Эти реакции не имеют какого-либо значения при нормальном обмене азота, но могут играть большую роль при введении ароматических кислот с целью удаления избытка NH4+ при нарушениях орнитинового цикла.
Другой подход в лечении людей, страдающих нарушениями цикла мочевины состоит в замене в диете некоторых аминокислот на α-кетоаналоги с тем, чтобы уменьшить накопление азота в организме и направить аминогруппы не на экскрецию, а на синтез необходимых аминокислот для биосинтеза тканевых белков.
Регуляция цикла мочевины
Цикл мочевины функционирует с единственной целью – удалить из организма избыток аммиака. Избыток аммиака образуется при деградации аминокислот, не включаемых непосредственно в процессы биосинтеза белка. Лишь незначительная часть азотистых соединений таких, как пурины, пиримидины, креатин и никотиновая кислота включается в обмен азота и не расщепляется до аммиака. В целом характер питания не влияет на процессы деградации избытка аминокислот; не зависимо от того, используются ли углеродные скелеты аминокислот для генерирования ATP или запасаются в виде жира и гликогена, аминогруппы высвобождаются в виде аммиака, который должен быть выведен из организма. В состоянии азотистого равновесия количество образуемой мочевины представляет собой «метаболический износ», непонятную комбинацию гибели клеток и регенерации, обмена белка с частичной, но никогда полной реутилизацией аминокислот. Эти метаболические процессы протекают даже при дефиците белка в жировой и углеводной диете, при этом образование мочевины никогда не прекращается. Тем не менее, скорость образования мочевины точно регулируется по мере необходимости удалять потенциально токсичный аммиак.
Общий контроль цикла мочевины обеспечивается изменением экспрессии генов тех или иных ферментов. Известно, что в различных ситуациях уровень отдельных ферментов цикла мочевины может изменяться в 10-20 раз. Например, при длительном голодании, которое сопровождается расщеплением мышечных белков и необходимостью выведения аммиака происходит увеличение в печени уровня ферментов орнитинового цикла. Тонкая регуляция цикла, по-видимому, происходит на уровне образования карбамоилфосфата. Карбамоилфосфат-синтетаза неактивна в отсутствие специфического аллостерического активатора N-ацетилглутамата. Этот активатор синтезируется ферментом печени из ацетил-CoA и глутамата, а гидролизуется специфической дезацетилазой.
20
Постоянство концентрации N-ацетилглутамата определяется концентрациями субстратов – ацетил-CoA и глутаминовой кислоты, а также количеством аргинина, который является активатором N-ацетилглутамат-
синтетазы.
Дополнительная регуляция цикла мочевины зависит от концентраций интермедиатов цикла. Несмотря на то, что теоретически за один оборот цикла орнитин должен полностью восстанавливаться, в действительности в клетке протекают различные реакции, в ходе которых интермедиаты превращаются в другие продукты. При нормальной диете клетки получают достаточное количество аргинина для поддержания требуемой концентрации орнитина. Кроме того, в клетках слизистой тонкого кишечника синтез орнитина может также осуществляться из глутаминовой кислоты.
Наследственные дефекты ферментов цикла мочевины
Значение нормального функционирования цикла мочевины в организме человека трудно переоценить. Известно, что новорожденные с полным отсутствием одного или нескольких ферментов цикла живут всего в течение нескольких дней. Многие синдромы, связанные с дефектами тех или иных ферментов были идентифицированы и описаны благодаря тому, что эти ферменты все же проявляли некоторую активность. Проведение аналогии с другими мутациями позволяет сделать вывод о том, что, в первую очередь, нарушения активности ферментов цикла мочевины связаны с изменением величины Km, но не Vmax. Однако охарактеризовать более подробно мутации генов, кодирующих эти важнейшие белки у человека довольно сложно.
В настоящее время уже охарактеризованы основные синдромы, связанные с дефектами каждого из ферментов цикла мочевины. Разрыв цикла в ка- кой-либо точке по-разному влияет на метаболизм азота, поскольку некоторые интермедиаты могут диффундировать из гепатоцитов, накапливаться в крови и попадать в мочу. Поэтому симптомы, прогнозы и терапия при дефиците различных ферментов отличаются. В целом описано несколько довольно часто встречающихся заболеваний, которые проявляются в задержке умственного развития или сопровождаются комой и смертью в раннем возрасте.
N-ацетилглутамат-синтетаза
21
Значение активатора карбамоилфосфат-синтетазы было обнаружено при обследовании новорожденных с гипераммониемией и общей гипераминоацидемией. У этих новорожденных клетки печени не обеспечивали какоголибо заметного синтеза N-ацетилглутамата. В таких случаях нормальный обмен азота можно поддерживать с помощью диеты, содержащей низкое количество белка и введением карбамоилглутамата – аналога N- ацетилглутамата, который также служит активатором карбамоилфосфат-
синтетазы.
Карбамоилфосфат-синтетаза
В тех случаях, когда у младенцев уровень карбамоилфосфат-синтетазы составляет 0-50% от нормального содержания фермента в гепатоцитах, отмечается развитие гипераммониемии. Этим младенцам вводят бензойную кислоту с фенилацетатом, которые достаточно эффективно снимают проявления гипераммониемии. Весьма полезным является добавление в низкобелковую диету аргинина, который стимулирует синтез N-ацетилглутамата, а последний в свою очередь обеспечивает образование достаточного количества карбамоилфосфата даже при низком уровне фермента в клетках печени. Вообще, нехватка карбамоилфосфат-синтетазы сопровождается задержкой умственного развития, которое может быть следствием гипераммониемии в течение определенного неконтролируемого периода.
Орнитин-транскарбамоилаза
В основе большей части заболеваний, связанных с нарушениями цикла мочевины лежат дефекты или утрата орнитинтранскарбамоилазы. Ранняя смерть может быть предотвращена удалением избытка аммиака, а его дальнейшее накопление устраняется теми же мероприятиями, которые предпринимаются при лечении заболеваний, связанных с нехваткой карбамоилфосфатсинтетазы.
Генетический анализ повреждений орнитин-транскарбамоилазы показал, что ген этого белка расположен в Х-хромосоме. Поэтому данное заболевание чаще встречается у мальчиков, чем у девочек, у которых в гетерозиготном состоянии повреждение гена не приводит к проявлению симптомов болезни. Кроме аммиака и аминокислот, в крови повышается содержание оротовой кислоты. Появление оротата объясняется тем, что избыток карбамоилфосфата проникает из митохондрий в цитоплазму гепатоцитов, где он взаимодействует с аспарагиновой кислотой и приводит к накоплению оротовой кислоты.
22