Пути обмена аммиака. Биосинтез мочевины

Тема: «Пути обмена аммиака. Биосинтез мочевины»

Цель занятия: изучить пути образования и обезвреживания аммиака, образование и выведение конечных продуктов азотистого обмена (мочевины и аммонийных солей). Метаболические процессы образования конечных продуктов азотистого обмена (мочевины, солей аммония) целесообразно рассматривать как часть целостной системы синтеза и распада аминокислот, являющейся в свою очередь составной частью взаимосвязанных процессов метаболизма белков углеводов и липидов.

План:

1.Обмен аммиака в организме: пути образования, транспорта, обезвреживания. (схема).

2.Образованиетранспортныхформаммиака:глутамина,аспарагина.

3.Конечное обезвреживание аммиака – синтез мочевины (орнитиновый цикл): локализация, ферменты, энергетический эффект, регуляция, значение.

4.Схема цикла мочевины, его взаимосвязь с ЦТК.

5.Токсичность аммиака.

6.Нарушения синтеза мочевины, лабораторная диагностика.

Пути образования аммиака

Аммиакнепрерывно образуется во всехорганах и тканях организма.Наиболее активными его продуцентами в кровь являются органы с высоким обменом аминокислотибиогенных аминов–нервнаяткань,печень,кишечник, мышцы. жизнедеятельность бактерий толстого кишечника, Аммиак является одним из конечных продуктов азотистого обмена. В

организме человека аммиак образуется в ходе следующих процессов:

дезаминирование аминокислот в тканяхосновной путь

окислительное дезаминирование биогенных аминов

гниение белков в толстом кишечнике в результате жизнедеятельность бактерий

Токсичность аммиака.

Из толстой кишки аммиак поступает в кровь воротной венозной системы. В нормальных условиях печень быстро извлекает аммиак из крови воротной вены, так что кровь, выходящая из печени, практически не содержит аммиака.

Но проблема состоит в том, что аммиак – это крайне токсичное вещество, особо опасное для клеток центральной нервной системы. В норме содержание свободного аммиака в крови представлено лишь следовыми количествами

(0,4-0,7 мг/л или 25-40 мкмоль/л).

Токсическое действие аммиака обусловлено тем, что:

Аммиак диффундирует через мембрану и в клетке гидратируется

собразованием гидроксида аммония (NH3 + H2O = NH4OH), что вызывает внутриклеточный метаболический алкалоз. pH вне- и внутриклеточной среды повышается.Этоприводиткизменениюстепениионизацииионогенныхгрупп

и, как следствие, к разрушению ионных связей, стабилизирующих третичную структуру белков. Последнее вызывает изменение нативной конформации белковых молекул и нарушение их функций, в частности, нарушение активности ферментов, структуры мембранных рецепторов.

Приповышении внутриклеточнойконцентрации аммиакаактивируются процессы восстановительного амминирования α-кетокислот, в

частности – α-кетокислот цикла трикарбоновых кислот – α- кетоглутарата и оксалоацетата.

Это приводит к истощению пула α-кетоглутарата и оксалоацетата, что сопровождается снижением обменной мощности цикла Кребса, а следовательно и нарушением образования АТФ. В результате ингибируются энергозависимые процессы, прежде всего активный мембранный транспорт, что приводит к нарушению процессов реполяризации и поддержания потенциала покоя, а, следовательно, и нарушению таких свойств нервной ткани как возбудимость и проводимость.

При повышении концентрации аммиака, происходит образование гдутамина:

АТФ АДФ+H3PO4

глутаминсинтетаза

В нейронах снижается количество глутамата, и следовательно, тормозится процесс декарбоксилирования глутамата, что приводит к снижению уровня ГАМК (γ-аминомаслянная кислота – главный тормозный медиатор головного мозга), образующегося при декарбоксилировании глутаминовой кислоты. Поэтому нарушаются процессы торможения в ЦНС.

