Stickstoffmonoxid

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Strukturformel
Strukturformel von Stickstoffmonoxid
Allgemeines
Name Stickstoffmonoxid
Andere Namen
  • Stickstoffoxid
  • Stickoxid
Summenformel NO
CAS-Nummer 10102-43-9
PubChem 145068
ATC-Code

R07AX01

DrugBank DB00435
Kurzbeschreibung

farb- und geruchloses Gas[1][2]

Eigenschaften
Molare Masse 30,01 g·mol−1
Aggregatzustand

gasförmig

Dichte

1,25 kg·m−3 (15 °C, 1 bar)[3]

Schmelzpunkt

−164 °C[3]

Siedepunkt

−152 °C[3]

Löslichkeit

60 mg·l−1 in Wasser (20 °C)[3]

Dipolmoment

0,15872 D[4] (5,29 · 10−31 C · m)

Brechungsindex

1,000297 (0 °C, 101,325 kPa)[5]

Sicherheitshinweise
Bitte die eingeschränkte Gültigkeit der Gefahrstoffkennzeichnung bei Arzneimitteln beachten
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [2]
04 – Gasflasche 03 – Brandfördernd 06 – Giftig oder sehr giftig 05 – Ätzend

Gefahr

H- und P-Sätze H: 280​‐​270​‐​330​‐​314
EUH: 071
P: 260​‐​280​‐​244​‐​220​‐​304+340​‐​303+361+353Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze 305+351+338​‐​370+376​‐​315​‐​405​‐​403 [2]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [6][2]
Brandfördernd Sehr giftig Ätzend
Brand-
fördernd
Sehr giftig Ätzend
(O) (T+) (C)
R- und S-Sätze R: 8​‐​26​‐​34
S: siehe oben
MAK
  • DFG: 0,5 ml·m−3 bzw. 0,63 mg·m−3[2]
  • Schweiz: 25 ml·m−3 bzw. 30 mg·m−3[7]
Toxikologische Daten
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

91,3 kJ/mol[11]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C
Vorlage:Infobox Chemikalie/Summenformelsuche nicht möglich

Stickstoffmonoxid ist ein farbloses und giftiges Gas mit der Formel NO. Es ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Stickstoff und Sauerstoff und gehört zur Gruppe der Stickoxide. NO ist ein Radikal.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Stickstoffmonoxid hat eine molare Masse von 30,01 g/mol, der Schmelzpunkt liegt bei −163,6 °C, der Siedepunkt bei −151,8 °C. Die kritische Temperatur für NO beträgt −93 °C und der kritische Druck liegt bei 6,4 MPa. In Wasser ist Stickstoffoxid wenig löslich. Unter Einwirkung von Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln wird NO sehr schnell zu braunem Stickstoffdioxid oxidiert, das in Wasser zu Salpetersäure und Salpetriger Säure disproportioniert. Außer mit Iod reagiert es mit Halogenen zu Nitrosylhalogeniden, wie z. B. Nitrosylchlorid. Unter Einwirkung von Schwefeldioxid wird Stickstoffoxid zu Distickstoffoxid reduziert.

Durch die schnelle Umwandlung in Stickstoffdioxid an der Luft wirkt Stickstoffmonoxid schleimhautreizend, und durch die Bildung von Methämoglobin wirkt Stickstoffmonoxid toxisch. Die Ausbildung der Methämoglobinämie beruht auf einer Reaktion von HbO2 mit NO selbst, wobei Nitrat und Methämoglobin entstehen, sowie auf der Reaktion mit aus NO entstandenem Nitrit.[12]

[13]

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Labortechnisch kann NO durch Reduktion von etwa 65-prozentiger Salpetersäure mit Kupfer gewonnen werden. Das Produkt ist aber relativ unrein. Reines Stickstoffmonoxid ist zugänglich[14]

Statt Kaliumiodid kann auch Kaliumhexacyanoferrat(II) verwendet werden:
  • aus Eisen(II)-sulfat und einer Mischung von Natriumbromid und Natriumnitrit. Das Endprodukt dieser einfachen Reaktion enthält 98,8 % NO und 1,2 % N2.

