Stickstoffmonoxid

Grundlagen und Eigenschaften

Stickstoffmonoxid, kurz NO, ist ein farb- und geruchloses Gas mit der Formel N=O. Es besteht aus Stickstoff und Sauerstoff, gehört zu den Stickoxiden und ist ein Radikal, also ein Teilchen mit einem ungepaarten Elektron. An der Luft ist NO instabil.

Wichtige Stoffdaten sind: molare Masse 30,01 g/mol, Schmelzpunkt etwa −163,6 °C, Siedepunkt etwa −151,8 °C, kritische Temperatur −93 °C und kritischer Druck 6,4 MPa. Die Dichte wird mit 1,25 kg/m³ bei 15 °C und 1 bar angegeben. In Wasser ist Stickstoffmonoxid nur wenig löslich; als Wert werden 60 mg/l bei 20 °C genannt. Die Bindungslänge der N=O-Bindung beträgt 117 pm.

Chemisch reagiert NO schnell mit Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln zu braunem Stickstoffdioxid. Dieses kann in Wasser zu Salpetersäure und Salpetriger Säure disproportionieren, also in zwei verschiedene Oxidationsprodukte übergehen. Mit Halogenen bildet NO, außer mit Iod, Nitrosylhalogenide, zum Beispiel Nitrosylchlorid. Durch Schwefeldioxid wird Stickstoffmonoxid zu Distickstoffoxid reduziert.

Durch die schnelle Umwandlung zu Stickstoffdioxid an der Luft wirkt NO schleimhautreizend. Toxisch ist es außerdem, weil es zur Bildung von Methämoglobin beitragen kann. Methämoglobin ist eine Form des Hämoglobins, die Sauerstoff schlechter transportieren kann. Die Methämoglobinämie beruht unter anderem auf Reaktionen von HbO2 mit NO selbst sowie mit Nitrit, das aus NO entstehen kann.

Herstellung

Im Labor kann Stickstoffmonoxid durch Reduktion von etwa 65-prozentiger Salpetersäure mit Kupfer hergestellt werden; das entstehende Produkt ist jedoch relativ unrein.

Reineres NO kann auf mehreren Wegen gewonnen werden. Genannt werden Reaktionen aus Kaliumnitrit und Kaliumiodid in Wasser, in das Schwefelsäure getropft wird, oder statt Kaliumiodid mit Kaliumhexacyanoferrat(II). Weitere Möglichkeiten sind die Herstellung aus Nitrosylhydrogensulfat und Quecksilber, aus Natriumnitrit und Schwefelsäure sowie aus Eisen(II)-sulfat und einer Mischung aus Natriumbromid und Natriumnitrit. Bei der letztgenannten einfachen Reaktion enthält das Endprodukt 98,8 % NO und 1,2 % N2.

Industriell wird Stickstoffmonoxid durch katalytische Ammoniakverbrennung im Ostwald-Verfahren gewonnen. Früher wurde NO großtechnisch auch durch Luftverbrennung aus Stickstoff und Sauerstoff in einem elektrischen Lichtbogen hergestellt. Dazu gehörten das Birkeland-Eyde-Verfahren, das Schönherr-Verfahren und das Pauling-Verfahren. Diese Verfahren sollten den Kontakt der Gase mit dem sehr heißen Lichtbogen möglichst kurz halten, um das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Stickstoffmonoxid zu verschieben. Wegen des hohen Strombedarfs sind sie gegenüber dem Ostwald-Verfahren nicht konkurrenzfähig und werden nicht mehr eingesetzt.

Technische und medizinische Verwendung

Technisch tritt Stickstoffmonoxid als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Salpetersäure auf. Außerdem wird es zusammen mit Stickstoffdioxid zur Herstellung von Nitriten verwendet. Sehr reines Stickstoffmonoxid dient als Prüfgas zur Kalibrierung von Messgeräten.

Medizinisch ist NO wichtig, weil es Blutgefäße erweitert. Im Körper wird es unter anderem in der Lunge und bei Sepsis durch das Enzym endotheliale Stickstoffmonoxid-Synthase, kurz eNOS, aus der Aminosäure L-Arginin abgespalten. Originalarbeiten, Meta-Analysen und systematische Übersichtsarbeiten belegen laut Artikel schützende Wirkungen von NO und seiner Vorstufe L-Arginin bei Gesunden und bei Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Arteriosklerose, Bluthochdruck und Durchblutungsstörungen. Daraus wird die Sicherstellung der NO-Bildung durch ausreichende Zufuhr von L-Arginin empfohlen.

Das Gasgemisch INOmax des Herstellers Linde AG wurde 1999 von der Food and Drug Administration in den USA und 2001 von der Europäischen Kommission in der EU zugelassen. Es dient zur Behandlung von Neugeborenen mit Lungenversagen und hohem Blutdruck in der Lunge, also hypoxisch respiratorischer Insuffizienz beziehungsweise „Lungenhochdruck“. INOmax war weltweit das erste medizinische Gas, das als Arzneimittel zugelassen wurde. Es enthält 100, 400 oder 800 ppm Stickstoffmonoxid, entsprechend 0,01 %, 0,04 % oder 0,08 %, der Rest ist inerter Stickstoff. Zur Anwendung wird es der Atemluft zugesetzt; die empfohlene Dosis beträgt 20 ppm.

