ПУТИ ОБМЕНА АММИАКА. БИОСИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ. (ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ)

_{ТЕМА : АЗОТИСТЫЙ ОБМЕН}

Лекция 4

ПУТИ ОБМЕНА АММИАКА. БИОСИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ. (ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ).

Обмен аммиака, источники аммиака в организме

Источники аммиака: 1) катаболизм аминокислот; 2) распад биогенных аминов, нуклеотидов; 3) гниение белков в кишечнике под действием микрофлоры, откуда он частично всасывается в воротную вену. Концентрация аммиака в крови очень мала, так как он быстро всасывается в клетках с образованием нетоксичных продуктов. Содержание аммиака в норме составляет 0,4-0,7 мг/л.

Выведение аммиака. Выводится почками в виде конечных продуктов азотистого обмена: мочевины (синтезируется в печени) и аммонийные соли (образуются в почках).

Основной реакцией обезвреживания аммиака во всех тканях является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы.

Глутамин является транспортной формой аммиака и азота – нейтральной аминокислотой, способной к облегченной диффузии. Амидная группа

глутамина используется для синтеза аспаргина, глюкозоамина, таким образом азот аммиака включается в структурно-функциональные компоненты клетки.

В кишечнике и мышцах глутамин под действием глутаминазы расщепляется на аммиак и глутамат, котороый с помощью аланинаминотрасферазы превращается в алаланин, который также является транспортной формой аммиака и азота.

В нервной системе

Обезвреживание аммиака происходит путем синтеза аспарагина и глутамина, который легко проходит через гематоэнцефалический барьер и с кровью доставляется с почки.

Обезвреживание аммиака мышцах, печени

Глутамин с помощью глутаминазы дезаминируется с образованием NH₃ и глутамата. Образовавшийся глутамат с помощью аланинминотрансферазы (АЛАТ) превращается в аланин.

Образование аммиака в почках

Аммиак в почках образуется главным образом из глутамина при действии глутаминазы и глутаматдегидрогена, образующийся при этом α-кетоглутарат используется как источник энергии.

В тканях аммиак находится в виде иона аммония в равновесии м неионизированным аммиаком: NH₄⁺↔NH₃+H⁺. Для иона аммония мембрана непроницаема

Обезвреживание аммиака в печени

Из NH₃+CO₂ образуется карбамоилфосфат, который включается в орнитиновый цикл Гензелейта (синтез мочевины)

Синтез мочевины. Орнитиновый цикл. Функции орнитинового цикла

В печени выполняет две функции: превращение азота аминокислот в мочевину, которая выводится из организма, помогая избежать накопление токсичного аммиака; синтез аргинина, из которого образуется мочевина

Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины. Последняя выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового (соответственно аминокислотного) обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% от всего азота мочи. Впервые Г. Кребс и К. Гензелейт в 1932 г. вывели уравнение реакции синтеза мочевины, которые представлены в виде цикла, получив в литературе название орнитинивого цикла мочевинообразоавния Кребса. Следует указать, что в биохимии эта была первая циклическая система метаболизма, описание которой почти на 5 лет опередило открытие Г. Кребсом другого метаболического процесса-цикла трикарбоновых кислот. Благодаря исследования Г. Коена, С. Ратнер и сотр. были уточнены промежуточные этапы и ферментные системы, катализирующие образование мочевины.

Весь цикл мочевинообразования может быть представлен следующим образом. На 1-м этапе синтезируется макроэргическое соединение карбомоилфосфат – это метаболически активная форма аммиака, используемая в качестве исходного продукта для синтеза пиримидиновых нуклеотидов. Фермент – аммиакзависимая карбамоилфосфатсинтетаза:

пиримидин←карбамоилфосфат→аргинин→мочевина ↓ ↓ ↓ ДНК РНК белки

Реакция требует затрату 2 АТФ, происходит в митохондриях клеток печени. В качестве активного стимулирующего аллостерического эффектора действует N-ацетилглутамат.

На 2-м этапе цикла мочевинообразования происходит кондесанция карбамоилфосфата и орнитина с образованием цитруллина; реакцию катализирует орнитин-карабамоилфосфатрансфераза.

На 3-м этапе цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций. Первая из них– это энергозависимая конденсация цитуллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргининосукцината (эту реакцию катализирует аргининосукцинатсинтетаза). Вторая из них – аргининсукцинат распадается на аргинин и фумарат при участии другого фермента – аргининсукцинатлиазы.

На 4-м этапе аргинин под действием аргиназы расщепляется на мочевину и орнитин, который вступает в новый оборот цикла, соединяясь с карбамоил-фосфатом, образуя цитруллин.

Необходимо подчеркнуть, что аргиназа содержится в печени тех животных, которые экскретируют с мочой мочевину как основной и конечный продукт азотистого обмена. В печени птиц, например, аргиназа отсутствует, поскольку птицы вместо мочевины выделяют мочевую кислоту.

Суммарная реакция синтеза мочевины без учета всех промежуточных продуктов может быть в следующем виде:

CO₂+NH₃+2АТФ+2H₂O+аспартат→мочевина+2АДФ+АМФ+фумарат+

+2Н₃РО₄+Н₄P₂О₇­

­Данная реакция сопровождается снижением свободной энергии (ΔG=-40кДж), поэтому процесс всегда протекает в направлении синтеза мочевины. Следует указать, что синтез мочевины энергетически дорого обходится организму. На синтез одной молекулы мочевины затрачивается четыре высокоэнергетических фосфатных группы: две молекулы АТФ расходуются на синтез карабамоилфосфата и одна – на образование аргининоянтарной кислоты, при этом АТФ расщепляется на АМФ и который при гидролизе также образует две молекулы Н₃РО₄.