Industriell wird das Gas durch die katalytische Ammoniakverbrennung (Ostwald-Verfahren) gewonnen. Früher wurde das Gas großtechnisch auch durch sogenannte Luftverbrennung von Stickstoff und Sauerstoff in einem elektrischen Lichtbogen gewonnen. Die verwendeten Verfahren (Birkeland-Eyde-Verfahren, Schönherr-Verfahren, Pauling-Verfahren) zielten auf einen möglichst kurzen Kontakt der Gase mit dem sehr heißen Flammbogen ab, um so das Reaktionsgleichgewicht zum Stickstoffmonoxid zu verschieben. Da hierbei sehr viel elektrische Energie benötigt wird, sind die Verfahren nicht konkurrenzfähig zum Ostwaldverfahren und werden nicht mehr eingesetzt.

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Technisch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stickstoffoxid tritt als Zwischenprodukt bei der technischen Herstellung von Salpetersäure auf und wird zusammen mit Stickstoffdioxid zu Herstellung von Nitriten verwendet. Reinstes Stickstoffmonoxid wird als Prüfgas zur Kalibrierung von Messgeräten eingesetzt.

Medizinisch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stickstoffmonoxid hat eine erweiternde Wirkung auf die Blutgefäße und wird in der Lunge sowie unter anderem bei Sepsis durch ein körpereigenes Enzym, die endotheliale Stickstoffmonoxid-Synthase (eNOS), aus der Aminosäure L-Arginin synthetisiert.

Originalarbeiten und Meta-Analysen sowie systematische Übersichtsarbeiten belegen die protektiven Wirkungen von NO und seiner Vorstufe L-Arginin bei Gesunden ebenso wie bei Patienten mit kardiovaskulären Erkrankungen wie Arteriosklerose, Bluthochdruck und Durchblutungsstörungen und empfehlen eine Sicherstellung der NO-Bildung durch eine gezielte Zufuhr ausreichender Mengen an L-Arginin.[15][16][17][18][19][20][21]

Das Gasgemisch INOmax des Herstellers Linde AG wurde 1999 durch die Food and Drug Administration (FDA) in den USA[22] und 2001 durch die Europäische Kommission in der EU[23] für die Behandlung von Neugeborenen bei Lungenversagen mit hohem Blutdruck in der Lunge zugelassen (hypoxisch respiratorische Insuffizienz, „Lungenhochdruck“). Es ist weltweit das erste medizinische Gas, das als Arzneimittel zugelassen wurde, und enthält 100, 400 oder 800 ppm (0,01 %, 0,04 % oder 0,08 %) Stickstoffmonoxid als wirksamen Bestandteil, der Rest ist inerter Stickstoff. INOmax wird als komprimiertes Gas in Aluminium-Gasflaschen vertrieben. Zur Anwendung wird es der Atemluft zugesetzt, die empfohlene Dosis liegt bei 20 ppm.[23][24]

Stickstoffmonoxid wirkt sehr schnell, wodurch lebensbedrohliche Komplikationen gut behandelt werden können. In der Herzchirurgie (Klappenerkrankungen, Herztransplantationen) kann NO verwendet werden, um einen erhöhten pulmonalen Druck zu behandeln. Für die Behandlung des ARDS, einer schweren Lungenfunktionsstörung, die nach Lungenverletzungen, -entzündungen und Reizgasverätzungen auftreten kann, ist ein therapeutischer Effekt von NO nicht belegt.[25][26]

