? Solche Dinge und auch Broschüren, aber dies waren Videovorbereitungen. Und ich fragte sie, ob sie mir nicht beim Zusammenstellen eines Videos helfen wollten, und ich werde Ihnen dieses Video jetzt zeigen. Ich weiß, einige von Ihnen haben es bereits gesehen. Das Video ist auch im Nobel e-Museum zu finden. Nils Ringertz, der in dem Jahr Direktor war, als ich den Preis erhielt, war daran interessiert, ihn zusammen mit einigen anderen Schulungsunterlagen in das Museum zu stellen. Er ist auch auf YouTube zu finden, Sie können ihn also Ihren Kollegen, Ihren Freunden, Ihren Kindern und Ihren Enkelkindern zeigen. Ich habe ihn Menschen im zarten Alter von vier Jahren gezeigt und im fortgeschrittenen Alter von 85 Jahren, und sie hatten alle Spaß, denn er ist in einfacher Laiensprache. Das ist Soft-Wissenschaft wie ich es nenne. Mein vierjähriger Enkelsohn hat ihn wieder und wieder und wieder angeschaut und sich alle Zeilen gemerkt. Wenn sein Freund rüberkam, um Videos zu schauen, häufig Zeichentrickfilme, zeigte ihm Thomas das Video, das ich Ihnen gleich zeigen werde. Und nachdem er ihn viele Male angesehen hatte, fragte dieser Freund von ihm: "Hast du kein Video ohne deinen Großvater?" Ein anderes Mal nahm ihn seine Mutter, meine Tochter, zur Bibliothek mit. Er ging zur Bibliothekarin, er war gerade 5 Jahre alt, und sagte: "Haben Sie ein Buch über Stickstoffmonoxid?" Nun, es hat Spaß gemacht, in die Öffentlichkeit zu gehen und hoffentlich diese jungen Menschen zu beeinflussen. Wir fangen also mit einem Video an und dann zeige ich Ihnen einige Folien und ich werde einige Folien weglassen. Wir werden also genügend Zeit für das Video haben. Mensch, was sollen nur all diese Preisverleihungen? Und der Gewinner ist... Herzlichen Glückwunsch. Bitte kommen Sie nach oben und nehmen Sie Ihren Nobelpreis entgegen. Nobelpreis? Was ist das? Keine Ahnung. Was? Du weißt nicht, was der Nobelpreis ist? Da müssen wir etwas gegen tun. Woahhh! Was ist denn jetzt los? Hey, Sie kommen einfach so aus dem Fernseher raus! Das ist ja wie Außerirdische. Darf ich? Klar, warum nicht? Was wollen Sie uns sagen? Nun, mein Name ist Ferid Murad. Ihr könnt mich Fred nennen. Ich bin Arzt und Forscher und ein Wissenschaftler an der Medical School der University of Texas. Ach, und außerdem, habe ich 1998 den Nobelpreis für Medizin bekommen. Was also ist der Nobelpreis überhaupt? Nun, der Nobelpreis ist eine der höchsten Auszeichnungen, die man auf der Welt bekommen kann. Aha... Er ist eine Anerkennung von anderen Wissenschaftlern. Und? Hmm. Nun, man ist auf der ganzen Welt im Fernsehen zu sehen. Es gibt eine große Party in Schweden. Man trifft sogar den König und die Königin von Schweden. Man erhält eine Goldmedaille. Und dann gibt es natürlich noch Geld. Geld? Party? König und Königin? Jepp. Vielleicht sollte ich euch das besser zeigen. Darf ich? Mmm...sicher. Danke. Danke, Fred. Willkommen in meiner Welt der Wissenschaft und in meinem Labor. Wisst ihr, den Nobelpreis gäbe es gar nicht, wenn da nicht... Dynamit gewesen wäre. Egal. Alfred Nobel, der schwedische Erfinder und Geschäftsmann, der den Nobelpreis eingeführt hat, war auch derjenige, der das Dynamit erfunden hat. Nitroglyzerin ist der Sprengstoff im Dynamit. Und obwohl es sehr gefährlich war, fand Herr Nobel einen Weg, Nitroglyzerin zu beherrschen, sodass es für nützliche Zwecke eingesetzt werden konnte, zum Beispiel um etwas zu bauen. Man könnte sagen, seine Entdeckung erschütterte die Welt. Aber Nitroglyzerin hat noch andere Verwendungen. Als bei Nobel Herzprobleme einsetzten, verschrieb ihm sein Arzt tatsächlich Nitroglyzerin für sein Herz. Aber Nobel sagte: "Auf keinen Fall." Also lehnte er es ab. Keiner wusste warum es funktionierte. Aber es funktionierte. und er teilte sich 1998 den Nobelpreis für Medizin mit Dr. Robert Furchgott und Dr. Luis Ignarro, weil sie es herausfanden. Sie sind also der Typ, der herausgefunden hat, warum Nitroglyzerin den Herzen der Leute hilft? Nun, ja. Und? Und was? Und warum funktioniert es? Wir versuchten also, die Antwort auf die Frage zu finden, wie Nitroglyzerin bei Brustenge hilft. Ich führte Experimente durch, beobachtete die Ergebnisse und sammelte Daten. Dadurch fand ich heraus, ob das, was ich dachte, richtig oder falsch war. Egal, was ich herausfand war, dass Nitroglyzerin Stickstoffmonoxid freisetzt und dass Stickstoffmonoxid jede Menge wichtiger Dinge im Körper macht. Was also ist Stickstoffmonoxid? Und was genau haben Sie herausgefunden, das Ihnen diesen "Nobelpreis" einbrachte? Das will ich euch zeigen. Es schützt das Herz. Es regt das Gehirn an. Es tötet Bakterien. Und es ist ein echtes Gas. Es ist Stickstoffmonoxid. Keiner kann Nein sagen zu NO. Stickstoffmonoxid oder NO ist ein einfaches Molekül aus zwei Atomen, Stickstoff und Sauerstoff. Und ja, es ist ein farbloses, geruchloses Gas. Eine wissenschaftliche Sensation umrundet den Globus. Stickstoffmonoxid ist überall. Dieser herkömmliche, giftige Schadstoff zerstört die Ozonschicht. Er kommt sogar in Autoabgasen und Zigarettenrauch vor. Aber von einer Superbedrohung zu einem Superhelden. Stickstoffmonoxid findet sich auch im menschlichen Körper und es hilft beim Senden wichtiger Botschaften, die nicht von unserem Sponsor stammen. Wenn Blut durch die Blutgefäße fließt, setzt die Innenverkleidung oder das