За да може човешкото тяло да поддържа нормален живот, то е разработило механизми за елиминиране на токсичните вещества. Сред тях амонякът е краен продукт от метаболизма на азотните съединения, предимно протеини. NH3 е токсичен за тялото и като всяка отрова се отделя през отделителната система. Но преди амонякът да претърпи серия от последователни реакции, които се наричат орнитин цикъл.
Видове азотен метаболизъм
Не всички животни отделят амоняк в околната среда. Алтернативни крайни вещества на азотния метаболизъм са пикочната киселина и уреята. Съответно се наричат три вида азотен метаболизъм в зависимост от освободеното вещество.
Амониотелен тип. Крайният продукт тук е амоняк. Това е безцветен газ, разтворим във вода. Амониотелият е характерен за всички риби, които живеят в солена вода.
Уреотеличен тип. Животните, които се характеризират с уреотелия, отделят урея в околната среда. Примерите сасладководни риби, земноводни и бозайници, включително хора.
Урикотеличен тип. Това включва онези представители на животинския свят, в които крайният метаболит са кристали на пикочната киселина. Това вещество като продукт на азотния метаболизъм се намира в птици и влечуги.
Във всеки от тези случаи задачата на крайния продукт на метаболизма е да отстрани ненужния азот от тялото. Ако това не се случи, се наблюдава клетъчно облагане и инхибиране на важни реакции.
Какво е урея?
Уреята е амид на въглеродната киселина. Образува се от амоняк, въглероден диоксид, азот и аминогрупи на определени вещества по време на реакциите на орнитиновия цикъл. Уреята е отделителен продукт на уреотелни животни, включително хора.
Уреята е един от начините за отделяне на излишния азот от тялото. Образуването на това вещество има защитна функция, т.к. прекурсор на урея - амоняк, токсичен за човешките клетки.
При обработка на 100 g протеин от различно естество, 20-25 g урея се отделя с урината. Веществото се синтезира в черния дроб, а след това с кръвния поток навлиза в нефрона на бъбрека и се отделя заедно с урината.
Черният дроб е основният орган за синтеза на урея
В цялото човешко тяло няма такава клетка, в която да присъстват абсолютно всички ензими от орнитиновия цикъл. С изключение на хепатоцитите, разбира се. Функцията на чернодробните клетки е не само да синтезират и унищожават хемоглобина, но и да осъществяват всички реакции на синтеза на урея.
ПодОписанието на орнитиновия цикъл отговаря на факта, че това е единственият начин за отстраняване на азота от тялото. Ако на практика синтезът или действието на основните ензими се инхибира, синтезът на урея ще спре и тялото ще умре от излишък на амоняк в кръвта.
Орнитинов цикъл. Биохимия на реакциите
Цикълът на синтез на урея протича на няколко етапа. Общата схема на орнитиновия цикъл е представена по-долу (снимка), така че ще анализираме всяка реакция поотделно. Първите два етапа се извършват директно в митохондриите на чернодробните клетки.
NH3 реагира с въглероден диоксид, използвайки две молекули АТФ. В резултат на тази енергоемка реакция се образува карбамоил фосфат, който съдържа макроергична връзка. Този процес се катализира от ензима карбамоил фосфат синтетаза.
Карбамоил фосфатът реагира с орнитин чрез ензима орнитин карбамоил трансфераза. В резултат на това високоенергийната връзка се разрушава и поради енергията му се образува цитрулин.
Третият и следващите етапи се извършват не в митохондриите, а в цитоплазмата на хепатоцитите.
Има реакция между цитрулин и аспартат. С консумацията на 1 АТФ молекула и под действието на ензима аргинин-сукцинат синтаза се образува аргинин-сукцинат.
Аргинино-сукцинат, заедно с ензима аргинино-сукцин-лиаза, се разгражда до аргинин и фумарат.
Аргининът в присъствието на вода и под действието на аргиназа се разгражда до орнитин (1 реакция) и урея (краен продукт). Цикълът е завършен.
Енергия на цикъла на синтез на урея
Цикълът на орнитина е енергоемък процес, при който се изразходват макроергичните връзки на молекулите на аденозин трифосфат (АТФ). По време на всичките 5 реакции се образуват общо 3 ADP молекули. Освен това енергията се изразходва за транспортиране на вещества от митохондриите до цитоплазмата и обратно. Откъде идва ATP?
Фумарат, който се образува в четвъртата реакция, може да се използва като субстрат в цикъла на трикарбоксилната киселина. По време на синтеза на малат от фумарат се освобождава NADPH, което води до 3 ATP молекули.
Реакцията на дезаминиране на глутамата също играе роля в снабдяването на чернодробните клетки с енергия. В същото време се освобождават и 3 АТФ молекули, които се използват за синтеза на урея.
Регулиране на активността на орнитиновия цикъл
Обикновено каскадата от реакции на синтез на урея функционира при 60% от възможната си стойност. При повишено съдържание на протеин в храната реакциите се ускоряват, което води до повишаване на общата ефективност. Метаболитни нарушения на орнитиновия цикъл се наблюдават при голямо физическо натоварване и продължително гладуване, когато тялото започва да разгражда собствените си протеини.
Регулирането на орнитиновия цикъл може да се случи и на биохимично ниво. Тук целта е основният ензим карбамоил фосфат синтетаза. Неговият алостеричен активатор е N-ацетил-глутамат. С високото си съдържание в организма, реакциите на синтез на урея протичат нормално. С липса на самото вещество или неговпрекурсори, глутамат и ацетил-КоА, орнитиновият цикъл губи своето функционално натоварване.
Връзка между цикъла на синтез на урея и цикъла на Кребс
Реакциите на двата процеса протичат в митохондриалния матрикс. Това прави възможно някои органични вещества да участват в два биохимични процеса.
CO2 и аденозин трифосфат, които се образуват в цикъла на лимонената киселина, са предшественици на карбамоил фосфат. ATP е и най-важният източник на енергия.
Орнитиновият цикъл, чиито реакции протичат в чернодробните хепатоцити, е източник на фумарат, един от най-важните субстрати в цикъла на Кребс. Освен това, това вещество в резултат на няколко стъпаловидни реакции води до аспартат, който от своя страна се използва в биосинтеза на орнитиновия цикъл. Фумаратната реакция е източник на NADP, който може да се използва за фосфорилиране на ADP до ATP.
Биологично значение на орнитиновия цикъл
Огромното мнозинство от азота влиза в тялото като част от протеини. В процеса на метаболизма аминокиселините се разрушават, амонякът се образува като краен продукт на метаболитните процеси. Орнитиновият цикъл се състои от няколко последователни реакции, чиято основна задача е да детоксикират NH3 чрез превръщането му в урея. Уреята от своя страна навлиза в нефрона на бъбрека и се отделя от тялото с урината.
В допълнение, страничният продукт от орнитиновия цикъл е източник на аргинин, една от незаменимите аминокиселини.
Нарушения в синтезауреята може да доведе до заболяване като хиперамонемия. Тази патология се характеризира с повишена концентрация на амониеви йони NH4+ в човешката кръв. Тези йони влияят неблагоприятно върху живота на тялото, като изключват или забавят някои важни процеси. Пренебрегването на това заболяване може да доведе до смърт.