Physiologische Bedeutung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stickstoffmonoxid ist ein bioaktives Molekül, das mit anderen Molekülen sowohl Redoxreaktionen als auch additive Reaktionen eingehen kann. Aufgrund seiner geringen Größe kann es in kurzer Zeit biologische Membranen durchqueren und lokal verschiedene Funktionen ausüben, von denen ein Teil auch destruktiv für den jeweiligen Organismus ist. Diese reichen von der Signaltransduktion im Gefäß- und Nervensystem über die Verwendung als protektiver Radikalfänger bis zur Rolle als reaktive Stickstoffspezies bei der unspezifischen Immunabwehr. Auch in Pflanzen werden mehrere Prozesse über NO-Signale gesteuert; lediglich bei Archaeen ist fraglich, ob Stickstoffmonoxid eine biologische Funktion hat. Auf der destruktiven Seite ist die Schädigung von Proteinen und DNA zu nennen, die mit chronischem Entzündungsgeschehen in Säugetieren und daraus folgender lokaler NO-Produktion einhergeht.[27] Weitere Gasotransmitter sind das Kohlenstoffmonoxid und der Schwefelwasserstoff.[28][29]

Das asymmetrische Dimethylarginin ist der endogene Inhibitor der Bildung von Stickstoffmonoxid aus L-Arginin und führt zu einer Entkopplung von dessen Synthese unter Bildung von Superoxidanionradikalen, die den protektiven Botenstoff als Radikalfänger verbrauchen.[30][31][32] Das Verhältnis von L-Arginin und asymmetrischem Dimethylarginin und damit die Bildung von Stickstoffmonoxid oder Superoxidanionradikalen bestimmt die Redoxregulation [30]. Stickstoffmonoxid sollte immer überwiegen, ansonsten wird insbesondere im Alter das Verhältnis von Regeneration zu Degeneration verschoben und es kommt zu Stoffwechselstörungen [31]. Die Entkopplung der Synthese von Stickstoffmonoxid durch das asymmetrische Dimethylarginin ist daher immer mit einem gefährlichen oxidativen und nitrosativen Stress verbunden [32]. Der durch eine unzureichende Bildung von Stickstoffmonoxid ausgelöste nitrosative Stress kann zu schweren Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen. Die Synthese des vasoprotektiven Botenstoffes sollte daher durch eine ausreichende Zufuhr von L-Arginin sichergestellt werden [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [30] [31] [32].

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ende der 1970er-Jahre wurde der Pharmakologe Ferid Murad erstmals auf die physiologischen Wirkungen des Stickstoffmonoxid (NO) aufmerksam. Bei Untersuchungen mit organischen Nitraten – einer Substanzgruppe, die bei akuten Brustschmerzen eingesetzt wird – entdeckte er, dass diese NO freisetzen, welches eine Erweiterung (Vasodilatation) der Blutgefäße bewirkt. Auch der Pharmakologe Robert F. Furchgott untersuchte die Auswirkungen von Medikamenten auf die Blutgefäße. Er fand heraus, dass die innerste Gefäßschicht (Endothel) eine unbekannte Substanz (Faktor) produziert, die in der darüberliegenden Muskelschicht deren Erschlaffung (Relaxierung) herbeiführt. Da er die Substanz nicht bestimmen konnte, nannte er sie EDRF (Endothelium-derived relaxing Factor, von dem Endothel stammender, gefäßmuskulatur-erschlaffender Faktor). Erst im Laufe der 1980er Jahre gelang es, die unbekannte Substanz EDRF zu entschlüsseln. Unabhängig voneinander identifizierten Louis J. Ignarro und Robert F. Furchgott EDRF als Stickstoffmonoxid.

1998 wurde der Nobelpreis für Physiologie und Medizin an die Amerikaner Robert Furchgott, Ferid Murad und Louis J. Ignarro verliehen. Den Forschern gelang es erstmals, die große Bedeutung des NO für die Blutversorgung von Organen und dessen Rolle als Botenstoff im Organismus nachzuweisen. Mit den Erkenntnissen über NO erschließen sich somit neue Möglichkeiten bei der Behandlung von Gefäßerkrankungen und den dadurch bedingten Organschäden.

