Синтез мочевины, орнитиновый цикл

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. Основным и, возможно, единственным местом синтеза мочевины является печень. Впервые Г. Кребс и К. Гензеляйт в 1932 г. вывели уравнения реакций синтеза мочевины, которые представлены в виде цикла, получившего в литературе название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса. Следует указать, что в биохимии это была первая циклическая система метаболизма, описание которой почти на 5 лет опеределило открытие Г. Кребсом другого метаболического процесса – цикла трикарбоновых кислот. Дальнейшие исследования в основном подтвердили циклический характер биосинтеза мочевины в печени. Благодаря исследованиям Г. Коена, С. Ратнер и сотр. были уточнены промежуточные этапы и ферментные системы, катализирующие образование мочевины.

Таким образом, весь цикл мочевинообразования может быть представлен следующим образом. На первом этапе синтезируется макроэргическое соединение карбамоилфосфат – метаболически активная форма аммиака, используемая в качестве исходного продукта для синтеза пиримидиновых нуклеотидов (соответственно ДНК и РНК) и аргинина (соответственно белка и мочевины):

Мочевина – основной конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выводится избыток азота. Орнитиновый цикл в печени выполняет две функции:

- превращение аминокислот в мочевину, которая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов, главным образом аммиака;

- синтез аргинина и пополнение его фонда в организме.

Рассмотрим цикл мочевины:

Рисунок 34 - Орнитиновый цикл синтеза мочевины в печени

Начинается он с образования карбамоилфосфата в митохондриях, где много АТФ.

1 Образование карбамоилфосфата. Ионы аммония, возникшие в результате окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты, взаимодействуют с гидрокарбонат - анионом и АТФ при участии карбамоилфосфатсинтетазы, образуя карбамоилфосфат, содержащий макроэргическую связь:

О

//

NН₄⁺ + НСО₃^- + 2АТФ → Н₂N – С + 2АДФ + Н₂РО₄^- + Н⁺

\

О ~ Ф

Карбамоилфосфат

2 Получение цитруллина. В матриксе митохондрий карбамоилфосфат конденсируется с аминокислотой орнитином, которая, являясь гомологом лизина, не входит в состав белков. Реакция катализируется орнитинкарбамоилтрансферазой:

Н СОО^- О Н СОО^-

\ / // \ /

С + Н₂N – С → С О + Н₂РО₄^-

₊ / \ ₊ \ ₊ / \ ||

Н₃N (СН₂)₃NН₃ О ~ Ф Н₃N (СН₂)₃NН – С – NН₂

Орнитин Карбамоилфосфат цитруллин

Образующийся цитруллин переходит в цитозоль клеток печени, где и происходят остальные реакции цикла мочевины.

3 Получение аргининосукцината. Замещение карбонильной группы цитруллина на аминогруппу аспартата с образованием гуанидиновой группировки аргининосукцината происходит при участии АТФ и катализируется аргининосукцинатсинтетазой:

Н СОО^- Н СОО^-

\ / \ /

С О + С + АТФ →

₊ / \ || / \

Н₃N (СН₂)₃NН – С – NН₂ Н₃N СН₂СОО^-

Цитруллин аспартат

Н СОО^-

\ / ₊

С Н₂N СН₂СОО^- + Н₂Р₂О₇^2- + АМФ

₊ / \ || |

Н₃N (СН₂)₃NН – С – NН – СНСОО^-

Аргининосукцинат

Реакция эндэргоническая, на протекание первой и третьей реакций цикла расходуется 4 молекулы АТФ.

4 Распад аргининосукцината. Под действием аргининосукцинатлиазы аргининосукцинат экзэргонически расщепляется с образованием аргинина и фумарата:

Н СОО^- Н СОО^- СОО^- Н

\ / ₊ \ / ₊ \ /

С Н₂N СН₂СОО^- → С Н₂N + С = С

₊ / \ || | ₊ / \ || / \

Н₃N (СН₂)₃NН – С – NН – СНСОО^- Н₃N (СН₂)₃NН – С – NН₂ Н СОО^-

Аргининосукцинат Аргинин Фумарат

5 Образование мочевины и регенерация орнитина. Гидролиз аргинина, катализируемый аргиназой, приводит к образованию мочевины и регенерации орнитина. Реакция экзэргонична.

Н СОО^- Н СОО^- NН₂

\ / _{+ +} \ / /

С Н₂N → С + О = С

₊ / \ || ₊ / \ ₊ \

Н₃N (СН₂)₃NН – С – NН₂ Н₃N (СН₂)₃NН₃ NН₂

Аргинин Орнитин Мочевина

Регенерированный орнитин может снова поступать в митохондрии и участвовать в новом обороте цикла мочевины. Образующуюся мочевину кровь переносит из печени в почки, где извлекается из крови и удаляется из организма с мочой.

В орнитиновом цикле расходуется 4 макроэргические связи трех молекул АТФ на каждый оборот цикла. Однако процесс образования мочевины обеспечивает сам себя энергией:

- при регенерации аспартата из фумарата на стадии дегидрирования малата образуется НАДН, который может обеспечить синтез 3 макроэргических связей.

- при окислительном дезаминировании глутамата в разных органах тоже образуется НАДН, который может обеспечить синтез 3 макроэргических связей.

Из приведенных реакций видно, что токсичный аммиак превращается в безвредную мочевину. При этом один из атомов азота мочевины образуется из аммиака, другой – из аспартата.