Орнтитиновый цикл синтеза мочевины в печени (цикл Гензелейта)

Связь орнитинового цикла с ЦТК.

Источникоми аспартата для орнитинового цикла является фумарат, который последовательно в реакциях ЦТК превращающается сначала в малат (фермент - фумараза), а затем в ОАА (фермент – малат-ДГ) с последующим трансаминированием в аспартат.

В процессе эволюции живые организмы выработали различные типы азотистого обмена. Это аммонителический тип, при котором главным конечным продуктом азотистого обмена является аммиак; он свойствен преимущественно рыбам. При уретелическом типе обмена основным конечным продуктом обмена белков является мочевина; такой тип характерен для человека и животных. Урикотетический тип характерен для птиц рептилий; главным конечным продуктом данного типа обмена является мочевая кислота.

Гипераммониемия и её причины

Аммиак превращается в мочевину в печени, поэтому при заболеваниях печени или наследственных дефектах ферментов обезвреживания аммиака наблюдается повышение содержания аммиака в крови (гипераммониемия), которая оакзывет токсическое действие на организм.

Гипераммониемия сопровождается следующими симптомами:

-тошнота, рвота

-головокружение, судороги

-потеря сознания, отек мозга

Эти симптомы связаны с действием аммиака на центральную нервную систему и прежде всего на головной мозг Механизмы токсического действия аммиака:

1) аммиак вызывает снижение содержания α-кетоглутарата, т.к. сдвигает реакцию, катализирующуюся глутаматдегидрогеназой (ГЛЮ-ДГ) в сторону образования глутамата. Этот процесс сопровождается угнетением ЦТК и реакций трансаминирования;

2) высокие концентрации аммиака вызывают синтез глутамина из глутамата в нервной ткани:

Снижение концентрации глутамата подавляет обмен аминокислот и синтез нейромедиаторов (ГАМК) – основного тормозного медиатора

При этом нарушается проведение нервного импульса, наблюдаются судороги. Накопление глутамина в нервных клетках повышает осмотическое давление, и может вызвать отек мозга.

В крови и цитозоле аммиак превращается в ион NH₄⁺, накопление которого нарушает трансмембранный перенос одновалентных катионов Na⁺ и K⁺, что также влияет на проведение нервных импульсов.

Известно пять наследственных заболеваний, обусловленных дефектом ферментов орнитинового цикла. Нарушения этого цикла наблюдается при вирусных заболеваниях, так например, вирус гриппа подавляет синтез карбамоилфосфатсинтетазы-1.

Нарушения орнитинового цикла приводят к значительному повышению в крови концентрации: аммиака, глутамина, аланина.

Основным диагностическим признаком служит повышение концентрации аммиака в крови. Диагностика производится путем определения: содержания аммиака в крови, метаболитов орнитинового цикла в крови и моче, активности фермента в биоптатах печени.

Уровень аммиака может повышаться после белковой нагрузки.

Для снижения концентрации аммиака целесообразна малобелковая диета, а также использовать метаболическую коррекцию нарушений орнитинового цикла путём выведения аргинина, цитруллина , глутамата для выведения аммиака в обход нарушенных реакций, например, в составе фенилацетилглутамина и гиппуриновой кислоты.

Количественные характеристики обмена аминокислот.

Количество аммиака в сыворотке крови 25-40 мкмоль/л

Концентрация мочевины в сыворотке крови 2,5-8,4 мкммоль/л

Суточное выведение мочевины ~ 25 г/сутки

Содержание креатинина от 50-175 мкмоль/л в плазме крови

Клиническое значение определения показателей метаболома и активности ферментов в биологических жидкостях.

1.Определение активности γ-глутамилтрансферазы в плазме крови.

Данные определения используется для оценки степени повреждения гепатоцитов, клеток мозга, кишечника.

2.Определение оксидаз аминокислот ;по данным определения ферментов можно судить о нехарактерных для макроорганизма D-аминокислот, попавших с вирусами, бактериями и опухолевыми клетками.

3.Определение активности гистидазы целесообразно при поражениях печени, т.к. в норме ферменты отсутствуют в плазме крови.

4.Определяют трансаминазы для оценки состояния печени и миокарда

Соотношение АСГ/АЛГ (коэфф. Де Ритиса) =1,33. При заболеваниях печени резко уменьшается коэффициент АСТ/АЛТ <0,6 при инфаркте миокарда отношение АСТ/АЛГ>2.

5. При длительном голодании актвируется распад альбумина и тканевых белков.

Регистрация роста активности глутаматдегидрогеназы свидетельствует о накоплении свободных аминокислот, которые вступают в реакцию окислительного дезаминирования.

6.Определние активности карбомоилфосфатсинтетазы, орнитинкарбомоилтрансферазы и аргиназы: определяют для выявления нарушения синтеза мочевины. Снижение их активности при гепатите или циррозе печени сопровождается накоплением аммиака в тканях и плазме крови.

7.Определение повышенного уровня тирозиназы (вследствие экспрессии гена тирозиназы) используется для обнаружения меланомы(злокачественной опухоли)

8.Повышенное количество конечных продуктов распада катехоламинов в моче регистрируется при опухоли мозгового слоя надпочечников.

9.Дефицит дегидрогеназы α-кетокислоты с разветлённой цепью свидетельствует о накоплении аминокислот (лейцина,изолейцина и валина) и токсичных продуктов их метаболизма. Заболевание получило название болезнь кленового сиропа, характеризуется наличием сладкого запаха мочи (аналогично запаху кленового сиропа).

7