Для удаления аммиака есть два способа. Орнитиновый цикл: реакции, схема, описание, метаболические нарушения Основные этапы метаболизма аммиака в организме схема

Практически весь аммиак удаляется из организма:

1. с мочой в виде мочевины , которая синтезируется в печени,
2. в виде образующихся в эпителии канальцев почек солей иона аммония .

В клетки печени и почек аммиак попадает в составе глутамина и аспарагина , глутаминовой кислоты , аланина и в свободном виде. Кроме этого, при метаболизме он образуется в большом количестве и в самих гепатоцитах.

В клетке глутамин и аспарагин дезаминируются соответственно глутаминазой и аспарагиназой с образованием аммиака (точнее, иона аммония).

Реакция дезаминирования глутамина

Аланин вступает в реакцию трансаминирования . Образованный в результате реакции пируват идет в глюконеогенез или энергетический обмен. Параллельно образуется глутаминовая кислота .

В целом глутаминовая кислота в гепатоците может появляться тремя путями: 1) из крови, 2) при дезаминировании глутамина, 3) при трансаминировании α-кетоглутарата с аспартатом или аланином. Происхождение и дальнейшая ее судьба зависит от конкретных концентраций всех задействованных веществ. Обычно далее глутамат дезаминируется глутаматдегидрогеназой с образованием аммиака .

Синтез мочевины

В печени весь удаляемый аммиак используется для синтеза мочевины. Увеличение синтеза мочевины наблюдается при распаде тканевых белков и азотистых соединений (голодание, воспалительные процессы, сахарный диабет) или при избыточном белковом питании. У младенцев и детей синтез мочевины может быть снижен по двум причинам: незрелость печени и активный синтез белков и нуклеиновых кислот при росте организма. Определение концентрации мочевины в крови является ценным диагностическим показателем .

Реакции синтеза мочевины являются циклическим процессом и получили название орнитиновый цикл . Синтез мочевины начинается в митохондриях (первая и вторая реакции), оставшиеся три реакции идут в цитозоле. Для переноса цитруллина и орнитина через митохондриальную мембрану существуют специальные переносчики.

В образовании одной молекулы мочевины участвует 1 молекула NH 4 + , 1 молекула CO 2 , аминогруппа 1 молекулы аспарагиновой кислоты, затрачивается 4 макроэргических связи трех молекул АТФ.

Реакция синтеза карбамоилфосфата и орнитиновый цикл

Как побочный продукт орнитинового цикла образуется фумаровая кислота, переносимая обратно в митохондрии. Здесь в реакциях ЦТК из нее образуется оксалоацетат, который с глутаматом до аспартата, выходит в цитозоль и вновь реагирует с цитруллином.

В противоположность аммиаку мочевина является нетоксичным и нейтральным соединением. При хронической почечной недостаточности, когда продукты азотистого обмена не выводятся из организма, токсичное действие на организм оказывает совсем не мочевина, а совокупность более чем 200 других веществ.

Синтез аммонийных солей

Непосредственный синтез аммонийных солей или аммониегенез происходит в просвете канальцев почек из секретируемых сюда аммиака и ионов водорода и фильтрующихся органических и неорганических анионов первичной мочи. Около 10% всего аммиака выводится почками в виде аммонийных солей.

Часть глутамина крови, не задержавшаяся в печени, достигает почек. В эпителиальных клетках почечных канальцев, в основном в дистальных канальцах, имеется фермент глутаминаза , гидролизующая амидную группу с образованием глутамата. Глутамат, в свою очередь, дезаминируется глутаматдегидрогеназой и полученный α-кетоглутарат сгорает в ЦТК. Также, особенно при голодании, α-кетоглутарат вовлекается в синтез глюкозы.

Параллельно в эпителии происходят процессы клеточного дыхания, сопровождающиеся образованием угольной кислоты, которая диссоциирует на ион Н + и карбонат-ион НСО 3 − . Ионы водорода секретируются в первичную мочу, карбонат-ионы – в кровь.

Выделяемый аммиак

• либо диффундирует в просвет канальца , где соединяется с ионом Н + , образуя ионы аммония NH 4 + . Они связываются с неорганическими (фосфаты, хлориды, сульфаты) или с органическими анионами (уксусной, щавелевой, молочной кислот),
• либо связывается с ионом ионом Н + в самой клетке , образуя ионы аммония NH4 + , который секретируется в обмен на ионы Na + .