Endothel Stickstoffmonoxid frei. Das Stickstoffmonoxid signalisiert den Blutgefäßen, sich zu entspannen und zu weiten. Und dann was? Dies wiederum senkt den Blutdruck, die Kraft, die das Blut auf die Gefäßwände ausübt. Wenn die Blutgefäße genügend Stickstoffmonoxid herstellen, dieses Signal an die Blutgefäße, sich zu entspannen, dann fließt das Blut weiter. Kein Problem. Aber wenn das Blut nicht weiter fließt, verstopft Blut die Verzweigungen. Dann... (Herzinfarkt). Und das ist noch nicht alles! Entspannte Blutgefäße lassen also mehr Blut durch und Stickstoffmonoxid kann auf alle verschiedenen Teile des Körpers wirken. Zum Beispiel rettet Stickstoffmonoxid bereits frühgeborenen Babys das Leben, indem sie eine sehr kleine Dosis dieses Gases einatmen. Es hilft ihren Lungen und verbessert ihre Atmung. Und das ist gut so! In Nervenzellen kann Stickstoffmonoxid das Gehirn anregen und sich auf Dinge wie das Verhalten auswirken. Oh, benimm dich, Baby! Als Teil des Selbstverteidigungssystems des Körpers bekämpft Stickstoffmonoxid Tumorzellen und auch Bakterien. Es ist ein erstaunliches Zeug. Aber Stickstoffmonoxid ist nicht zum Lachen und darf nicht mit Distickstoffoxid, besser bekannt als Lachgas, verwechselt werden. Ha-ha... schaltet bitte jemand dieses Gas aus. Wie sind Sie überhaupt auf all das gekommen? Nun, mit der Zeit interessierte es mich immer mehr, wie Zellen miteinander sprechen. Aber die meisten anderen Wissenschaftler hielten das für nicht besonders wichtig. Dr. Murad fand heraus, dass es, wenn Zellen miteinander sprechen, so ist, als würde eine Zelle einer anderen Zelle irgendwo im Körper eine E-Mail schicken. Und diese E-Mail ist das Gas Stickstoffmonoxid. Die E-Mail kann in eine andere Zelle eindringen und die Steuerung über die Funktion der Zelle übernehmen. Sie kann eine Botschaft enthalten wie die Anweisungen an ein Blutgefäß, sich zu entspannen. Oder sie könnte irgendwelche anderen Anweisungen enthalten. Wenn die Botschaft zum Beispiel an eine Krebszelle geschickt wird, könnte das Stickstoffmonoxid den Krebs töten und die Selbstzerstörung einleiten. Hasta la Vista, Baby. Stickstoffmonoxid hat im Körper jede Menge Wirkungen. Es ist, als hätte man ein weltweites Internetsystem im eigenen Körper. Warum haben Sie eigentlich angefangen, sich mit Wissenschaft zu beschäftigen? Nun, es macht wirklich jede Menge Spaß herauszufinden, wie solche Dinge funktionieren. Und man braucht nicht brillant zu sein, um voranzukommen. Man muss sich nur einige Ziele setzen und bereit sein, hart dafür zu arbeiten. Als Wissenschaftler kommt man dazu, Dinge zum ersten Mal zu machen, die noch niemand zuvor gemacht hat. Und das ist spannend! Manchmal öffnen deine Entdeckungen das Tor zu einer ganz neuen Denkweise und weiteren neuen Entdeckungen. Das ist wirklich cool! Das ist wie eine Art "Olympiade der Wissenschaft" und das Ziel ist der Nobelpreis. Teams von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt treten gegeneinander an. Das macht Spaß. Wer schafft es als Erstes? Wer wird den Preis gewinnen? Einer von euch könnte eines Tages den Nobelpreis gewinnen. Wer weiß? Hey! Ich habe noch ein paar Fragen. Ja, ich auch. Nun, ich glaube, da müssen wir selbst noch mehr rausfinden. Vielleicht könnten wir im Internet suchen. Ja, und nach Wissenschaft und dem Nobelpreis schauen. Sie sind weg und haben etwas Popcorn zurückgelassen, nicht wahr? Lecker! Nun, diesen Film zu drehen hat mir wirklich jede Menge Spaß gemacht. Diese Kinder kamen an einem Samstagmorgen in meinen Aufenthaltsraum mit all den Requisiten und den Leuten vom Fernsehteam. Sie liehen die weiße Fliege und den Frack aus und es war sehr lustig. Ich habe meinen Nobelpreiskollegen vorgeschlagen, darüber nachzudenken dasselbe zu machen. Ich sähe in Zukunft gerne eine Ausbildungsreihe auf Discovery Channel oder Nova oder so was in der Art. Das wäre bestimmt interessant herzustellen und vermutlich wichtig herzustellen. Wie sprechen Zellen miteinander? Und auf der ersten Folie sehen Sie eine Darstellung, um das zu zeigen. Das sind 3 verschiedene Zelltyppopulationen, die miteinander kommunizieren werden. Das können beliebige Zellen im Körper sein, denn sie alle sprechen auf die eine oder andere Art miteinander. Der allererste Mensch, der eine Kommunikation zwischen Zellen erwogen hat, war Pawlow. Er erhielt 1904 den Nobelpreis für sein Verständnis der Physiologie des Magen-Darm-Trakts. Erinnern Sie sich an seine Pawlowschen Hundeexperimente mit Beuteln und Fisteln aus dem Magen. Davon haben Sie vermutlich in Ihren Psychologiekursen gehört. Der erste Zelltyp hier ist die neuronale Zelle. Es könnte sich um eine Zentralnervenzelle oder eine periphere Nervenzelle handeln. Der zweite Zelltyp ist eine Endothelzelle, die ein Blutgefäß auskleidet. Und beim dritten Zelltyp handelt es sich um glatte Muskelzellen in der Wand des Blutgefäßes. Zelltyp 1 möchte mit Zelltyp 2 sprechen. Dazu produziert er Substanzen, die er in den Blutkreislauf abgibt. Earl Sutherland nannte sie First Messenger (primäre Botenstoffe), kein sehr landläufiger Begriff. Heute wissen wir, dass es sich dabei um Hormone, Neurotransmitter, Zytokine, Wachstumsfaktoren handelt. Es gibt Aberhunderte von diesen Molekülen. Bei manchen handelt es sich um ganz einfache Aminosäuren, bei anderen um Peptide, bei manchen um Karzinoide, bei