Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000
Розділ III. МЕТАБОЛІЗМ ОСНОВНИХ КЛАСІВ БІОМОЛЕКУЛ
ГЛАВА 17. МЕТАБОЛІЗМ АМІНОКИСЛОТ I. ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ
17.5. ОБМІН АМІАКУ. БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ
Шляхи утворення аміаку в організмі людини
1. Головним у кількісному відношенні джерелом накопичення аміаку в організмі людини є окислювальне дезамінування амінокислот, тобто білковий катаболізм: азот сечовини — кінцевого азотовмісного продукту деградацію білків — складає близько 90 % всього азоту, що екскретується. Додатковими джерелами ендогенного аміаку є реакції дезамінування біогенних амінів, азотистих основ, які утворюються при катаболізмі нуклеотидів. Значна кількість вільного аміаку всмоктується в кров із системи ворітної вени (v.porta) внаслідок його утворення при катаболізмі азотовмісних біоорганічних сполук (головним чином, білків продуктів харчування) кишковими бактеріями.
2. Утворення аміаку в головному мозку
Основним джерелом утворення аміаку в тканині головного мозку є реакція гідролітичного дезамінування АМФ до інозинмонофосфату (ІМФ), що каталізується ферментом аденозиндезаміназою:
Аміак, що вивільняється, знешкоджується в результаті глутамінсинтетазної реакції, утворюючи з L-глутамату глутамін, який виводиться з головного мозку (див. нижче).
Токсичність аміаку
Аміак є токсичною речовиною, особливо небезпечною для головного мозку; нормальна концентрація вільного аміаку в плазмі крові (у вигляді іону амонію NH4+) незначна, складає 25-40 мкмоль/л (0,4-0,7 мг/л). Надмірне накопичення в організмі аміаку спостерігається при порушенні сечовиноутворювальної функції печінки (вірусні та токсичні гепатити, цирози печінки), азотовидільної функції нирок (гостра або хронічна ниркова недостатність), спадкових (уроджених) гіперамоінієміях, що спричинені генетичними дефектами ферментів синтезу сечовини. Клінічно гіперамоніємія характеризується глибокими порушеннями функції центральної нервової системи, аж до розвитку коматозного стану.
Токсичність аміаку пов’язують із його здатністю порушувати функціонування трикарбонового циклу в мітохондріях нейронів головного мозку внаслідок виведення із ЦТК α-кетоглутарату:
Ця реакція (відновлювальне амінування α-кетоглутарату), яка є НАДФН-залежним оберненням глутуматдегідрогеназної реакції, виводить α-кетоглутарат з пулу метаболітів трикарбонового циклу, що, в підсумковому етапі, знижує активність аеробного окислення глюкози — головного енергетичного джерела головного мозку. Альтернативна теорія нейротоксичності аміаку пов’язує його негативні ефекти з пошкоджувальною дією на нейрони високих концентрацій глутаміну, який утворюється в надмірній кількості з аміаку та L-глутамату (див. нижче).
Механізми знешкодження аміаку
Висока токсичність аміаку призвела до формування в еволюції тваринних організмів спеціальних біохімічних механізмів його знешкодження. Залежно від молекулярної форми, у вигляді якої екскретуються кінцеві продукти азотистого (амінного) катаболізму, існує три типи тваринних організмів:
1) амоніотелічні організми — такі, що виводять амінний азот у вигляді розчинного іону амонію (до них належить більшість хребетних, що мешкають у воді);
2) урикотелічні організми — такі, що виводять амінний азот у вигляді сечової кислоти (птахи, наземні рептилії);
3) уреотелічні організми — основним продуктом знешкодження та екскретування аміаку у яких є сечовина (більшість наземних хребетних, включаючи ссавців, зокрема організм людини).
Біосинтез сечовини відбуваєтья виключно в печінці. Додатковим механізмом детоксикації аміаку у місцях утворення є його зв’язування у формі глутаміну за участю глутамінсинтетази.