Реакции синтеза аммонийных солей

При сдвигах кислотно-основного равновесия происходит адаптивное изменение активности глутаминазы . При ацидозе (закислении крови) необходимость выведения ионов Н + вызывает увеличение синтеза фермента и возрастание экскреции солей аммония. При алкалозе (защелачивании крови) активность глутаминазы снижается и ионы Н + сберегаются в организме.

Молекулы живых организмов могут образовываться из неорганических веществ.

В начале ХIХ века химики уже выяснили, что многие вещества состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, состоят из атомов (см. Атомная теория строения вещества). Некоторые ученые утверждали, что органические молекулы, найденные в живых организмах, коренным образом отличаются от неорганических молекул неживой природы. Причиной этого было убеждение, что живые существа — это совершенно особая вещь (см. Витализм). Затем обнаружилось, что органические молекулы часто бывают больше и сложнее неорганических, с которыми обычно работали химики. Это укрепило их во мнении, что у живой и неживой материи — разный химический состав.

В 1828 году Фридрих Вёлер раз и навсегда решил этот вопрос, когда синтезировал из обычных «лабораторных» химикатов мочевину — органическое вещество, которое содержится в почках и моче животных. Он рассказывал: «Сколько я ни пытался соединить циановую кислоту и аммиак, всякий раз получалось бесцветное кристаллическое твердое вещество, не похожее по свойствам ни на циановую кислоту, ни на аммиак». Тщательные исследования показали, что «бесцветное кристаллическое твердое вещество» было идентично мочевине, выделенной из тканей животных. С помощью этого эксперимента Вёлер доказал, что органические молекулы могут образовываться теми же способами и из тех же атомов, что и неорганические молекулы. Так был уничтожен еще один искусственный барьер между живой и неживой природой.

Friedrich Wöhler, 1800-82

Немецкий химик. Родился в городе Эшерсхайме близ Франкфурта, в семье ветеринарного врача, который лечил лошадей, принадлежащих правителям города Гессе в Германии. В 1823 году Вёлер получил ученую степень по медицине в Гейдельбергском университете, но затем занялся химией. Провел год в Швеции, сотрудничая с химиком Йенсом Берцелиусом (Jöns Berzelius, 1779-1848), с которым они навсегда остались друзьями. В 1836 году Вёлер получил должность профессора химии в Гёттингенском университете, где и проработал всю жизнь.

С юности Вёлер был страстным коллекционером минералов и много занимался синтезом и извлечением различных минеральных веществ. Некоторое время он изучал органические соединения, но потом решил, что это слишком сложно, и вернулся к неорганической химии. Благодаря Вёлеру Гёттинген превратился в ведущий европейский центр исследований в области химии. Многие выпускники Гёттингенского университета стали преподавателями в различных университетах Европы и Северной Америки. Германия доминировала в области исследовательской химии до 1930-х годов.

Синтез мочевины - это главный путь обезвреживания аммиака в оранизме. Мочевина - конечный азотистый продукт, выделяющийся с мочой у человека и млекопитающих. Образование ее происходит в печени. В 1932 г. возникла теория синтеза мочевины, известная под названием цикла Кребса, согласно которой в синтезе мочевины принимают участие 3 аминокислоты - аргинин, орнитин и цитрулин. Причем образование мочевины по циклу Кребса происходит в срезах печени в аэробных условиях. Схематически образование мочевины по циклу Кребса можно представить следующим образом:

Суммирование реакций цикла образования мочевины приводит к следующему уравнению:

Образование мочевины по указанному циклу получило свое подтверждение и является общепринятым. Однако в последствии цикл Кребса подвергся существенной детализации. Из приведенных выше реакций можно видеть, что в образовании мочевины участвуют свободный аммиак и углекислый газ. Между тем известно, что аммиак, по мере своего образования в тканях, устраняется с образованием глутамина. Далее известно, что реакции переаминирования, которые активно происходят в различных тканях, приводят к тому, что аминогруппы подвергающихся распаду аминокислот не освобождаются в виде аммиака, а переносятся на кетокислоты. Естественно возникает вопрос, откуда же в печени берется аммиак, необходимый для синтеза мочевины? Ответ на этот вопрос дают проведенные Ратнер с сотр. исследования, показывающие, что в синтезе мочевины помимо свободного аммиака участвуют аминогруппы, входящие в состав аминокислот, в частности аспарагиновой, без предварительного отщепления их в виде аммиака. Таким образом, последовательность синтеза мочевины можно представить следующими реакциями:

1) Аммиак взаимодействует с углекислым газом под действием
фермента карбамоилфосфатсинтетазы, образуется карбамоилфосфат

2) Карбамоилфосфат взаимодействует с орнитином, образуется
цитруллин и фосфат (катализатор - орнитин - карбамоилфосфат-
трансфераза)

3) Цитруллин взаимодействует с аспарагиновой кислотой с
образованием аргининсукцината:

Катализирует реакцию аргининсукцинатсинтетаза.

4) Аргининсукцинат расщепляется аргининсукцинатлиазой на фумарат
и аргинин:

5) Аргинин под действием аргиназы расщепляется гидролитически на
мочевину и орнитин:

Из приведенных реакций можно заключить, что одна группа NH 2 молекулы мочевины образуется из аммиака, а другая из аминогруппы аспарагиновой кислоты. Отсюда следует вывод, что аминогруппы 50% аминокислот, подвергающихся в организме превращению путем переаминироваиия (через глутаминовую кислоту), включаются в шавелевоуксусную кислоту с образованием аспарагиновой кислоты. Аминогруппа аспарагиновой кислоты, как мы видели, непосредственно используется для синтеза мочевины. Использование азота аминокислот (аминогрупп) для синтеза мочевины видно из схемы, показывающей связь между синтезом мочевины и циклом трикарбоновых кислот.

Обезвреживание аммиака в тканях может происходить и путем синтеза глутамина и аспарагина. Однако большая часть NH 3 утилизируется за счет синтеза мочевины.

Обмен сложных белков

ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИДОВ

В ЖКТ под действием соляной кислоты, пепсина, трипсина и др. ферментов от нуклеопротендов отщепляется белковая часть и гидролизуется до аминокислот. Простетическая группа - нуклеиновые кислоты - разрушаются до мононуклеотидов под действием нуклеаз. Мононуклеотнды частично всасываются, а большей частью под действием фосфатаз и нуклеотидаз расщепляются на составные компоненты: азотистые основания, пентозы и фосфорную кислоту, которые, как водорастворимые вещества, активно всасываются. Фосфорная кислота пополняет запасы фосфора в организме, пентозы принимают участие в процессах окисления и синтеза новых НК, а азотистые основания

подвергаются различным превращениям. Так пуриновые азотистые основания после дезаминирования превращаются в ксантин, а затем под действием ксантиноксидазы - в мочевую кислоту, которая выводится из организма почками.

Конечными продуктами распада пиримидиновых азотистых
оснований являются аммиак, CO 2 и простые азотистые соединения. Так
урацил распадается на NH 3 , СО 2 и b- аланин. Пути превращения NH 3 и CО 2
мы же рассматривали, а b-аланин участвует в синтезе КоА.

Одновременно с распадом в клетках осуществляется постоянный синтез нуклеиновых кислот. Это сложный процесс, в котором участвует большое число исходных соединений: пентозы, глицин, глутамин, аспарагиновая кислота, активная форма СО 2, АТФ и соответствующие ферменты. В ходе синтеза образуются сначала мононуклеотиды: АМФ, ГМФ, УМФ, последнее соединение служит стартовым веществом для образования ТМФ и ЦМФ.

Для синтеза самих НК необходимы все типы нуклеотидтрифосфатов, набор ферментов и ДНК, на матрице которой строятся новые дочерние молекулы ДНК и молекулы РНК.

ОБМЕН ХРОМОПРОТЕИДОВ.

Из многих представителей хромопротеидов для человека наибольшее значение имеет гемоглобин, обмен которого мы и рассмотрим.

Поступающий с пищей гемоглобин (НЬ) в ЖКТ распадается на свои составные части - гем и глобин. Глобин гидролизуется до аминокислот, которые всасываются в кровь, а гем окисляется до гематина и выводится с калом, т.е. экзогенный гем не используется.