manchen um Proteine wie die Gonadotropine. Sie wandern im Körper umher, um ihr Ziel zu finden, sie halten Ausschau nach einer Zelle, die sie justieren und regulieren möchten. Sie erkennen diese Zelle, Zelltyp 2, durch Anwesenheit eines Proteins, das wir Rezeptor nennen, in der Membran dieser Zelle. Es gibt einen Rezeptor für jede Klasse von primären Botenstoffen oder Liganden. Die Liganden, wie ich sie nennen werde, interagieren dreidimensional und passen in dieses Rezeptorprotein wie ein Schlüssel ins Schloss. Nur bestimmte Liganden binden an die richtigen Rezeptoren. Genau dort findet die Spezifität der Kommunikation statt. Der Ligand braucht nicht unbedingt in die Zelle einzudringen. Manche machen das, einige der Steroide, Schilddrüsenhormone. Es gibt ein paar weitere. Aber die meisten brauchen nicht einzudringen, um die Biochemie zu justieren und die Physiologie zu ändern. Stattdessen regulieren sie eine biochemische Kaskade, die zur Anhäufung oder Produktion eines intrazellulären Second Messengers (sekundären Botenstoffs) führt. Der erste dieser sekundären Botenstoffe war cAMP, das 1957 entdeckt wurde. Seit damals hat man einige weitere entdeckt, Kalzium, cGMP, einige der Eicosanoide, einige der Peptide und natürlich Stickstoffmonoxid. Es wird ein paar weitere geben und ich vermute, da noch einige weitere entdeckt wurden, dass sie, vielleicht, auch zum Nobelpreis führen werden, glaube ich. Also los, machen Sie sich an die Arbeit und finden Sie sie, OK? Vielleicht stehen eines Tages Sie hier oben. Was Stickstoffmonoxid als Botenstoff so einzigartig macht, ist, dass es sich um ein freies Radikal mit einem ungepaarten Elektron in der Außenhülle handelt. Es ist ein Gas und, im Gegensatz zu allen anderen Botenstoffen, bei physiologischem PH(-Wert) nicht geladen. Die anderen Botenstoffe benötigen zum Eindringen und Verlassen der Zelle häufig Energie, ATP. Und sie haben Proteine oder Transporter, um sie zu transportieren. Das ist bei Stickstoffmonoxid nicht der Fall. Es geht dahin, wohin es will, es ist stark fettlöslich. Es kann in den Nukleolus und in die Mitochondrien eindringen, es kann die Zelle verlassen, erneut eindringen oder es kann die Biologie benachbarter Zellen regulieren. Es ist ein sehr einzigartiger Botenstoff. Es wurde vermutet, dass es noch weitere Gase geben könnte, die dasselbe machen, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff. Sie haben bestimmt biochemische Wirkung, aber ich glaube nicht, dass sie dieselbe omnipräsente Natur als Botenstoffe aufweisen werden wie Stickstoffmonoxid, denn es ist sehr, sehr wirkungsvoll und es ist überall. Wenn es die Endothelzelle verlässt, wechselt es hinüber in das Kompartiment der glatten Muskulatur, reguliert die Produktion eines anderen Botenstoffs, cyclisches Guanosinmonophosphat, was zur Relaxation der glatten Muskulatur führt. Alternativ kann es sich auch an eine komplexe Thioluntergruppe eines Proteins oder an ein kleineres Molekül anlagern und sich eine Strecke transportieren lassen und dann wieder lösen und daher ist es auch ein Hormon. Mir ist kein Molekül bekannt, dass all diese möglichen Funktionen hat. Ein Neurotransmitter, ein Hormon, ein intrazellulärer Botenstoff, ein Autakoid, eine parakrine Substanz, es macht alles, was es möchte. Es ist wirklich erstaunlich und es erobert gerade die Biologie. Stickstoffmonoxid ist ein sehr, sehr altes Molekül. Ich habe eine kurze Abhandlung geschrieben. Eigentlich schon vor einigen Jahren, aber ich habe sie in meinen Aktenschrank gesteckt und vor ein paar Jahren habe ich beschlossen, sie endlich zu veröffentlichen. Ich glaube, als das Leben begann in den Krypten des Meeres nahe den Stellen, an denen das Magma aus der Erde kochte, dass es damals einfache Botenmoleküle geben musste, Kalzium, Phosphat, Kohlenstoffmonoxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoffmonoxid, Übergangsmetalle. Und oft genug waren diese giftig für die Bakterien, die in diesen Umgebungen versuchten zu wachsen und sich zu vermehren. Und die Bakterien sind ziemlich schlau. Sie entwickelten Verteidigungsmechanismen, um diese Substanzen zu entgiften. Aber Bakterien sind auch deshalb sehr, sehr schlau, weil, nachdem sie das getan hatten, warum den Spieß nicht einfach umdrehen und anfangen, dies als Möglichkeit zu nutzen miteinander zu sprechen. Und ich denke, Bakterien begannen mithilfe dieser einfachen Botenmoleküle sich zu verschlingen und gegenseitig zu phagozytieren und Kolonien zu bilden. Und ich glaube, sie trugen vor 3 Millionen Jahren und mehr zur Evolution des Lebens bei. Wie ich das beweisen will? Ich dann das nicht beweisen. Ich wünschte, ich könnte das beweisen, denn dann ginge ich wieder zurück nach Stockholm, was toll wäre. Aber ich weiß nicht, wie ich das Experiment durchführen könnte. Aber vor etwa 60 Jahren wurde es sehr bedeutsam, denn Umweltschützer stellten fest, dass Stickstoffmonoxid aus Autoabgasen, Zigarettenrauch, Schornsteinen austrat. Es war ein Schad- und Giftstoff. Brennbare Stoffe mit Stickstoff in ihrer Struktur erzeugen eine Reihe von Stickoxiden. Das Monoxid, das Sie kennen, N2O, NO2, N2O3 usw. Sie alle können mit der Ozonschicht interagieren und zum Abbau der Ozonschicht beitragen, was zu globaler Erwärmung zusammen mit den Treibhausgasen führt. Also glaubte man viele, viele Jahre, dass