Biosynthese[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

NO wird unter Verbrauch von NADPH, Tetrahydrobiopterin (BH4), Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD), Flavinmononukleotid (FMN), Häm und dem Calcium-bindenden Protein (Calmodulin, CaM) durch NO-Synthasen (NOS) aus der Aminosäure L-Arginin und Sauerstoff hergestellt. Als weitere Endprodukte entstehen dabei Citrullin und Wasser. Es sind heute vier NOS-Isoformen identifiziert, von denen die endotheliale NOS (eNOS) und die neuronale NOS (nNOS) konstitutiv exprimiert werden, während die induzierbare NOS-Isoform (iNOS) auf transkriptioneller Ebene induzierbar ist. Alle vier Isoformen haben eine hohe Sequenz-Homologie zur Cytochrom P450-Reduktase und sind in spezifischen Zelltypen lokalisiert.

Hauptartikel: NO-Synthasen

Physiologische Anpassung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Tibeter verfügen als Anpassung an das Leben im Hochland um 4000 Meter über zehnmal so viel NO im Blut wie Bewohner auf 200 Meter über dem Meeresspiegel, was zu einer Verdoppelung des Blutflusses im Vergleich zu Tiefland-Bewohnern und hierdurch zu einer optimierten Versorgung mit Sauerstoff führt.[33]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Stickstoffmonoxid – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Sicherheitsdatenblatt (air liquide) (PDF; 46 kB)
  2. a b c d e Eintrag zu Stickstoffmonoxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 1. Februar 2016 (JavaScript erforderlich).
  3. a b c d Sicherheitsdatenblatt (praxair) (PDF; 201 kB)
  4. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Dipole Moments, S. 9-51.
  5. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Index of Refraction of Gases, S. 10-254.
  6. Für Stoffe ist seit dem 1. Dezember 2012, für Gemische seit dem 1. Juni 2015 nur noch die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung gültig. Die EU-Gefahrstoffkennzeichnung ist daher nur noch auf Gebinden zulässig, welche vor diesen Daten in Verkehr gebracht wurden.
  7. SUVA: Grenzwerte am Arbeitsplatz 2015 – MAK-Werte, BAT-Werte, Grenzwerte für physikalische Einwirkungen, abgerufen am 2. November 2015.
  8. British Journal of Anesthesia. Vol. 39, S. 393, 1967.
  9. Naunyn-Schmiedeberg's Archiv für Experimentelle Pathologie und Pharmakologie. Vol. 181, S. 145, 1936.
  10. Gigiena Truda i Professional'nye Zabolevaniya. Labor Hygiene and Occupational Diseases. Vol. 19(4), S. 52, 1975.
  11. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances, S. 5-16.
  12. Patrick Horn: Aktivität und Bedeutung der erythrozytären NOS bei kardiovaskulären Risikofaktoren (PDF; 1,1 MB)
  13. Martin Ledig und Georg Wittke: Nitrat in Lebensmitteln (PDF; 147 kB)
  14. G. Brauer (Hrsg.), Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd ed., vol. 1, Academic Press 1963, S. 485–7.
  15. a b Dong JY, Qin LQ, Zhang Z, Zhao Y, Wang J, Arigoni F, Zhang W (2011): Effect of oral L-arginine supplementation on blood pressure: A meta-analysis of randomized, double-blind, placebo-controlled trials. In: Am Heart. Band 162, S. 959–965.
  16. a b F. Pizzarelli, R. Maas, P. Dattolo, G. Tripepi, S. Michelassi, G. D’Arrigo, M. Mieth, S. Bandinelli, L. Ferrucci, C. Zoccali: Asymmetric dimethylarginine predicts survival in the elderly. In: Age, Band 35, Nr. 6, 2013, S. 2465–2475.
  17. a b S. M. Bode-Böger, J. Muke, A. Surdacki, G. Brabant, R. H. Böger, J. C. Frölich: Oral L-arginine improves endothelial function in healthy individuals older than 70 years. In: Vasc. Med. Band 8, 2003, S. 77–81.