Обмен эндогенного Hb протекает весьма интенсивно и связан с периодом существования эритроцитов, в которых содержится весь НЬ. Этот период составляет 110 -120 дней, после чего эритроциты распадаются, процесс активно протекает в печени, селезенке, костном мозге и др. тканях РЭС. Часть же эритроцитов распадаегся в кровеносном русле, освободившийся при этом НЬ адсорбируется в крови гаптоглобином и транспортируется в печень, где распадается по вышеуказанной схеме.

В клетках РЭС НЬ вначале окисляется под действием гем-оксигеназы до вердоглобина (зеленого цвета). Последний спонтанно (самопроизвольно) распадается на свои составные части: глобин, Fe 3+ и оставшуюся часть гема-биливердин (пигмент зеленого цвета). Глобин гидролизуется до аминокислот. Fe 3+ захватывается трансферрином и кровью доставляется в печень, где освобождается от белка-переносчика и откладывается про запас в виде ферритина (соединение Fe с особым белком). Этот комплекс по мере надобности распадается, Fe вновь адсорбируется трансферрином, доставляется в клетки, где участвует в синтезе НЬ, цитохромов и пр.

Биливердин восстанавливается в билирубин - пигмент желто-красного цвета, который является водонерастворимым и весьма токсичным веществом. Поэтому он быстро выводится из клеток РЭС, поступает в кровь, где адсорбируется альбумином, образуя растворимый в воде и нетоксичный комплекс, называемый свободным билирубином (непрямым) . Он транспортируется в печень, где распадается и билирубин попадает в гепатоциты. Здесь он взаимодействует с активной формой глюкуроновой кислоты (УДФКГ) с образованием моно- и диглюкуронидбилирубина, являющегося нетоксичным иводорастворимым соединением, называемым связанным билирубином (прямым ). Связанный билирубин поступает в желчный пузырь, входит в состав желчных пигментов, выделяется с желчью в кишечник, где от него отщепляется глюкуроновая кислота. Освободившийся билирубин подвергается воздействию ферментов микроорганизмов с образованием мезобилиногена, а затем – стсркобилиногена, который окисляетсякислородом воздухадо стеркобилина и выводится с калом. Небольшая часть мезобилиногена всасывается в кровь и по воротной вене доставляется в печень, где расщепляется до диперролов (2 пиррольных кольца), которые задерживаются печенью ине поступают в общий кровоток. Большая же часть мезобилиногена, превратившаяся в стеркобилиноген, в нижних отделах толстой кишки всасывается в кровь и через геморроидальные вены попадает в систему большого круга кровообращения, а затем выводится с мочой в виде уробилиногена, окисляющегося на воздухе в уробилин.

Таков в обших чертах основной путь распада НЬ.

Но для нормальной жизнедеятельности организма постоянно требуется определенное количество НЬ, синтез которого осуществляется по следующей схеме.

Основным механизмом обезвpеживания аммиака является синтез мочевины в печени. Из исследований школы И.П.Павлова следует, что мочевина синтезиpуется в печени, т.к. пpи выключении печени из кpовотока (фистула Экка-Павлова) в кpови pастет фонд свободных аминокислот, аммиака и pезко уменьшается содеpжание мочевины. М.В.Ненцкий и С.С.Салазкин доказали, что в печени пpоисходит обpазование мочевины из аммиака и углекислоты. Г.Кpебс и К.Гензелейт (1932) показали, что инкубация сpезов печени с pазличными аминокислотами дает малый выход мочевины. Однако, если добавить одну из тpех аминокислот - оpнитин, цитpуллин и аpгинин - выход мочевины pезко возpастает. Пpи этом дpугие аминокислоты также становятся пpед­шественниками мочевины. На основании этих данных Г.Кpебс создал пеpвый в биохимии метаболический цикл мочевинообpазования. Г.Коен и С. Ратнеp выяснили, что начальной pеакцией этого цикла является синтез каpбамоил­фосфата.

Из мышц и дpугих тканей аммиак доставляется в печень в виде аланина и глутамина . Из кишечника по воpотной вене поступает всосавшийся аммиак. В митохондpиях гепатоцитов в pеакциях тpансдезаминиpования освобождается аммиак. Аммиак включается в метаболизм двумя путями.