diese Stickoxide, wir nennen Sie NOXs, Schadstoffe wären und toxisch und giftig. Und dann kamen wir und zeigten, dass einige sehr wichtige Wirkstoffe so arbeiten, Nitroglyzerin, Natrium-Nitroprussid, einige andere kardiovaskuläre Wirkstoffe. Und sie haben eine Vielzahl biologischer Wirkungen, einen Teil davon habe ich für Sie auf der rechten Seite dieser Folie aufgelistet. Nun, das war Ketzerei. Keiner wollte das glauben. Daher war es für mich viele Jahre ein aussichtsloser Kampf, andere Wissenschaftler davon zu überzeugen, dass dieser Bereich wichtig werden würde. Am Ende hatten wir Erfolg, aber viele Jahre war es ziemlich frustrierend. Auf der anderen Seite jedoch bot mir dieser Umstand Schutz, denn andere Leute waren an Stickstoffmonoxid nicht interessiert. Er ließ uns das Feld beherrschen und über einen Zeitraum von sieben oder acht Jahren all diese kritisch wichtigen Experimente durchführen. Und seitdem wurde nicht mehr viel gemacht, was wir an Interessantem nicht schon gemacht hätten. Als cGMP 1963 entdeckt wurde, begannen mehrere Labors, nicht viele, nur etwa vier oder fünf Labore damit, sich mit der Entstehung von cGMP zu beschäftigen, dem Abbau, Inaktivierung von cGMP und den möglichen Zielen, die es regulieren könnte. Es gab viele Analogien zwischen den Signalketten von cGMP und cAMP. Es gibt 7 Enzyme, die Guanylatcyclasen genannt werden, die cGMP aus GTP herstellen. Die Reaktion verläuft ganz ähnlich zu Adenylatcyclase, das cAMP aus ATP erzeugt. Tatsächlich besteht bei den katalytischen Domänen aller Zyklasen eine beträchtliche Homologie, was darauf hinweisen könnte, dass sie vielleicht alle von einem Ursprungsgen stammen und sich mit der Evolution irgendwie auseinander entwickelten. Es gibt eine lösliche Guanylatcyclase, die ein Heterodimer ist mit einer Häm(prosthetischen) Gruppe, die den Rezeptor für das Stickstoffmonoxid bildet. So funktioniert Stickstoffmonoxid häufig, es bindet an das Enzym und aktiviert es 200- bis 400-fach. Und das geschieht bei sehr, sehr geringen Konzentrationen, nanomolare Konzentrationen. Wie wir herausgefunden haben, sind diese bestimmten Isoformen der Guanylatcyclase Rezeptorzyklasen, die an eine Vielzahl von Peptiden binden, die HR-Peptide, AMP, CMP, BMP sowie das hitzestabile Enterotoxin von E. coli. Und so ist vermutlich ihre physiologische Funktionsweise. Wir werden darüber noch ein wenig mehr hören. Sie sind eine Familie von Enzymen, die die zyklischen Nukleotide abbauen. Sie werden zyklische Nukleotidphosphodiesterasen genannt. Es gibt 11 Genprodukte, sehr komplizierte Familie. Manche hydrolysieren selektiv cAMP, manche hydrolysieren selektiv cGMP, manche hydrolysieren beide. Sie können auf mehreren Wegen reguliert werden durch Phosphorylierung, Kalzium/Calmodulin, eine komplizierte Familie. Das Enzym, das Sie sicherlich alle kennen, ist die Phosphodiesterase-5, die man vorwiegend in den Wänden von Blutgefäßen findet. Sie ist das Ziel von Viagra. Viagra bindet an dieses Enzym, hemmt es, wodurch das cGMP-Niveau ansteigt und die Gefäße im Penis, im Schwellkörper, werden durch Nerven reguliert, die Stickstoffmonoxid als Neurotransmitter ausschütten. Das sind nitrergische Neuronen, es häuft sich weiteres cGMP an, die Gefäße weiten sich weiter, saugen sich mit Blut voll, das ist der Mechanismus der Erektion. Die anderen Phosphodiesterasen haben interessante Wirkungen auf eine Vielzahl von Geweben. Obwohl es ein altes Feld ist, viele, viele Jahre Forschung auf diesem Gebiet, tauchen jetzt einige interessante Inhibitoren für verschiedene Phosphodiesterasen für verschiedene Anwendungsgebiete auf, Krebs, Herzkrankheit, Lungenhochdruck. Es werden immer mehr. Die meisten intrazellulären sekundären Botenstoffe, Kalzium, cAMP, cGMP, Diacylglycerol aktivieren eine Proteinkinase. Die meisten dieser Proteinkinasen sind Serin-/Threonin-Kinasen, die das Gamma-Phosphat des ATP auf einen Serin- oder Threoninrest dieses Proteinsubstrats übertragen. Wenn das Protein phosphoryliert wird, kann sich seine Aktivität oder Struktur ändern und es kann aktiviert oder gehemmt werden. Beides ist möglich, je nach Ziel. Es gibt weitere Familien von Kinasen, die Tyrosinkinasen, die durch diese intrazellulären Botenstoffe nicht reguliert werden. Sie werden häufiger durch Wachstumsfaktoren und Zytokine reguliert. Das Konzept der internen Signalkette ist also ziemlich unkompliziert. Ein Ligand kommt daher, bindet an seinen Rezeptor, reguliert die Zyklase und macht sie zu einem intrazellulären Botenstoff, der aktiviert die Kinase, die Phosphodiesterase, das Protein und voila, schon erfolgt eine physiologische Wirkung, einfach. Dennoch kann bei all diesen Mitspielern, all den Proteinsubstraten, all den Kinasen, es gibt Hunderte von Proteinkinasen, den Zyklasen, den Phosphodiesterasen, es kann ziemlich kompliziert werden in diesem Durcheinander herauszufinden, wer mit wem spricht, es alles auseinander zu dividieren. Und man könnte viele, viele Jahre damit verbringen zu versuchen, das alles zu verstehen. Aber es ist offensichtlich eine wundervolle Methode Wirkstoffe zu entdecken. Als ich 1970 anfing, mich mit cGMP zu beschäftigen, als ich nach Virginia ging, wollte ich zwei Fragen beantworten. Wie regulieren Hormone und andere Wirkstoffe die Produktion von cGMP? Ein Labor zeigte, dass Prostaglandine und Acetylcholin zu