БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012

Розділ 6. ОБМІН І ФУНКЦІЇ АМІНОКИСЛОТ. БІОСИНТЕЗ БІЛКА

6.5. Обмін аміаку. Орнітиновий цикл

6.5.1. Зв'язування (знешкодження) аміаку

Висока інтенсивність процесів дезамінування амінокислот у тканинах і дуже низький рівень аміаку в крові свідчить про те, що в клітинах активно відбувається зв'язування аміаку з утворенням нетоксичних сполук, які виводяться з організму із сечею. Ці реакції можна вважати реакціями знешкодження аміаку. У різних тканинах і органах виявлено декілька типів таких реакцій.

Основною реакцією зв'язування аміаку, що проходить в усіх тканинах організму, є синтез глутаміну під дією глутамінсинтетази:

Глутамінсинтетаза локалізована в мітохондріях клітин, для роботи ферменту необхідний кофактор - іони Mg²⁺. Глутамінсинтетаза - один з основних регуляторних ферментів обміну амінокислот і алостерично інгібується АМФ, глюкозо-6-фосфатом, а також Глі, Ала та Гіс.

Глутамін легко транспортується через клітинні мембрани шляхом полегшеної дифузії (для глутамату можливий лише активний транспорт) і потрапляє із тканин у кров. Основними тканинами- постачальниками глутаміну є м'язи, мозок і печінка. З кров'ю він транспортується до кишечнику та нирок.

У клітинах кишечнику під дією ферменту глутамінази відбувається гідролітичне вивільнення амідного азоту у вигляді аміаку:

Глутамат, що утворився під час реакції, трансамінується з піруватом. α-Аміноірупа глутамінової кислоти переноситься на піруват з утворенням аланіну (рис. 6.10), велика кількість якого потрапляє з кишечнику в кров ворітної вени й поглинається печінкою. Близько 5 % аміаку, що утворився, видаляється з фекаліями, невелика частина через ворітну вену потрапляє в печінку, інші ~90 % виводяться нирками.

Рис. 6.10. Метаболізм азоту глутаміну в кишечнику

У нирках також відбувається гідроліз глутаміну під дією глутамінази з утворенням аміаку. Цей процес є одним із механізмів регуляції кислотно-лужної рівноваги в організмі та збереження найважливіших катіонів для підтримання осмотичного тиску. Глутаміназа нирок індукується значною мірою при ацидозі. Аміак, що утворився, нейтралізує кислі продукти обміну й у вигляді амонійних солей екскретується з сечею (рис. 6.11). Ця реакція захищає організм від надлишкової втрати іонів Nа⁺ і K⁺, які також можуть використовуватись для виведення аніонів і втрачатись. При алкалозі кількість глутамінази в нирках знижується. У нирках утворюється і виводиться близько 0,5 г солей амонію за добу.

Рис. 6.11. Метаболізм амідного азоту глутаміну в нирках:

А - аніони (Cl ,SO₄^2- ); NH₄А - амонійні солі

Високий рівень глутаміну в крові й легкість його надходження в клітини зумовлює використання глутаміну в багатьох анаболічних процесах. Глутамін - основний донор азоту в організмі. Амідний азот глутаміну використовується для синтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів, аспарагіну, аміноцукрів та інших сполук (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Шляхи використання глутаміну в організмі

Ще однією реакцією знешкодження аміаку в тканинах можна вважати синтез аспарагіну під дією аспарагінсинтетази.

Існують дві ізоформи цього ферменту - глутамінзалежна та аміакзалежна, які використовують різні донори амідних груп. Перша функціонує у тваринних клітинах, друга переважає в бактеріальних, але присутня й у тваринних. Проте такий шлях знешкодження аміаку в клітинах людини використовується рідко й до того ж потребує більших енергетичних витрат (енергія двох макроенергетичних зв'язків), ніж синтез глутаміну.

Найзначніша кількість аміаку знешкоджується в печінці шляхом синтезу сечовини. У першій реакції процесу аміак зв'язується з діоксидом вуглецю з утворенням карбамоїлфосфату, при цьому витрачаються дві молекули АТФ. Реакція відбувається в мітохондріях гепатоцитів під дією ферменту карбамоїлфосфатсинтетази І. Карбамоїлфосфатсинтетаза ІІ локалізована в цитозолі клітин усіх тканин і бере участь у синтезі піридинових нуклеотидів. Потім карбамоїлфосфат включається в орнітиновий цикл і використовується для синтезу сечовини.

У мозку й деяких інших органах може проходити відновне амінування а-кетоглутарату під дією глутаматдегідрогенази, що каталізує зворотну реакцію. Проте цей шлях знешкодження аміаку в тканинах використовується рідко через те, що глутаматдегідрогеназа каталізує переважно реакцію дезамінування глутамату. Хоча, якщо враховувати подальше утворення глутаміну, реакція є вигідною для клітин, тому що сприяє зв'язуванню відразу двох молекул NH3.

Із м'язів і кишечнику надлишок аміаку виводиться переважно у вигляді аланіну. Цей механізм необхідний тому, що активність

глутаматдегідрогенази в м'язах невелика й непряме дезамінування амінокислот малоефективне. Тому в м'язах існує ще один шлях виведення азоту. Утворення аланіну в цих органах можна зобразити такою схемою:

Аміногрупи різних амінокислот за допомогою реакцій транс - амінування переносяться на піруват, основним джерелом якого служить процес окиснення глюкози.

М'язи виділяють особливо багато аланіну за рахунок їхньої великої маси, активного використання глюкози під час фізичної праці, а також тому, що частину енергії вони отримують за рахунок розпаду амінокислот. Аланін, що утворився, потрапляє в печінку, де піддається непрямому дезамінуванню. Аміак, який виділився, знешкоджується, а піруват включається в глюконеогенез. Глюкоза з печінки потрапляє у тканини і там, у процесі гліколізу, знову окиснюється до пірувату (рис. 6.13).

Рис. 6.14. Глюкозоаланіновий цикл.

Утворення аланіну у м'язах, його перенесення в печінку й перенесення глюкози, синтезованої в печінці, назад у м'язи становить глюкозоаланіновий цикл, робота якого поєднана з роботою глюкозолактатного циклу.

Сукупність основних процесів обміну аміаку в організмі зображено на рис. 6.14. Домінуючими ферментами в обміні аміаку служить глутаматдегідрогеназа та глутамінсинтетаза.

Рис. 6.14. Обмін аміаку.

Основне джерело аміаку - амінокислоти. Більша частина утвореного аміаку знешкоджується в орнітиновому циклі в печінці й виділяється у вигляді сечовини. Основною реакцією знешкодження аміаку в тканинах є синтез глутаміну, який потім використовується в анаболічних процесах і для знешкодження речовин у печінці. Ферменти глутаматдегідрогеназа та глутамінсинтетаза є регуляторними й зумовлюють швидкість процесів утворення та знешкодження аміаку