Біосинтез сечовини
Згідно з дослідженнями Г. Кребса (H. Krebs) та К. Хензелайта (K. Henseleit) (1932), синтез сечовини відбувається з аміаку та вугільної кислоти в результаті циклічного процесу, в якому каталітичну роль відіграють амінокислоти аргінін, орнітин та цитрулін (орнітиновий цикл Кребса-Хензелайта):
Як випливає з наступного, джерелами двох аміногруп, що використовуються для утворення молекули сечовини, є аміак, який вивільняється при окислювальному дезамінуванні L-глутамату, та аміногрупа амінокислоти L-аспартату.
Ферментативні реакції синтезу сечовини
1. Утворення з аміаку та діоксиду вуглецю за участю АТФ карбамоїлфосфату:
Реакція каталізується карбамоїлфосфатсинтетазою. Джерелом аміногрупи (у вигляді молекули аміаку) є глутаматдегідрогеназна реакція.
2. Перенесення карбамоїльної групи на орнітин з утворенням цитруліну (фермент — орнітин-карбамоїлтрансфераза):
3. Акцептування другої аміногрупи шляхом взаємодії цитруліну з L-аспартатом (фермент — аргініно-сукцинатсинтетаза):
4. Розщеплення аргініносукцинату при дії ферменту аргініно-сукцинатліази; продуктами реакції є аргінін — безпосередній попередник сечовини та фумарат:
5. Гідроліз аргініну при дії ферменту аргінази з утворенням сечовини та регенерацією орнітину (завершення метаболічного циклу):
Фумарат, що утворюється в аргініно-сукцинатліазній реакції (4), є субстратом трикарбонового циклу і може перетворюватися до малату та оксалоацетату; оксалоацетат, у свою чергу, здатен в реакції трансамінування утворювати аспартат — донор другої аміногрупи в молекулі сечовини:
Метаболічний цикл синтезу сечовини.
Генетичні дефекти ферментів синтезу сечовини
Існують спадкові ензимопатії, спричинені повним або частковим дефектом утворення в печінці окремих ферментів циклу сечовиноутворення. Найбільш важкими клінічними проявами характеризуються порушення синтезу карбамоїлфосфатсинтетази та орнітинкарбамоїлтрансферази. Діти з такими генетичними дефектами страждають вираженою енцефалопатією, прояви якої дещо послаблюються в умовах повного виключення споживання харчових білків.
Транспорт аміаку в печінку
Молекулярними формами транспорту аміаку з органів і тканин, де він утворюється (м’язів, головного мозку, кишечника тощо), є глутамін (амід глутамінової кислоти) та аланін. Концентрація глутаміну та аланіну в плазмі крові людини значно перевищує вміст інших амінокислот.
Глутамін — синтезується з L-глутамату в АТФ-залежній реакції, що каталізується глутамінсинтетазою:
Синтез глутаміну в найбільшій мірі відбувається в клітинах головного мозку (де глутамінсинтетазна реакція є основним механізмом знешкодження аміаку) та м’язів. Із цих та інших органів амід з током крові надходить у кишечник, печінку та нирки:
(1) клітини кишечника поглинають найбільшу кількість глутаміну крові; в цьому органі глутамін (за рахунок реакцій трансамінування) перетворюється в аланін, який, у свою чергу, виходить у кров і захоплюється гепатоцитами; в клітинах печінки вуглецевий скелет аланіну використовується в процесі глюконеогенезу (глюкозо-аланіновий цикл), а аміногрупа — в синтезі сечовини;
(2) в печінці глутамін розщеплюється до L-глутамату та аміаку при дії ферменту глутамінази:
Аміак, що вивільняється, включається в реакції синтезу сечовини.
(3) в нирках — глутаміназна реакція є основним джерелом утворення іону амонію (NH4+), який екскретується з сечею в кількості близько 0,5 г на добу. Синтез глутамінази в клітинах епітелію ниркових канальців стимулюється в умовах ацидозу, становлячи механізм нейтралізації та екскреції з організму надлишкових кислих еквівалентів:
Аланін — утворюється переважно в м’язах у реакціях трансамінування з іншими амінокислотами і відіграє основну роль в транспортуванні його в печінку; клітини печінки поглинають найбільшу кількість аланіну крові, використовуючи цю амінокислоту в реакціях глюконеогенезу та синтезу сечовини.