mehr cGMP in Untergewebepräparaten führen können. Sie waren aber nicht in der Lage, das Enzym in zellfreien Extrakten zu aktivieren. Ich wollte herausfinden, wie diese Hormone an die Rezeptoren binden und wie dadurch Informationen an die Zyklase übertragen werden. Denn wenn ich den genauen Signalweg des Andockens verstünde, könnte ich mit Medikamenten eingreifen, um die Wirkung als neue Therapien verschiedener endokriner Erkrankungen entweder zu verstärken oder zu hemmen. Das war die Begründung. Außerdem hatten wir, obwohl cGMP vorhanden war, nicht die geringste Ahnung, was genau es machte, und ich wollte dabei helfen herauszufinden, was es physiologisch tat. Ich lasse jetzt jede Menge chemischer Details aus. In unseren ersten Experimenten stellte sich heraus, dass es mehrere Formen der Zyklase gab, löslich und partikulär. Um zu beweisen, dass es verschiedene Isoformen gab, mussten wir sie letztendlich reinigen, klonen, exprimieren und erneut untersuchen. Eine Menge Arbeit, wir brauchten für all das sieben oder acht Jahre. Ich habe eine Abkürzung genommen. Ich ging im Labor umher und nahm Verbindungen aus den Regalen, die Phosphodiesterasen, Nukleotidasen, Phosphatasen in unseren Präparaten hemmen konnten, denn wir hatten herausgefunden, dass die partikuläre Form Kooperativität in Form ...linearer, doppelt reziproker Kurven aufwies, was auf zwei oder mehr Nukleotidbindungsstellen schließen ließ. Die lösliche Form wies eine typische (unverständlich 30.03) Kinetik auf. Und ich fragte mich, ob dieses Verhalten an der lipiden Umgebung oder anderen Wirkstoffen, Enzymen und vorhanden Dingen lag, oder ob es sich um wirklich unterschiedliche Isoformen in unterschiedlichen Kompartimenten handelte. Und wenn es sich um unterschiedliche Isoformen handelte, könnte ich mich darauf freuen, wie interessant das Projekt werden würde, synthetische Signalwege an verschiedenen Stellen der Zelle zu installieren, unterschiedliche Reservoirs von cyclischem GMP mit vielleicht unterschiedlichen Funktionen. Was für ein wundervolles Problem das werden würde. So ging ich also im Labor umher und statt es zu reinigen damals, zog ich Dinge aus den Regalen wie Fluoride, Azide, Hydroxylamin, Natriumnitrit und eine Auswahl anderer Substanzen. Und ziemlich zufällig fanden wir heraus, dass eine Reihe davon das Enzym aktivierte. Azide, Hydroxylamin und Natriumnitrit aktivierten die lösliche Isoform, nicht jedoch die partikuläre Isoform. Nun, da ich mit Adenylatcyclase aufgewachsen war und die Bedeutung von Fluoriden für die Aktivierung der Zyklase zu schätzen wusste, was wiederum zur Entwicklung von G-Proteinen führte - das war ein bedeutender Befund im Labor von Sutherland, der zur Entdeckung der G-Proteine führte - glaubte ich, dass diese kleinen Moleküle uns vielleicht etwas über die hormonelle Regulierung der Guanylatcyclase mitteilen konnten. Daher konzentrierten wir uns auf diese kleinen Moleküle, um zu sehen, wie sie wirkten. Und auf dieser Folie sehen Sie eine lange Liste von Verbindungen, die die lösliche Isoform der Guanylatcyclase aktivieren. Aufgrund einiger Wirkungsweisen in den glatten Muskelsystemen, die wir untersuchten, testeten wir Nitroglyzerin und Nitroprussid und auch sie aktivierten die Guanylatcyclase. Und so entdeckten wir die Wirkungsweise von Nitroglyzerin. Wir nannten all diese Wirkstoffe auf der linken Seite hier... Es gibt noch viele, viele mehr, man könnte dieser Liste noch mindestens ein oder zwei Dutzend weitere hinzufügen. Wir nannten sie Nitrovasodilatatoren. Wir erkannten, dass dies nicht die aktiven Moleküle waren, sondern Prodrugs oder Vorläufer von etwas, das in unseren Inkubationen entstand. Da ihre Wirkung gewebespezifisch war, manche durch Sauerstoff beeinflusst, manche durch Thiol beeinflusst, wussten wir, dass sie Inhibitoren von Gewebeextrakten waren, die die Wirkung der meisten davon hemmten. So entstand ein ziemlich kompliziertes System in diesen Rohpräparaten, mit denen wir arbeiteten, und ein paar Jahre lang war es eine ziemlich mysteriöse Geschichte, was diese aktive Substanz wohl sein könnte, die von all diesen Nitrovasodilatatoren erzeugt wurde. Nun, es stellte sich heraus, dass viele Gewebeextrakte, etwa eines vom Herzen, Inhibitoren besaßen, die die Wirkung hemmten. Wir reinigten diese. Es stellte sich heraus, dass es sich um Hämoglobin und Myoglobin handelte. Wir wussten aus der bekannten Literatur, dass die (unverständlich 32:46) und Hämproteine, Hämoglobin und Myoglobin, eine hohe Affinität für Stickstoffmonoxid aufweisen, unglaublich hohe Affinität. Wir sagten uns, vielleicht ist das aktive Prinzip Stickstoffmonoxid. Wir führten also ein einfaches Experiment durch. Wir gingen zum Dunstabzug, mischten Natriumnitrit, Eisensulphat und Schwefelsäure mit einem Rührstab, verschlossen es mit einem Katheter und fingen das aus diesem Gemisch entweichende Gas in unseren Röhrchen auf, und wie erwartet, aktivierte es all die Zyklasen. Und was für ein Jubelmoment das war. Das war Anfang Dezember 1996, der Tag, bevor einer meiner japanischen Stipendiaten nach Osaka zurückkehrte. Zum Glück blieb er in dieser Nacht den ganzen Tag, äh, die ganze Nacht, um das Experiment durchzuführen. Das war der erste Beweis, den es je gab, dass ein freies Radikal und ein Gas ein Enzym aktivieren konnte. Es konnte nie zuvor bewiesen