Знешкодження аміаку в організмі 1
Знешкодження аміаку в організмі
В організмі людини піддається розпаду близько 70 г амінокислот на добу; при цьому в результаті дезамінування, трансамінування та окислення біогенних амінів звільняється велика кількість аміаку, що є високотоксичним з'єднанням. Тому концентрація аміаку в організмі повинна зберігатися на низькому рівні. І, дійсно, рівень аміаку в нормі в крові не перевищує 1-2 мг / л (це майже в 1000 разів менше концентрації цукру в крові). На кроликах показано, що концентрація аміаку 50 мг / л є летальною. Таким чином, аміак повинен піддаватися зв'язування в тканинах з утворенням нетоксичних сполук, легко виділяються з сечею.
Одним із шляхів зв'язування і знешкодження аміаку в організмі, зокрема в мозку, сітківці, нирках, печінці і м'язах, є біосинтез глутаміну (і, можливо, аспарагіну). Оскільки глутамін і аспарагін з сечею виділяються в невеликій кількості, було висловлено припущення, що вони виконують швидше транспортну функцію. Пізніше в тканинах, в основному в нирках, були відкриті специфічні ферменти - глутамінази і аспарагиназа, що каталізують гідроліз відповідних амідів на аміак і дикарбонових амінокислоти.
Синтез амідів вимагає доставки енергії у вигляді АТФ і присутності глутамінової або аспарагінової кислоти, вільного аміаку і каталізується специфічними глутамін- і аспарагінсінтетазамі відповідно до рівняння реакцій:
Біосинтез аспарагина протікає кілька відмінно і залежить від природи ферментів і донатору аміаку. Так, у мікроорганізмів і в тварин тканинах відкрита специфічна амміакзавісімая аспарагінсінтетаза, яка каталізує синтез аспарагина в дві стадії:- Асп + Е + АТФ -> Е-аспартам
- Е-аспартам
АМФ + Глн -> АСН + Е + АМФ + Гли
Сумарна ферментативна реакція синтезу аспарагіну може бути представлена в наступному вигляді:
Асп + АТФ + NH * + (Глн) -> АСН + АМФ + ФФН + (Гли)
Частина аміаку легко зв'язується з α-кетоглутаровой кислотою завдяки оборотності глутаматдегідрогеназной реакції; якщо ще врахувати синтез глутаміну, то неважко бачити, що в організмі є добре функціонуюча система, що зв'язує дві молекули аміаку:
Глутамин, крім того, використовується нирками в якості резервного джерела аміаку, необхідного для нейтралізації кислих продуктів обміну при ацидозі, захищаючи тим самим організм від втрати з сечею іонів Na +. які в іншому випадку використовувалися б для підтримки фізіологічного значення pH крові і сечі при ацидозі.
Орнітіновий цикл мочевінообразованія
Основним механізмом знешкодження аміаку в організмі є біосинтез сечовини. Остання виводиться з сечею в якості головного кінцевого продукту білкового, відповідно амінокислотного, обміну. На частку сечовини доводиться до 80-85% всього азоту сечі. Довгий час вирішувалася проблема, пов'язана з локалізацією сіітеза сечовини. Однозначно ця проблема була вирішена в лабораторії І. П. Павлова, в якій були отримані переконливі докази ролі печінки в цьому процесі. Виявилося, що при накладенні фістули Екка - Павлова, вимикає печінку з кровотоку, спостерігається різке підвищення кількості вільних амінокислот в крові і падіння кількості сечовини в крові і сечі. Ці дані, а також клінічні спостереження над хворими з органічними ураженнями печінки (гепатити, гострі некрози і ін.), У яких також було відзначено збільшення концентрації амінокислот в крові і зниження вмісту сечовини в крові і сечі, дозволили вважати, що печінка є головним, якщо не єдиним, місцем біосинтезу сечовини в організмі. Невирішеним залишалося питання про механізм синтезу сечовини.
Для пояснення механізму утворення сечовини було запропоновано безліч теорій. Однією з них є розроблена М. В. Ненцкого схема синтезу сечовини, заснована на припущенні, що безпосередніми джерелами вуглецю і азоту в молекулі сечовини є аміак і вуглекислота (у формі вугільної кислоти). Це положення підтвердилося пізніше, хоча в зв'язку з відкриттям аргінази механізм синтезу сечовини виявився іншим.
Кребс і Гензелейт в 1932 р в дослідах зі зрізами печінки вимірювали освіту сечовини при додаванні в середовище різних амінокислот і амонійних солей. Було показано, що додавання до зрізів печінки амонійних солей і каталітичних кількостей орнитина (але не будь-якої іншої амінокислоти) призводило до утворення значно більшої кількості сечовини, ніж стехиометрическое його кількість (одна молекула орнитина сприяла синтезу 20 молекул сечовини; оскільки джерелом азоту сечовини були іони амонію, орнітин дійсно надавав каталітична дія). До цього часу вже була відкрита в печінці аргіназа, яка каталізувала розпад аргініну на орнітин і сечовину: аргінін-oрнітін + сечовина. Кребс вважав, що каталітичну роль орнитина можна було б пояснити, якби існував якийсь механізм для регенерації аргініну з орнитина, відповідно до рівняння:
Це припущення стимулювало пошук можливих проміжних продуктів між орнітином і аргініном і в якості кандидата була теоретично передбачена амінокислота цитрулін, який до цього був ізольований з столового кавуна (Citrullus). І дійсно, в дослідах на зрізах печінки цитрулін надавав такої ж каталітичний ефект в присутності амонійних солей на вихід сечовини, як і орнітин. На підставі цих даних. Кребс вивів рівняння реакцій синтезу сечовини, які представлені нижче у вигляді циклу, що отримав в літературі назву орнітінового циклу мочевінообразованія Кребса (рис. 102).