1. В цитозоле гепатоцитов и дpугих клеток имеется глутаминзависимая каpбамоилфосфатсинтетаза (КФ 6.3.5.5.): L-Глн-NH 2 + СО 2 + АТФ + Н 2 О ® карбамоилфосфат + L-Глу + АДФ. Этот каpбамоилфосфат используется пpи синтезе пиpимидиновых азотистых оснований.

2.В митохондpиях гепатоцитов аммиак конденсиpуется с углекислотой, также обpазуя каpбамоилфосфат, феpмент - аммиакзависимая каpбамоилфосфат­син­тетаза (КФ 6.3.4.16.). Пpи этом pасходуется две молекулы АТФ и тpебуется специфический активатоp - N-ацетилглутамат: NH 2 + СО 2 + 2АТФ + Н 2 О ® карбамоилфосфат + 2 АДФ + Н 3 РО 4 . Это первая реакция синтеза мочевины.

3.Каpбамоилфосфат взаимодействует с оpнитином (феpмент оpнитинтранскаpбамоилаза ) с обpазованием цитpул­лина.

4. Енольная фоpма цитpуллина пpи участии аpгининсукцинатсинтетазы (тpетий феpмент цикла) взаимодействует с аспаpагиновой кислотой; пpоцесс тpебует затpаты одной молекулы АТФ.

5. Аpгининсукцинатлиаза (четвертый фермент) катализиpует pаспад аpги­нин­янтаpной кислоты на аpгинин и фумаpат:

6. Аргиназа (пятый фермент) расщепляет аргинин на мочевину и орнитин. Аргиназа обнаружена только в печени, в то время как остальные ферменты присутствуют в других тканях. Поэтому аргинин может синтезироваться во многих тканях, но синтез мочевины происходит только в печени.

Регуляция синтеза мочевины :карбамоилфосфатсинтаза является ключевым ферментом и определяет скорость всего процесса. Аллостерически активируется N-ацетилглутаматом , который синтезируется из глутамата и ацетил-КоА. Скорость синтеза мочевины коррелирует с концентрацией N-ацетилглутамата. Высокое содержание белков в пище повышает уровень N-ацетилглутамата в печени и ускоряет синтез мочевины.

Мочевина пpостой диффузией по гpадиенту концентpации выходит из клеток в кpовь и выделяется с мочой (около 30 г в сутки). Небольшое количество мочевины поступает в кишечник, где распадается до СО 2 и Н 2 О под действием фермента уреазы.

Взаимосвязь цикла синтеза мочевины и ЦТК : синтез мочевины связан с ЦТК тремя путями.

1.Фумаpат является общим метаболитом цикла мочевины и цикла тpикаpбоновых кислот. Пpи пpевpащениях в цикле тpикаpбо­новых кислот фумаpат превращается в малат и затем в оксалоацетат (ЩУК). ЩУК подвергается трансаминированию с образованием аспартата, который вступает в цикл синтеза мочевины. ЩУК является важным метаболитом, участвующим в ЦТК и глюконеогенезе.

2. При окислении малата до ЩУК образуется 3 молекулы АТФ , которые используются для синтеза мочевины.

3. СО 2 , образующийся в ЦТК используется для синтеза мочевины

Происхождение атомов азота в молекуле мочевины : один атом азота поступает из кишечника или пеpифеpических тканей и включается чеpез каpбамоилфосфат; втоpой атом азота поступает в цикл мочевины в составе аспаpтата, а аспаpтат, в свою очеpедь, получает атом азота пpи тpансами­ниpовании глутамата с ЩУК. Как известно, атом азота аминогpуппы глутамата пpоисходит из аминогpупп аминокислот печени. Поэтому втоpой атом азота мочевины поступает из фонда аминокислот печени.

Умеренно активный человек, потребляющий в день около 300 г углеводов, 100 i жира и 100 г пищевого белка, должен за сутки выделять около 16,5 г азота. 95% азота удаляется через почки и остальные 5% - в составе фекалий. Главный путь экскреции азота у человека - в составе мочевины, которая синтезируется в печени, затем поступает в кровь и экскретируется почками. У людей с режимом питания, характерным для западных стран, на долю мочевины приходится 80-90% экскретируемого азота.

