Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Окислительное расщепление аминокислот. Цикл мочевины
Цикл мочевины включает ряд сложных стадий

Познакомимся теперь с современными представлениями о последовательных стадиях цикла мочевины (рис. 19-18). Первая аминогруппа, поступающая в этот цикл, получается в виде свободного аммиака при окислительном дезаминировании глутамата в митохондриях клеток печени; эта реакция катализируется глутаматдегидрогеназой, для действия которой требуется NAD⁺

Рис. 19-18. Цикл мочевины (показан красным) согласно современным представлениям. Здесь показаны также пути включения аминогрупп в цикл. Обратите внимание, что ферменты, катализирующие реакции цикла мочевины, распределены между митохондриями и цитозолем и таким путем осуществляют метаболическое взаимодействие. Одна аминогруппа поступает в цикл мочевины в митохондриях; вторую поставляет аспартат из цитозоля.

Образовавшийся свободный аммиак вместе с двуокисью углерода, источником которой служит в митохондриях процесс дыхания, немедленно же используется для образования карбамоилфосфата в ATP-зависимой реакции, протекающей в митохондриальном матриксе. Эту реакцию катализирует фермент, называемый карбамоилфосфат-синтетазой I. Римская цифра I добавлена к его названию для того, чтобы отличать эту митохондриальную форму фермента от его цитозольной формы - карбамоилфосфат-синтетазы II. У этой последней другая функция - она участвует в биосинтезе нуклеотидов (гл. 22). Реакция, протекающая в митохондриях, описывается уравнением.

Карбамоилфосфат-синтетаза I представляет собой регуляторный фермент; положительным, или активирующим, модулятором служит для нее N-ацетилглутамат. Карбамоилфосфат (рис. 19-19) принадлежит к высокоэнергетическим соединениям; его можно считать активированным донором карбамоильных групп. Отметим, что при образовании одной молекулы карбамоилфосфата используются концевые фосфатные группы двух молекул АТР.

На следующей стадии цикла мочевины карбамоилфосфат передает свою карбамоильную группу на орнитин, что приводит к образованию цитруллина и высвобождению фосфата (рис. 19-20). Эта реакция катализируется Mg²⁺-зависимым митохондриальным ферментом, который носит название орнитин-транс-карбамоилазы

Рис. 19-19. Карбамоилфосфат. Он представляет собой ацилфосфат смешанный ангидрид карбоновой и фосфорной кислот. Вследствие этого он является высокоэнергетическим соединением. Карбамоильная группа выделена красным.

Рис. 19-20. Образование цитруллина из орнитина из карбамоилфосфата. Включившаяся карбамоильная группа выделена красным.

Образовавшийся цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток печени.

Теперь в цикл вводится вторая аминогруппа в форме L-аспартата, который образуется в результате трансаминирования из L-глутамата под действием аспартат-трансаминазы

L-глутамат может, разумеется, получить свою аминогруппу почти от любой из других обычных аминокислот в реакции трансаминирования с а-кетоглутаратом. Перенос второй аминогруппы на цитруллин происходит в результате реакции конденсации между аминогруппой аспартата и карбонильными углеродом цитруллина в присутствии АТР; при этом образуется аргининосукцинат (рис. 19-21). Реакция катализируется аргининосукцинат-синтетазой (Mg²⁺-зависимым ферментом, содержащимся в цитозоле клеток печени)

На следующей стадии аргининосукцинат под действием аргининосукцинат лиазы (рис. 19-22) обратимо расщепляется с образованием аргинина и фумарата

Образовавшийся фумарат возвращается в пул промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. Следовательно, эта реакция представляет собой звено, связывающее цикл мочевины с циклом лимонной кислоты (поэтому оба эти цикла вместе называют иногда бициклом Кребса).

Последнюю стадию цикла мочевины составляет расщепление аргинина под действием аргиназы, содержащейся в печени; продуктами этой реакции являются мочевина и орнитин (рис. 19-23)

Таким образом, регенерированный орнитин может снова поступать в митохондрии и запускать здесь новый оборот цикла мочевины.

Рис. 19-21. Образование аргининосукцината. Карбамоильная группа цитруллина и аминогруппа, поставляемая аспартатом, выделены красным. Остальная часть молекулы аспартата показана на сером фоне.

Суммарное уравнение цикла мочевины имеет вид

В цикле мочевины две аминогруппы и ион HCO^-₃, соединяясь, образуют молекулу мочевины, которая диффундирует из клеток печени в кровь и через почки выводится из организма с мочой. Таким образом, в организме уреотелических животных токсичный аммиак превращается в безвредную мочевину.

Рис. 19-22. Образование аргинина из аргининосукцината.

Рис. 19-23. Образование мочевины в реакции, катализируемой аргиназой.

Отметим, что на каждую образующуюся молекулу мочевины потребляется один ион HCO^-₃. Цикл мочевины позволяет, следовательно, организму избавляться от двух продуктов, представляющих собой отходы метаболизма,- от аммиака и бикарбоната. Этот факт дает также основания считать, что цикл мочевины принимает участие в регулировании pH крови, поскольку величина pH крови определяется соотношением растворенной СО₂ и HCO^-₃ (разд. 4.11).