  18. a b K. Jung, O. Petrowicz: L-Arginin und Folsäure bei Arteriosklerose. Ergebnisse einer prospektiven, multizentrischen Verzehrsstudie. In: Perfusion, Band 21, 2008, S. 148–156.
  19. a b P. Lucotti, L. Monti, E. Setola, G. La Canna, A. Castiglioni, A. Rossodivita, M. G. Pala, F. Formica, G. Paolini, A. L. Catapano, E. Bosi, O. Alfieri, P. Piatti: Oral L-arginine supplementation improves endothelial function and ameliorates insulin sensitivity and inflammation in cardiopathic nondiabetic patients after an aortocoronary bypass. In: Metabolism, Band 58, Nr. 9, 2009, S. 1270–1276.
  20. a b Y. Bai, L. Sun, T. Yang, K. Sun, R. Chen J. Hui: Increase in fasting vascular endothelial function after short-term oral L-arginine is effective when baseline flow-mediated dilation is low: a meta-analysis of randomized controlled trials. In: Am. J. Clin. Nutr.Band 89, Nr. 1, 2009, S. 77–84
  21. a b J. W. Drover, R. Dhaliwal, L. Weitzel, P. E. Wischmeyer, J. B. Ochoa, D. K. Heyland: Perioperative use of arginine-supplemented diets: a systematic review of the evidence. In: J. Am. Coll. Surg. Band 212, Nr. 3, 2011, S. 385–399.
  22. FDA Approval Letter (englisch; PDF; 100 kB)
  23. a b Europäischer öffentlicher Beurteilungsbericht (EPAR) und Produktinformation zu INOmax (Memento vom 7. März 2009 im Internet Archive) auf der Website der Europäischen Arzneimittelagentur
  24. Fachinformation für USA (englisch; PDF; 618 kB).
  25. N.K. Adhikari et al.: Effect of nitric oxide on oxygenation and mortality in acute lung injury: systematic review and meta-analysis. British Medical Journal 2007 Apr 14;334(7597):779. PMID 17383982
  26. H.R. Bream-Rouwenhorst et al.: Recent developments in the management of acute respiratory distress syndrome in adults. In: American Journal of Health-System Pharmacy 2008 Jan 1;65(1):29–36, PMID 18159036.
  27. M. V. Beligni, L. .. Lamattina: Nitric oxide in plants: the history is just beginning. In: Plant, Cell and Environment. 24, 2001, S. 267–278, doi:10.1046/j.1365-3040.2001.00672.x.
  28. Anton Hermann; Guzel F. Sitdikova; Thomas M. Weiger: Gasotransmitter: flüchtige Überträgerstoffe. Stickoxid, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff fungieren als Botenstoffe und sind physiologisch wirksam. Ärzte Woche, Springer New York 21. Oktober 2010 (PDF; 1,6 MB).
  29. Anton Hermann, Guzel F. Sitdikova, Thomas M. Weiger: Gase als zelluläre Signalstoffe. Gasotransmitter. In: Biologie in unserer Zeit. 40, 2010, S. 185–193, doi:10.1002/biuz.201010422.
  30. a b c B. Poeggeler: Oxidative Stress und L-Arginin schützt vor nitrosativem Stress. Stickstoffmonoxid als endogener Regulator des nitrosativen Stoffwechsels. In: Perfusion 2012, Band 25 (2): S. 40-43.
  31. a b c E. Schulz, T. Gori, T. Münzel: Oxidative stress and endothelial dysfunction in hypertension. In: Hypertens Res 2011, Band 34 (6): S. 665-673, doi:10.1038/hr.2011.39. PMID 21512515.
  32. a b c I. Seljeflot, B. B. Nilsson, A. S. Westhelm, V. Bratseth, H. Arnesen: The L-arginine-asymmetric dimethylarginine ratio is strongly related to the severity of chronic heart failure. No effects of exercise training. In: J Card Fail 2011, Band 17 (2): S. 135-142, doi:10.1016/j.cardfail.2010.09.003. PIMD 21300303
  33. S. C. Erzurum u. a.: Higher blood flow and circulating NO products offset high-altitude hypoxia among Tibetans. PNAS 104, November 2007, S. 17593–17598, doi:10.1073/pnas.0707462104
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