Слід зазначити, що в біохімії це була перша циклічна система метаболізму, майже на 5 років випередила відкриття Кребсом іншого метаболічного циклу трикарбонових кислот.
Подальші дослідження в основному підтвердили циклічний механізм біосинтезу сечовини в печінці, проте завдяки дослідженням Коена і Ратнер були уточнені проміжні етапи, природа інших учасників і ферментні системи, що каталізують утворення сечовини.
Таким чином, весь цикл мочевінообразованія може бути більш детально представлений наступними рівняннями реакцій. На першому етапі синтезується високоертіческое з'єднання карбамоілфосфат з СO2 і NH3 (або глутаміну в якості донатору аміаку); цей синтез вимагає участі двох молекул АТФ:
Фермент містить біотин як кофермент і спочатку реагує з однієї молекулою АТФ, утворюючи комплекс активна СO2-Е, який потім реагує з молекулою аміаку (або амидной групою глутаміну) і з другої молекулою АТФ (як донатору фосфату). N-Ацетілглутамат є специфічним активатором реакції і його роль зводиться, очевидно, до стабілізації активної форми ферменту.
На другому етапі має місце конденсація карбамоілфосфата і орнитина з утворенням цитруллина - реакцію каталізує орнітінкарбамоілтрансфераза (карбамоілфосфат: L-орнітінкарбамоілтрансфераза):
У наступній стадії цитрулін перетворюється на аргінін в результаті двох послідовно протікають реакцій. Перша з них, енергозалежна, зводиться до конденсації цитруллина і аспарагінової кислоти з утворенням аргініноянтарной кислоти (цю реакцію каталізує аргініносукцінатсінтетаза). Аргініноянтарная кислота розпадається в наступній реакції на аргінін і фумаровую кислоту за участю іншого ферменту - аргініносукцінатліази. На останньому етапі аргінін розщеплюється на сечовину і орнітин під дією аргінази.
Необхідно врахувати, що аргіназа міститься в печінці тих тварин, які екскретують сечовину як основний і кінцевий продукт азотистого обміну з сечею; в печінці птахів, наприклад, аргіназа відсутня, оскільки птиці виділяють сечову кислоту замість сечовини. Таким чином, орнітіновий цикл мочевінообразованія з урахуванням нових даних може бути представлений в наступному вигляді (рис. 103).
Нижче приведена, крім того, сумарна реакція синтезу сечовини без урахування проміжних продуктів:
СО2 + NH3 + 3АТФ + 2Н2 0 + Аспартат -> Сечовина + 2 АДФ + + АМФ + Фумарат + 2 Фн + ФФН
δG ° = - 40 кДж
Оскільки має місце зниження вільної енергії, процес завжди протікає в напрямку синтезу сечовини.
З наведених вище рівнянь неважко бачити, що один з атомів сечовини має своїм джерелом вільний аміак або амидную групу глутаміну (через карбамоілфосфат); другий атом азоту сечовини має своїм джерелом аспарагиновую кислоту, а не вільний аміак, що утворюється головним чином в процесі глутаматдегідрогеназной реакції. Що стосується поповнення запасів аспарагінової кислоти, то в цьому процесі беруть участь три пов'язані реакції: спочатку фумарова кислота під дією фумарази, що каталізує приєднання молекули Н2 O, перетворюється в яблучну кислоту, яка піддається окисленню за участю специфічної малатдегідрогенази з утворенням щавелевоуксусной кислоти; остання трансамініруется з глутамінової кислотою, даючи аспарагиновую кислоту.
Підсумовуючи відомі фактичні дані про механізми знешкодження аміаку в організмі, можна прийти до наступного висновку. Частина аміаку використовується на біосинтез амінокислот шляхом відновного амінування α-кетокислот або реакції трансреамінірованія. Аміак використовується в біосинтезі глутаміну і аспарагина. Деяка кількість аміаку виводиться з сечею у вигляді амонійних солей. У формі креатиніну, який утворюється з креатину і креатинфосфату (див. Нижче), виділяється з організму значна частина азоту амінокислот. Однак найбільшу кількість аміаку йде на синтез сечовини, яка виводиться з сечею в якості головного кінцевого продукту білкового обміну в організмі людини і тварин. Підраховано, що в стані азотистого рівноваги організм дорослої здорової людини споживає і відповідно виділяє 15 г азоту; з екскретіруемого з сечею кількості азоту на частку сечовини припадає близько 85%, креатиніну - близько 5% (строго постійна величина), амонійних солей - 3%, сечової кислоти - 1% і на інші форми - близько 6%.
В процесі еволюції живі організми виробили різні типи азотистого обміну. Аммонійтеліческій тип, коли головним кінцевим продуктом азотистого обміну служить аміак, властивий переважно рибам. Уротеліческій тип обміну, коли основним кінцевим продуктом обміну білків є сечовина, характерний для людини і тварин. І, нарешті, урікотеліческій тип, коли головним кінцевим продуктом обміну є сечова кислота, має місце у птахів і рептилій.