Вследствие токсичности аммиака его концентрация в крови должна быть очень низкой – менее 65 мкмоль/л. Но при малейшем повышении его концентрации возникают симптомы аммиачного отравления: тремор, нечленораздельная речь, затуманивание зрения, возбуждение, судороги, галлюцинации. В тяжелых случаях – коматозное состояние и смерть.

В оpганизме есть системы обезвpеживания аммиака, в pезультате котоpых в кpови поддеpживается низкая концентpация аммиака. Условно выделяют местные (вpеменное связывание) и общие (конечные) механизмы обезвpеживания аммиака.

Местное обезвpеживание аммиака происходит за счет:

образование амидов аминокислот;

восстановительного аминирования α-кетоглутарата;

глюкозо-аланинового цикла.

Общее (конечное) обезвреживание аммиака – за счет:

синтеза мочевины в печени;

образования солей аммония в почках.

Местное обезвpеживание аммиака:

1.Образование амидов аминокислот - связывание аммиака с глутаминовой и pеже аспаpагиновой кислотами с обpазованием соответствующих амидов - глутамина и аспаpагина (фермент глутаминсинтетаза):

Глутамин является нетоксической транспортной формой аммиака и его концентрация в крови значительно выше концентраций других аминокислот. Далее безвредный глутамин, легко прникающий через все биологические мембраны, секретируется в кровь и транспортируется в печень и почки, где поддействиемфермента–глутаминазыизглутаминавысвобождаетсяаммиак. Синтез аспарагина является менее энергетически выгоден, так как при этом затрачивается 2 макроэргические связи.

2. Восстановительное аминирование α-кетоглутарата – реакция по сути,

обратная реакции окислительного дезаминирования, однако, в качестве кофермента используется НАДФН:

Реакции протекает практически во всех тканях, кроме мышечной, но имеет небольшое значение, т.к. для глутаматдегидрогеназы предпочтительным субстратом является глутаминовая кислота и равновесие реакции сдвинуто в сторону α-кетоглутарата, 3. Цикл аланин-глюкоза. В мышцах основным акцептором лишнего аминного

азота является пируват. При катаболизме белков в мышцах происходят реакции трансаминирования аминокислот, образуется глутамат, который далее передает аминоазот на пируват и образуется аланин. Из мышц с кровью аланин переносится в печень, где в обратной реакции передает свою аминогруппу на глутамат. Образующийся пируват используется как субстрат в реакциях синтеза глюкозы, а глутаминовая кислота дезаминируется и аммиак используется в синтезе мочевины (рис. 17):

Рис. 1 Цикл аланин-глюкоза

Глюкозо-аланиновый цикл выполняет следующие функции:

•обезвреживает аммиак в мышцах;

•транспортирует аммиак в форме аланина из мышц;

•обеспечивает глюкозой мышцы.

Транспорт аммиака в крови.

Образовавшийся в тканях аммиак включается в состав «транспортных форм» - глутамина и аланина, которые переносят его по крови в печень и почки, где он обезвреживается. Некоторое количество аммиака находится в крови в свободном виде. Большая часть глутамина поступает от мышц и нервной ткани, аланин переносит аммиак от мышц и стенки кишечника.

Печень и почки – это те органы, где происходит окончательное обезвреживание аммиака и образование конечных продуктов азотистого обмена – мочевины и аммонийных солей, которые удаляются из организма в составе мочи.

Аминный азот выводится из организма человека в виде мочевины, которая синтезируется в печени (только) в орнитиновом цикле, открытом Кребсом и Гензелейтом в 1932 году (за 5 лет до открытия ЦТК).

Орнитиновый цикл синтеза мочевины.

Мочевина - – полный амид угольной кислоты – содержит 2 атома азота. Источником одного из них является аммиак, который в печени связывается с диоксидом углерода с образованием карбамоилфосфата Аспартат – источник второго азота мочевины. Аспаpтат, в свою очеpедь, получает атом азота пpи тpансаминиpовании глутамата с оксалоацетатом. Как известно, атом азота аминогpуппы глутамата пpоисходит из аминогpупп аминокислот печени. Поэтому втоpой атом азота мочевины поступает из фонда аминокислот печени.