werden. Und ich war darüber sehr, sehr begeistert. Ich teilte diese Neuigkeit einer Menge Kollegen in Virginia mit. Sie waren darüber nicht so begeistert. Sie sagten: "Das ist eine toxische Substanz, ein Gift, wie kann das wichtig sein, Murad?" Und ich sagte: Hier sehen Sie, was Nitrovasodilatatoren mit Blutgefäßpräparaten oder anderen glatten Gefäßen machen. Sie erhöhen G und führen zur Relaxation. Das ist ein wichtiger Übersichtsartikel, der 1978 geschrieben wurde. Darin sagen wir, dass das vermutete Schema, das wir Ihnen mit dieser Nitrovasodilatatorenliste gerade gezeigt haben, das vermutete Schema sich als der Aktionsmechanismus dieser Klasse von Wirkstoffen, den Nitrovasodilatatoren, erweisen könnte. Vielleicht beruht die Wirkung verschiedener Hormone und anderer Substanzen in einer cGMP-Ansammlung auf geändertem Redox und Stickstoffmonoxidbildung aus endogenen Vorläufern. Zuerst zeigten wir, dass ein freies Radikal ein Enzym aktivieren konnte, nun schlugen wir vor, dass dieses freie Radikal ein Botenstoff sein könnte, der die Wirkung viele Hormone vermittelte. Das war echte Ketzerei. Keiner wollte das glauben. Wir konnten das zu diesem Zeitpunkt nicht beweisen, weil die Konzentration im Gewebe, wie wir später feststellten, eine nanomolare Konzentration ist. Sie ist so gering, dass wir nicht die Technik hatten, sie in diesen Konzentrationen zu messen. Daher mussten wir uns ein paar Jahre mit der Entwicklung neuer Techniken abgeben. Und andere Labors holten auf und begannen andere Methoden zu entwickeln, Chemolumineszenz-Methoden und Elektroden und alle möglichen Dinge. Und schließlich traf etwa 1986 die Welt des cGMP und Stickstoffmonoxids zusammen und sagte: "Ja, es ist wichtig. Es ist eine endogene Substanz, die nicht nur kardiovaskuläre Systeme, sondern wahrscheinlich auch noch andere reguliert." Robert Furchgott beschäftigte sich mit vaskulärer Biologie am SUNY Downstate in Brooklyn und er entdeckte zum ersten Mal, dass eine Gruppe von Wirkstoffen im Labor die Relaxation von Blutgefäßen im Organbad bewirken konnte, Wirkstoffe wie Acetylcholin, Histamin, Bradykinin. Man wusste um ihre hypertensive Wirkung bei Tieren und auch beim Menschen, aber im Labor konnte man nie nachweisen, dass sie eine Relaxation bewirkten. Bob fand heraus, dass sie nicht wirkten, weil sie die Integrität des Endothels zerstörten, und wenn man das Endothel erhält, bewirken all diese Wirkstoffe eine Relaxation der Blutgefäße. Er nannte sie endothelabhängige Vasodilatatoren und er fand heraus, dass sie die Freisetzung einer Substanz aus dem Endothel bewirken, die er EDRF nannte, Endothelial Derived Relaxing Factor. Im Frühjahr 1980 kam er nach Charlottesville, hielt einen Vortrag und ich war sehr begeistert von seiner Arbeit. Ich fing ihn anschließend ab, entführte ihn in mein Büro in einem anderen Gebäude und sagte: Und EDRF wird wohl von der reaktiven Sorte sein, irgendein freies Radikal. Vielleicht handelt es sich um einen Stickstoffmonoxid-Elektorkomplex." Und wir wollten zusammenarbeiten. Nun, seine Frau war bei ihm. Meine Frau nahm sie mit nach Monticello, sie fiel ein paar Stufen hinunter, brach sich das Bein. Sie hatte Metastasen bildenden Brustkrebs im Bein, so kam diese Zusammenarbeit nie zustande. Im Anschluss zogen wir nach Stanford und einige Monate später entschieden wir, lasst uns weitermachen und die Experimente selbst durchführen. Und tatsächlich funktionierte es. EDRF wird heute Stickstoffmonoxid genannt. Es besteht vermutlich aus einer Mischung aus Stickstoffverbindungen, aber es verursacht eine Relaxation durch Erhöhung der cGMP-Produktion, was wir Anfang der 1980er Jahre nachwiesen. Ich wühle mich gerade durch eine Menge Biochemie und auch durch einige wichtige Beobachtungen einer Reihe anderer Labors. Ich möchte hier aufhören. Das ist eine Darstellung eines Blutgefäßes. Auf der Folie rechts sehen Sie das glatte Muskelkompartiment, auf der Folie links das Endothelkompartiment. Rot dargestellt sind 3 Kategorien von Vasodilatatoren, deren Wirkung auf der Aktivierung der cGMP-Produktion beruht. Es gibt andere Methoden zur Relaxation der Blutgefäße, durch cAMP, Kalzium usw. Das aber sind die Wirkstoffe, die die Synthese von cGMP heraufsetzen. Die Nitrovasodilatatoren führen zur Entstehung von Stickstoffmonoxid im Gewebe, entweder im Blutkreislauf oder im Gewebe. Manche benötigen dazu Enzyme. Dies bindet an die Häm(prosthetische) Gruppe der Beta-Untereinheit des Heterodimers der löslichen Guanylatcyclase. Das wandelt GTP in cGMP um. Das aktiviert die cGMP-abhängige Proteinkinase, die eine Reihe von Proteinen phosphoryliert, die wir durch den Einbau von P32 und mithilfe von 2D-Gel(elektrophorese) verfolgt haben. Was wir da machten war Proteomik, meine Güte, vor 30 Jahren. Und einige dieser Proteine regulieren das cytostolische Kalzium. Durch Senkung des Kalziumspiegels in der Zelle verringert sich die Aktivität der Myosin-Leichte-Ketten-Kinase, denn da gibt es ein Kalzium/Calmodulin-abhängiges Enzym. Und wenn man die leichten Ketten des Myosins dephosphoryliert, gleiten die Aktin-Myosin-Filamente auseinander und man erhält Relaxation. Wenn man die leichten Ketten des Myosins phosphoryliert, ziehen sie (die Filamente) sich zusammen und man erhält Kontraktion. Das ist das Glattmuskulaturmodell. Die endothelabhängigen Vasodilatatoren, die