Реакции цикла мочевины

Реакции биосинтеза мочевины и соответствующие интермедиаты - представлены на рис. 30.13; в образовании 1 моля мочевины участвуют 1 моль ионов аммония. 1 моль двуокиси углерода (активируемой и АТР) и 1 моль а-аминного азота аспартата. В ходе синтеза потребляются 3 моля АТР (2 из них превращаются в ADP и а третий - в АМР и ), в нем последовательно участвуют пять ферментов, катализирующих реакции 1-5 на рис. 30.13. Из 6 аминокислот, вовлекаемых в синтез мочевины, одна (-ацетилглутамат) служит активатором одного из ферментов и в химических превращениях не участвует. Остальные пять-аспартат, аргинин, орнитин, цитруллин и аргининосукцинат - служат переносчиками атомов, которые в итоге образуют молекулу мочевины. Первые две из этих аминокислот входят в состав белков, тогда как три другие (орнитин, цитруллин и аргининосукцинат) в состав белков не входят. Главной метаболической ролью этих трех последних аминокислот у млекопитающих является участие в синтезе мочевины. Обратите внимание, что образование мочевины является частично циклическим процессом. Орнитин, участвующий в реакции 2, регенерируется в ходе реакции 5. Таким образом, ни потерь, ни накопления орнитина, ци-труллина, аргининосукцината и аргинина в ходе синтеза мочевины не происходит; потребляются только ион аммония, , АТР и аспартат.

Реакция 1: синтез карбамонлфосфата. Конденсация иона аммония, двуокиси углерода и фосфата (поступаюше! о от АТР), которая приводит к образованию карбамонлфосфата, катализируется карбамоилфосфатсинтазой-ферментом, находящимся в митохондриях печени всех уреотелических организмов, включая человека. Осуществляемый в ходе этой реакции гидролиз двух молекул АТР обеспечивает энергией образование двух ковалентных связей: амидной связи и ангидридной связи при образовании карбамоил-фосфата из карбоновой и фосфорной кислот. Для данной реакции требуются ионы , а также дикарбоновая кислота, предпочтительно N-ацетилглутамат. В присутствии

(см. скан)

Рис. 30.13. Реакции и интермедиаты при биосинтезе мочевины. Вылетены амины, непосредственно участвующие в образовании мочевины. Звезлочкой отмечены митохондриальные ферменты.

этих соединений происходят значительные конформационные изменения структуры карбамоил-фосфатсинтазы, в результате которых одни сульфгидрильные группы экспонируются, другие экранируются и увеличивается сродство фермента к АТР.

Реакция 2: синтез цитруллнна. Перенос карбамоильной группы с карбамонлфосфата на орнитин с образованием цитруллина и катализируется L-орнитин-карбамоилтрансферазой митохондрий печени. Реакция высокоспецифична к орнитину, равновесие ее сильно сдвинуто в направлении синтеза цитруллина.

Реакция 3: синтез аргининосукцината. В реакции, катализируемой аргининосукцинат-синтазой, к цитруллину присоединяется аминогруппа аспартата. Для реакции требуется АТР, равновесие сильно сдвинуто в направлении синтеза аргининосукцината.

Реакция 4: расщепление аргининосукцината на аргинин и фумарат. Обратимое расщепление аргининосукцината на аргинин и фумарат катализируется аргининосукциназой-ферментом, находящимся в печени и почках млекопитающих. Реакция протекает по механизму элиминирования. Образовавшийся фумарат может превратиться в оксалоацетат в ходе реакций, катализируемых фумаразой и малат-дегидрогеназой; оксалоацетат при переаминировании превращается в аспартат.

Реакция 5: расщепление аргинина на орнитин и мочевину. Эта реакция завершает цикл мочевины и регенерирует

орнитин, субстрат реакции 2. Гидролитиче-ское отщепление гуанидиновой группы аргинина катализируется аргиназой, присутствующей в печени всех уреотелических организмов. В небольших количествах аргиназа обнаружена также в почках, мозгу, молочных железах, семенниках и в коже. Аргиназа из печени млекопитающих активируется ионами или Сильными ингибиторами фермента являются орнитин и лизин, конкурирующие с аргинином