I-я реакция – образование карбамоилфосфата – происходит в матриксе митохондрий гепатоцитов.

Эта реакция катализируется ферментом – карбамоилфосфатсинтетазой I, коферментом которого является биотин (витамин Н), а аллостерическим

активатором – N-ацетилглутамат. Для осуществления реакции необходимы 2 молекулы АТФ. Первая молекула обеспечивает карбоксилирование биотина («активация» CO2), вторая – образование карбамоилфосфата.

Далее карбамоилфосфат вступает в циклический процесс, в котором аминокислота орнитин его акцептирует:

2-я реакция– взаимодействие карбамоилфосфата с орнитином с образованием цитруллина. Катализирует реакцию фермент орнитинкарбамоилтрансфераза. Энергетически реакция обеспечивается гидролизом макроэргической связи карбамоилфосфата:

3-я реакция – синтез аргининосукцината. Цитруллин взаимодействует с аспартатом под действием фермента аргининосукцинатсинтетазы. Синтез обеспечивается энергией гидролиза двух макроэргических связей АТФ:

4-я реакция – образование аргинина. Аргининосукцинат под действием аргининосукцинатлиазы расщепляется до аргинина и фумарата:

5-я реакция – образование мочевины. Аргинин гидролизуется с образованием мочевины и орнитина (цикл замыкается). Реакция катализируется ферментом аргиназой.

Суммарное уравнение синтеза мочевины:

СО2 + NH3 + Аспартат + 3 АТФ + 2 Н2О →

→ Мочевина + Фумарат + 2(АДФ + Н3РО4) + АМФ + H4P2O7. Общая схема процесса:

Рис.2 Схема цикла образования мочевины в печени человека

В образовании одной молекулы мочевины участвует 1 молекула NH3, 1 молекула CO2, аминогруппа 1 молекулы аспарагиновой кислоты, затрачивается 4 макроэргических связи трех молекул АТФ. Образовавшаяся в гепатоцитах мочевина секретируется в кровь, с током крови транспортируется в почки, фильтруется в мочу и удаляется из организма.

Первые две реакции синтеза мочевины осуществляются в матриксе митохондрий – там же, где и ЦТК. И между этими двумя циклами существует определенная взаимосвязь – через вещество и через энергию.

Взаимосвязь цикла синтеза мочевины и ЦТК.

Синтез мочевины связан с ЦТК тремя путями.

Фумаpат, который образуется в аргининосукцинатлиазной реакции, является метаболитом цикла мочевины и цикла тpикаpбоновых кислот. Поэтому эти два цикла связаны (двухколесный «велосипед» Кребса).

Тем не менее, каждый цикл функционирует независимо и взаимосвязь между ними зависит от транспорта промежуточных продуктов между митохондрией и цитозолем.

Рис.3 Связь орнитинового цикла и ЦТК на уровне субстратов.

Некоторые ферменты ЦТК (фумараза и малатдегидрогеназа) имеют изоферменты в цитозоле. Фумарат, образуемый в цитозоле, превращается в малат и затем в оксалоацетат, которые либо далее метаболизируются в цитозоле, либо транспортируются в митохондрии для использования в ЦТК. Аспартат, который образуется в митохондриях в результате трансаминирования оксалоацетата и глутамата, транспортируется в цитозоль, где является донором азота в реакции, катализируемой аргининсукцинатсинтетазой.

СО2, образующийся в ЦТК, используется для синтеза мочевины.

Для синтеза одной молекулы мочевины необходимо 4 высокоэнергетических фосфатных группы: 2 АТФ используется для синтеза карбамоилфосфата и 1 АТФ – для синтеза аргининсукцината (при этом АТФ распадается на АМФ и Н4Р2О7, который гидролизуется до 2-х молекул Н3РО4). Цикл мочевины способствует превращению оксалоацетата в фумарат (через аспартат), регенерации оксалоацетата с образованием НАДН в малатдегидрогеназной реакции. Каждая молекула НАДН в результате переноса электронов по ЦПЭ образует 3 АТФ, компенсируя, тем самым, энергетические затраты для синтеза мочевины.