Stickstoffmonoxid

Strukturformel
Strukturformel von Stickstoffmonoxid
Allgemeines
Name Stickstoffmonoxid
Andere Namen
  • Stickstoffoxid
  • Stickoxid
Summenformel NO
Kurzbeschreibung

farb- und geruchloses Gas[1][2]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 10102-43-9
PubChem 145068
DrugBank DB00435
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Arzneistoffangaben
ATC-Code

R07AX01

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]

Sicherheitshinweise
Bitte die Befreiung von der Kennzeichnungspflicht für Arzneimittel, Medizinprodukte, Kosmetika, Lebensmittel und Futtermittel beachten
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [2]
Gefahrensymbol Gefahrensymbol Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 330​‐​270​‐​314​‐​280
EUH: 071
P: 260​‐​280​‐​244​‐​220​‐​304+340​‐​303+361+353 305+351+338​‐​370+376​‐​315​‐​405​‐​403 [2]
MAK

30 mg·m−3[1]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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

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.[7]

$ \mathrm {Hb(Fe^{3+})-O-O^{-}+NO_{2}^{-}+H_{2}O\longrightarrow } $$ \mathrm {Hb(Fe^{3+})OH+NO_{3}^{-}+OH^{-}} $ [8]

Herstellung

Labortechnisch kann NO durch Reduktion von etwa 65-prozentiger Salpetersäure mit Kupfer gewonnen werden. Das Produkt ist aber relativ unrein. Reines Stickstoffmonoxid ist zugänglich[9]

$ \mathrm {2\ KNO_{2}+2\ KI+2\ H_{2}SO_{4}\longrightarrow } $$ \mathrm {2\ NO+I_{2}+2\ K_{2}SO_{4}+2\ H_{2}O} $
Statt Kaliumiodid kann auch Kaliumhexacyanoferrat(II) verwendet werden:
$ \mathrm {KNO_{2}+K_{4}[Fe(CN)_{6}]+H_{2}SO_{4}\longrightarrow } $$ \mathrm {NO+K_{3}[Fe(CN)_{6}]+K_{2}SO_{4}+H_{2}O} $
$ \mathrm {6\ NaNO_{2}+3\ H_{2}SO_{4}\longrightarrow } $$ \mathrm {4\ NO+2\ H_{2}O+3\ Na_{2}SO_{4}+2\ HNO_{3}} $
  • 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

Technisch

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

Stickstoffmonoxid hat eine erweiternde Wirkung auf die Blutgefäße der Lunge. Dort und unter anderem auch bei der Sepsis wird durch ein Protein, der endothelialen Stickstoffmonoxid-Synthase (eNOS), welches zur Enzymfamilie der NO-Synthasen zählt, das Stickstoffmonoxid aus der Aminosäure L-Arginin synthetisiert.

Das Gasgemisch INOmax des Herstellers Linde AG wurde 1999 durch die Food and Drug Administration (FDA) in den USA[10] und 2001 durch die Europäische Kommission in der EU[11] zugelassen für die Behandlung von Neugeborenen mit Lungenversagen mit hohem Blutdruck in der Lunge (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.[11][12]

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.[13][14]

Physiologische Bedeutung

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 destruktiv für den jeweiligen Organismus ist. Lediglich bei Archaeen ist fraglich, ob Stickstoffmonoxid eine biologische Funktion hat. Diese reicht in Tieren von der Signaltransduktion im Gefäß- und Nervensystem bis zur Rolle als reaktive Stickstoffspezies in der unspezifischen Immunabwehr. Auch in Pflanzen werden mehrere Prozesse über NO-Signale gesteuert. 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.[15] Weitere Gasotransmitter, sind das Kohlenstoffmonoxid und der Schwefelwasserstoff.[16][17]

Geschichte

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 darunterliegenden 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

NO wird unter Verbrauch von NADPH, Tetrahydrobiopterin (BH4), Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD), Flavinmononukleotid (FMN), Häm und dem das Calcium-bindende Protein (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.

Physiologische Anpassung

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 führt und hierdurch zu einer optimierten Versorgung mit Sauerstoff.[18]

Weblinks

Wiktionary: Stickstoffmonoxid – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Sicherheitsdatenblatt (air liquide)
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 Eintrag zu CAS-Nr. 10102-43-9 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Sicherheitsdatenblatt (praxair)
  4. British Journal of Anesthesia. Vol. 39, Pg. 393, 1967.
  5. Naunyn-Schmiedeberg's Archiv für Experimentelle Pathologie und Pharmakologie. Vol. 181, Pg. 145, 1936.
  6. Gigiena Truda i Professional'nye Zabolevaniya. Labor Hygiene and Occupational Diseases. Vol. 19(4), Pg. 52, 1975.
  7. Patrick Horn: Aktivität und Bedeutung der erythrozytären NOS bei kardiovaskulären Risikofaktoren
  8. Martin Ledig und Georg Wittke: Nitrat in Lebensmitteln
  9. G. Brauer (Hrsg.), Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd ed., vol. 1, Academic Press 1963, S. 485-7.
  10. FDA Approval Letter (englisch)
  11. 11,0 11,1 Europäischer öffentlicher Beurteilungsbericht (EPAR) und Produktinformation zu INOmax auf der Website der Europäischen Arzneimittelagentur
  12. Fachinformation für USA (englisch)
  13. 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
  14. H.R. Bream-Rouwenhorst et. al.: Recent developments in the management of acute respiratory distress syndrome in adults. American Journal of Health System-Pharmacy 2008 Jan 1;65(1):29-36. PMID 18159036
  15. 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.
  16. 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
  17. Hermann, A. et al.: Gase als zelluläre Signalstoffe. Gasotransmitter. Biologie in unserer Zeit 2010; 40: 185–193. doi:10.1002/biuz.201010422
  18. 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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