Пути образования и обезвреживания аммиака. Чем отличаются уреотелические, урикотелические и аммониетелические животные? Чем объяснить возникновение разных путей выведения аммиака из организма птиц, млекопитающих и рыб?
Аммиак (NН3) – продукт обмена большинства соединений, содержащих амино- и амидогруппы. Главным путём образования аммиака служит окислительное дезаминирование.
Аммиак – очень токсичное вещество, особенно для нервной системы. При физиологических значениях рН молекула NН3 легко превращается в ион аммония NН4+. Накопление NН4+ вызывает торможение заключительных этапов цикла трикарбоновых кислот и снижение продукции АТФ. Поэтому в организме существует ряд механизмов связывания (обезвреживания) аммиака
При деградации аминокислот, которая у млекопитающих осуществляется в печени, высвобождается аммиак. Кроме этого, значительные количества аммиака образуются при распаде пуринов и пиримидинов. Часть аммиака сразу расходуется на синтез других аминокислот и азотистых оснований, а оставшаяся часть должна быстро инактивироваться или выводиться из организма, поскольку это соединение является сильным клеточным ядом.
У организмов, стоящих на низших ступенях развития, а также у обитающих в воде животных аммиак выделяется непосредственно из клеток, а у рыб, например, через жабры. Такие животные носят название аммониотелические. У большинства наземных позвоночных животных, в том числе у млекопитающих и у человека, аммиак превращается в мочевину. Организмы, удаляющие аммиак (основную его часть) в виде мочевины называются уреотелические. Наконец, существуют урикотелические организмы (птицы и рептилии), которые превращают аммиак в мочевую кислоту и выводят ее из организма в твердом виде.
Свойства мочевины как вещества, в составе которого аммиачный азот выводится из уреотелических организмов, заключаются в том, что это нейтральное, нетоксичное, низкомолекулярное соединение, способное легко (в ходе пассивной диффузии) преодолевать мембранные барьеры, растворимое в воде. Мочевина легко переносится кровью и выводится с мочой.
1. Аммониотелический тип , при котором главным конечным продуктом азотистого обмена является аммиак, свойствен рыбам.
2. Уреотелический тип обмена — основным конечным продуктом обмена белков является мочевина, характерен для человека и животных.
3. Урикотелический тип — главным конечным продуктом обмена является мочевая кислота, характерен для птиц и рептилий.
Эти различия обусловлены анатомическими и физиологическими различиями указанных групп животных, связанными со средой их обитания. У костных рыб аминный азот транспортируется кровью в виде глутамина, но через жабры он выводится в виде аммиака, потому что в жабрах содержится глутаминаза, катализирующая гидролиз глутамина, приводящий к образованию глутамата и аммиака. Поскольку аммиак легко растворим в воде, он быстро разбавляется и уносится током воды, в большом количестве омывающей жабры. Костным рыбам, следовательно, не требуется сложной мочевой системы для выделения аммиака. Для птиц очень важен их вес. Между тем вместе с мочевиной в мочу должны поступать и довольно большие количества воды. Поэтому у птиц в процессе эволюции выработался другой способ выведения аминного азота, в котором вода в заметных количествах не участвует. У них аминный азот превращается в мочевую кислоту, которая относительно плохо растворима в воде, так что моча птиц представляет собой полутвердую массу, состоящую из кристаллов мочевой кислоты и очень небольшого количества воды.
Цикл образования мочевины. Пути образования орнитина и аспарагиновой кислоты для обеспечения орнитинового цикла.
Один из атомов азота в составе молекулы мочевины происходит из аммиака, второй — из аспартата. Углеродный атом мочевины берет происхождение из молекулы СО2.
На первой стадии свободный аммиак и углекислота образуют в АТР-зависимой реакции молекулу карбамоилфосфата, которая содержит ангидридную связь и характеризуется высоким потенциалом переноса карбамоильной группы. Карбамоильный остаток переносится на орнитин с помощью орнитин-карбамоилтрансферазы и образуется цитруллин.
На следующей стадии при участии аргининосукцинат-синтазы в цикл включается вторая аминогруппа, которая присутствует в составе аспартата. Конденсация цитруллина с аспартатом также сопряжена с гидролизом АТР и приводит к образованию аргининосукцината.
3.На последнем этапе с участием аргининосукциназы происходит расщепление ее субстрата на аргинин и фумарат. Аргинин гидролизуется аргиназой на мочевину и орнитин, который вновь может акцептировать карбамоильный остаток. Фумарат может превращаться в оксалоацетат (реакции ЦТК), который в ходе трансаминирования с участием глутамата преобразуется в аспартат. Аспартат снова может поступать в цикл мочевины, конденсируясь с цитруллином.
Реакции образования аспарагина и глутамина особенно широко представлены в растительном мире. Однако и у животных в мозге, печени, почках, мышцах, в сетчатке глаз происходит устранение аммиака путем образования глутамина, а также аспарагина. 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.
В каких органах происходит образование мочевины? Дальнейшие пути ее транспортировки у различных животных. На чем основано кормовое использование мочевины у жвачных животных? Ее превращение в пищеварительном тракте.
Образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака. Этот процесс изучали в лаборатории И.П.Павлова. Показано, что мочевина синтезируется в печени из аммиака, CO2 и воды.
Мочевина выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Главным местом синтеза мочевины в организме является печень. Мочевина выделяется из организма в составе мочи.
Цикл мочевины протекает в клетках печень и, в меньшей степени, в почки. Он начинается в митохондриях и перемещается в цитозоль клетки, где проходит большая часть цикла.
В кормлении животных кормовую мочевину обычно используют в виде специальных кормовых добавок. Такие добавки могут содержать дополнительные минералы, которые принимают участие в синтезе микробного протеина, что улучшает усвоение мочевины организмом.
Часто мочевину вводят в рацион в «защищенной» форме, которая притормаживает процесс освобождения аммиака, также она может быть составляющей минеральных премиксов для коров.Применение карбамида основано на том, что он является источником азота для микроорганизмов пищеварительного тракта у жвачных и используется ими для построения белков их тела. Микроорганизмы, способные использовать азот карбамида, находятся в преджелудках жвачных, которые хорошо развиты у взрослых животных, слабее у молодняка и совершенно отсутствуют у свиней, лошадей и птицы.
Значительное количество образовавшейся в печени мочевины возвращается в рубец как со слюной, так и через стенку рубца — румено-гепатическая циркуляция азота. Механизм обратного потока мочевины является фактором экономии азота и непрерывного возвращения его в рубец, где он вновь используется для синтеза бактериального белка. Мочевина в рубце расщепляется бактериальной уреазой до углекислого газа и аммиака. Часть аммиака всасывается в кровь, а другая часть используется для биосинтеза аминокислот.
Мочевина (диамид угольной кислоты) может попадать в рубец с кормом или слюной (куда попадает из крови в результате обезвреживания аммиака в печени в орнитиновом цикле), а также в виде подкормки (карбамид-мочевина). В рубце под влиянием бактериальных ферментов уреазы мочевина гидролизуется с образованием аммиака, CO2, H2O. Аммиак частично всасывается в кровь и превращается в печени в мочевину, далее выделяется почками. Частично используется бактериями для синтеза аминокислот