zuerst beschrieben wurden, sind links dargestellt. Sie treten nur mit dem Endothel in Wechselwirkung, nicht mit der glatten Muskulatur. Warum ist das so? Weil die Rezeptoren nur auf der Endothelzelle sitzen. Sie befinden sich nicht auf der glatten Muskulatur. Wenn also Patienten mit einem Herzinfarkt in die Notaufnahme kommen oder auf die Intensivstation und Sie möchten den Blutdruck für die Nachlast senken, um das Herz zu schützen, dann geben Sie diesen keine endothelabhängigen Vasodilatatoren. Sie geben ihnen direkt wirkende Nitrovasodilatatoren, um den Blutdruck zu senken. Jetzt verstehen wir, warum. Diese endothelabhängigen Vasodilatatoren erhöhen den Kalziumspiegel in der Endothelzelle. Sie aktivieren ein Enzym, das (endotheliale) Stickstoffmonoxid-Synthase genannt wird, die L-Arginin, eine essentielle Aminosäure, in EDRF, was Stickstoffmonoxid ist, umwandelt. Dieses wandert in das Glattmuskelkompartiment und wirkt genau wie ein Nitrovasodilatator. Die dritte Kategorie sind die Atriopeptine. Das sind Peptidhormone, die zuerst im Vorhof des Herzens beschrieben wurden, aber sie kommen in vielen Geweben vor. Die gewissen Guanylatcyclasen sind Rezeptorzyklasen für diese Atriopeptine, AMP, BMP, CMP. Und sie wirken auf die gleiche Art. Das Enzym Stickstoffmonoxid-Synthase, es gibt drei Isoformen. Ihre Gene sitzen auf drei verschiedenen Chromosomen. Sie haben eine 50- bis 60-prozentige Homologie miteinander. Sie bilden eine komplizierte Enzymfamilie, anfänglich neuronale NOS, induzierbare NOS und endotheliale NOS genannt. Da sie so omnipräsent sind, haben wir vorgeschlagen, sie NOS 1, 2 und 3 zu nennen, in der chronologischen Reihenfolge, in der sie zuerst beschrieben, gereinigt und geklont wurden. NOS 2 ist besonders interessant, denn man findet kein Transkript und auch nicht das Protein im Gewebe, bis eine Entzündung auftritt. Bei einer Entzündung TNF-Alpha, IL-1 Interferon-Gamma, Endotoxin, vermehrte Transkription von NOS 2. So wird sie also zum Biomarker für Entzündungen. Ob es sich bei der Entzündung um Parkinson, Alzheimer, Myokarditis, Enteritis, Nephritis, Arthritis, Arteriosklerose handelt, sie ist ein Biomarker für all diese Erkrankungen, denn bei all diesen Erkrankungen gibt es Entzündungskomponenten. All diese Enzyme weisen ein kompliziertes Spektrum von Kofaktoren auf und das ist wichtig, und gleich sage ich Ihnen auch warum. Sie sind Hämproteine, sie wirken nur als Homodimere. Ich bin gleich fertig. Ich bin noch nicht zum guten Teil gekommen, all den medizinischen Aspekten. Aber sie sind kompliziert, aufgrund der reduzierten Kofaktoren und das bietet eine Begründung für Nahrungsergänzung, um die Aktivität dieser Enzyme zu beeinflussen. Argininergänzung, Antioxidantien usw. und ich unterstütze eine Reihe von Unternehmen weltweit bei verschiedenen Nahrungsergänzungsmitteln, wie man diese verbessern könnte. Lassen Sie uns also das Ganze zusammenfassen. Hormone interagieren mit ihren entsprechenden Rezeptoren, die Rezeptoren regulieren die Aktivität der Stickstoffmonoxid-Synthase, vermutlich durch Regulierung einiger Aktivatoren und Kofaktoren, dadurch entsteht Stickstoffmonoxid, das aktiviert die lösliche Zyklase, es entsteht cGMP, das aktiviert die Kinase und jeder dieser Schritte wird zum molekularen Ziel, um Substanzen zu finden, die hemmen oder aktivieren, Aktivatoren oder Inhibitoren. Und da gab es viel Aktivität, alle größeren Pharmaunternehmen auf der Welt und wahrscheinlich 60 oder 70 Biotech-Unternehmen untersuchen diese molekularen Ziele und versuchen Medikamente zu entwickeln. Und es durchlaufen jede Menge interessanter und vielversprechender Medikamente gerade klinische Studien, die man in den nächsten fünf oder zehn Jahren auf dem Markt finden wird, da bin ich sicher. Aber Signalketten sind immer ein bisschen komplizierter als man glaubt. Obwohl Stickstoffmonoxid mit Vorliebe Guanylatcyclase aktiviert, wird es doch auch immer in andere Richtungen gezogen. Es wird zu Nitrit und Nitrat oxidiert, es bildet nicht nur mit Eisen, sondern auch mit anderen Übergangsmetallen Komplexe. Es bildet Nitrierungsprodukte mit Thiolgruppen und Proteinen. Über 100 Proteine können nitriert werden, ist vielleicht eine Signalkette. Eine sehr wichtige Reaktion ist die Wechselwirkung zwischen dem freien Radikal Stickstoffmonoxid und dem freien Radikal Hyperoxid-Anion. Beide sind bei Entzündungen vermehrt vorhanden und sie interagieren auf eine beinahe diffusionsbegrenzte Weise mit der Bildung einer noch reaktiveren Spezies, Peroxynitrit. Peroxynitrit nitriert Fette, Polynukleotide, Proteine, Fettsäuren und sie sind wahrscheinlich toxisch. Und der Biomarker einer erhöhten Produktion dieses toxischen Moleküls ist das daraus entstehende Nitrierungsprodukt wie Nitrotyrosin. Jetzt verfügen wir also über eine Reihe von Markern, um diesen Signalketten in der Biologiebranche zu folgen. Endotheliale Dysfunktion, Bluthochdruck, Arteriosklerose, Diabetes, Übergewicht, diese Patienten stellen nicht genug Stickstoffmonoxid in ihren Blutgefäßen her, aufgrund von Reaktiven Sauerstoffspezies, aufgrund von Inhibitoren, weil ihnen die Kofaktoren für NOS ausgehen. Wir haben jetzt eine Möglichkeit, herauszufinden, wie die Therapie bei diesen Erkrankungen zukünftig auf vielfältige Art und Weise ergänzt werden kann. Und hier ist eine Liste mit Erkrankungen und Sie können sich einige der Übersichtsartikel anschauen, die ich geschrieben habe. Dies sind einige der Bereiche, die ich verfolge, in denen dieses ganze Feld in der Medizin nützlich sein kann. Lungenhochdruck, Angiogenese, Genregulation, Blutgerinnung, die Liste geht weiter und weiter und weiter. Es ist und bleibt spannend. Vielen Dank.