NO wirkt sehr schnell und kann deshalb lebensbedrohliche Komplikationen behandeln helfen. In der Herzchirurgie, etwa bei Klappenerkrankungen und Herztransplantationen, kann NO gegen erhöhten pulmonalen Druck eingesetzt werden. Für ARDS, eine schwere Lungenfunktionsstörung nach Lungenverletzungen, Lungenentzündungen oder Reizgasverätzungen, ist ein therapeutischer Effekt von NO nicht belegt.

Bedeutung im Körper

Stickstoffmonoxid ist ein bioaktives Molekül, also ein Stoff, der im Organismus Wirkungen auslöst. Wegen seiner geringen Größe kann es biologische Membranen schnell durchqueren und lokal wirken. Es kann Redoxreaktionen und additive Reaktionen eingehen.

Im Körper dient NO unter anderem der Signalübertragung im Gefäß- und Nervensystem. Es wirkt als Botenstoff bei Vasomotorik, also der Steuerung der Gefäßweite, bei Hämostase, also Blutstillung und Blutgerinnung, bei Infektabwehr, neuronaler Kommunikation sowie bei der Entstehung und Verarbeitung von Schmerzsignalen, besonders beim Entzündungsschmerz. In höheren Konzentrationen spielt es auch bei chronischen Entzündungsreaktionen, Neurodegeneration und Schock eine Rolle. Außerdem kann es als schützender Radikalfänger wirken oder als reaktive Stickstoffspezies an der unspezifischen Immunabwehr beteiligt sein.

NO hat auch schädliche Seiten: Es kann Proteine und DNA beschädigen, besonders im Zusammenhang mit chronischen Entzündungen bei Säugetieren und der dortigen lokalen NO-Produktion. In Pflanzen werden ebenfalls mehrere Prozesse über NO-Signale gesteuert. Bei Archaeen ist laut Artikel fraglich, ob Stickstoffmonoxid eine biologische Funktion hat. Weitere Gasotransmitter, also gasförmige Botenstoffe, sind Kohlenstoffmonoxid und Schwefelwasserstoff.

Das asymmetrische Dimethylarginin, ADMA, hemmt körpereigen die NO-Synthese aus L-Arginin. Es kann die eNOS-Aktivität entkoppeln, wodurch Superoxidanionradikale entstehen, die mit NO zu Peroxinitrit reagieren. Das Verhältnis von L-Arginin zu ADMA beeinflusst daher die NO-Bildung; die NO-Bildung sollte klar überwiegen. Ein verringerter L-Arginin/ADMA-Quotient führt zu nitrosativem Stress und gilt als Indikator für eine Herz-Kreislauf-Erkrankung. Im Blut reagiert Stickstoffmonoxid innerhalb von Sekunden mit Oxyhämoglobin zu NO3−; Stickstoffdioxid ist dabei kein Zwischenprodukt.

Entstehung im Organismus und Anpassung

NO entsteht im Körper aus der Aminosäure L-Arginin und Sauerstoff. Dafür werden NADPH, Tetrahydrobiopterin, kurz BH4, Flavin-Adenin-Dinukleotid, FAD, Flavinmononukleotid, FMN, Häm und das Calcium-bindende Protein Calmodulin, CaM, benötigt. Die Reaktion wird durch NO-Synthasen, kurz NOS, katalysiert. Als Nebenprodukte entstehen Citrullin und Wasser.

Von den bisher identifizierten NOS-Isoformen sind die endotheliale NOS, eNOS oder NOS 3, und die neuronale NOS, nNOS oder NOS 1, konstitutiv exprimierte Enzyme. Das bedeutet, dass sie grundsätzlich im Organismus vorhanden und aktivierbar sind. Zusätzlich gibt es eine transkriptionell induzierbare Isoform, iNOS oder NOS 2, die bei Bedarf verstärkt gebildet werden kann. Alle Isoformen besitzen eine hohe Sequenz-Homologie mit der Cytochrom-P450-Reduktase.

Ein Beispiel für physiologische Anpassung betrifft Tibeter, die an das Leben im Hochland auf 4000 Metern angepasst sind. Sie verfügen über zehnmal so viel NO im Blut wie Tieflandbewohner. Der dadurch verdoppelte Blutfluss ermöglicht ihnen eine angemessene Sauerstoffversorgung.

Erforschung der Wirkung

Ende der 1970er Jahre wurde der Pharmakologe Ferid Murad auf die physiologischen Wirkungen von Stickstoffmonoxid aufmerksam. Bei Untersuchungen mit organischen Nitraten, die bei akuten Brustschmerzen eingesetzt werden, fand er heraus, dass diese NO freisetzen und dadurch eine Erweiterung der Blutgefäße, also Vasodilatation, bewirken.

Robert F. Furchgott untersuchte ebenfalls Wirkungen von Medikamenten auf Blutgefäße. Er zeigte, dass das Endothel, die innerste Gefäßschicht, eine unbekannte Substanz bildet, die die darüberliegende Muskelschicht entspannt. Diese Substanz nannte er EDRF, Endothelium-derived relaxing Factor. In den 1980er Jahren wurde EDRF unabhängig voneinander von Louis J. Ignarro und Robert F. Furchgott als Stickstoffmonoxid identifiziert.

1998 erhielten Robert Furchgott, Ferid Murad und Louis J. Ignarro den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Ihre Arbeiten zeigten die große Bedeutung von NO für die Blutversorgung von Organen und seine Rolle als Botenstoff im Organismus.