Ferid Murad (2011)

Discovery of Nitric Oxide and Cyclic GMP in Cell Signalling and their Role in Drug Development

Ferid Murad (2011)

Discovery of Nitric Oxide and Cyclic GMP in Cell Signalling and their Role in Drug Development

Abstract

The role of nitric oxide in cellular signaling in the past three decades has become one of the most rapidly growing areas in biology. Nitric oxide is a gas and a free radical with an unshared electron that can regulate an ever-growing list of biological processes. Nitric oxide is formed from L-arginine by a family of enzymes called nitric oxide synthases. These enzymes have a complex requirement for a number of cofactors and regulators including NADPH, tetrahydrobiopterin, flavins, calmodulin and heme. The enzymes are present in most cells and tissues. In many instances, nitric oxide mediates its biological effects by activating the soluble isoform of guanylyl cyclase and increasing cyclic GMP synthesis from GTP. Cyclic GMP, in turn, can activate cyclic GMP-dependent protein kinase (PKG) and can cause smooth muscles and blood vessels to relax, decrease platelet aggregation, alter neuron function, etc. These effects can decrease blood pressure, increase blood flow to tissues, alter memory and behavior, decrease blood clotting, etc. The list of effects of nitric oxide that are independent of cyclic GMP formation is also growing at a rapid rate. For example, nitric oxide can interact with transition metals such as iron, thiol groups, other free radicals, oxygen, superoxide anion, unsaturated fatty acids, and other molecules. Some of these reactions result in the oxidation of nitric oxide to nitrite and nitrate to terminate the effect, while other reactions can lead to altered protein structure function and/or catalytic capacity. These effects probably regulate bacterial infections, inflammation of tissues, tumor growth, and other disorders. These diverse effects of nitric oxide that are cyclic GMP dependent or independent can alter and regulate numerous important physiological events in cell regulation and function. Nitric oxide can function as an intracellular messenger, an autacoid, a paracrine substance, a neurotransmitter, or a as a hormone that can be carried to distant sites for effects. Thus, it is a unique molecule with an array of signaling functions. However, with any messenger molecule, there can be too little or too much of the substance, resulting in pathological events. Some of the methods to regulate either nitric oxide formation metabolism, or function have been in clinical use for more than a century, as with the use of organic nitrates and nitroglycerin in angina pectoris that was initiated in the 1870s. Inhalation of low concentrations of nitric oxide can be beneficial in premature infants with pulmonary hypertension and increase survival rates. Ongoing clinical trials with nitric oxide synthase inhibitors and nitric oxide scavengers are examining the effects of these agents in septic shock, hypotension with dialysis, inflammatory disorders, cancer therapy, etc. Recognition of additional molecular targets in the areas of nitric oxide and cyclic GMP research will continue to promote drug discovery and development programs in this field. Current and future research will undoubtedly expand the clinician’s therapeutic armamentarium to manage a number of important diseases by perturbing nitric oxide formation and metabolism. Such promise and expectations have obviously fueled interests in nitric oxide research for a growing list of potential therapeutic applications. There have been and will continue to be many opportunities from nitric oxide and cyclic GMP march to develop novel and important therapeutic agents. There are presently more than 80,000 publications in the area of nitric oxide research. The lecture will discuss our discovery of the first biological effects of nitric oxide and how the field has evolved since our original reports in 1977. The possible utility of this signaling pathway to facilitate novel drug development and the creation of numerous projects in the pharmaceutical and biotechnology industrials will also be discussed.
References:
Ignarro L and Murad F. (eds) Nitric Oxide: Biochemistry, Molecular Biology and Therapeutic implications. Advances in Pharmacology, 34: 1-516. Academic Press, 1995.
Murad F. Signal transduction using nitric oxide and cyclic guanoside monophosphate. Lasker Award. Journal of the American Medical Association. 276: 1189-1192. 1996.
Murad F. Discovery of some of the biological effects of nitric oxide and its role in cellular signaling. Nobel Lecture. Bioscience Reports 19: 133-154. 1999 and Les Prix Nobel. 1998 (the Nobel Prizes. 1998). Pp. 273-307. 1999.
Murad F. Shattuck Lecture. The Discovery of nitric oxide and cyclic GMP in cell signaling and their role in drug development. New England J. Med 355.2003-2011.2006.

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