Цикл сечовини - біохімічний цикл

Розпад білків

В рамках постійного розщеплення та накопичення структурних білків в організмі постійно накопичуються вільні амінокислоти, які організм може або використовувати повторно для синтезу нових білків, або розщеплювати їх. Аміногрупу можна відокремити від відповідної амінокислоти двома способами. Перенесення аміногрупи в α-кетокислоту, яка потім стає амінокислотою, є більш поширеним явищем. Це відомо як Трансамінація. Це набагато рідше Дезамінація, виділення аміногрупи у вигляді аміаку (NH3). Будь-яке трансамінування потрібно Піридоксальфосфат (PALP) як кофактор (кофермент). Це активна форма вітаміну В6, який часто грає роль у реакціях амінокислотного обміну.

Транспорт азоту в крові

Через процес Трансамінація На периферії, переважно клітинах скелетних м’язів, атоми азоту зв’язані з амінокислотами у формі аміногрупи. Потім вони можуть потрапити в кров і дістатися до печінки. Тут особливо підходять амінокислоти, синтез яких може відбуватися з проміжних продуктів основних метаболічних шляхів, наприклад, цитратного циклу.

Це центральна амінокислота в транспорті азоту Глутамат, який виробляється в периферичних клітинах організму шляхом перенесення аміногрупи в α-кетоглутарат. Потім він служить субстратом для трансамінування або може зайняти іншу аміногрупу, а потім використовується як Глютамін виділяється в кров. В організмі людини глютамін є амінокислотою з найвищою концентрацією в плазмі крові і в основному використовується для транспортування азоту до нирок, а також до печінки. У нирках глутамін фактично розщеплюється, утворюючи аміак. Однак тут він служить для нейтралізації кислот навколо сечі і виділяється в області проксимальних канальців.

Іншим представником цих амінокислот є Аланін. Він являє собою найважливіший механізм транспорту азоту від скелетних м’язів до печінки.Аланін утворюється в периферичних клітинах шляхом перенесення глутамату своєї аміногрупи в піруват. Потім аланін використовується в клітині печінки для утворення аспартату з оксалоацетату. Після вивільнення аміногрупи залишається піруват, який потім може метаболізуватися в мітохондріях або надходити на глюконеогенез. В останньому випадку, якщо глюкоза потрапляє назад у м’язи, де окислюється до пірувату, створюється цикл. Тут також йдеться про Цикл аланіну.

сечовина є продуктом циклу сечовини і викидається в кров печінкою. Це водорозчинна речовина, що містить два атоми азоту. Поряд з глутаміном, це найважливіша молекула в транспорті азоту в крові.

Цикл сечовини в печінці

Фактичний цикл сечовини у людини відбувається виключно в печінці. Якщо атоми азоту досягають печінки через аміногрупи трьох амінокислот, описаних вище, через кров, вони можуть зв’язуватися там у формі сечовини з легко виводимим кінцевим продуктом. Це надзвичайно важливо, оскільки запобігає утворенню аміаку (NH3), який має особливо нейротоксичну дію. Реакції циклу сечовини відбуваються в гепатоцитах печінки, перші два з них в межах мітохондрії, тобто інтрамітохондріально, а наступні - в цитозолі клітини. Далі наведено огляд окремих етапів реакції циклу сечовини, які найкраще зрозуміти за допомогою схематичного зображення циклу.

Зображення: “Цикл сечовини” Філа Шаца. Ліцензія: CC BY 4.0

Етапи реакції циклу сечовини

1. Утворення карбамілфосфату (мітохондрія)

Каталізується ферментом Карбамоїлфосфатсинтетаза 1 Молекула створюється в матриці мітохондрій з аміаку (NH3) та CO2 Карбамоїлфосфат. Ця реакція кардіостимулятора на цикл сечовини споживає дві молекули АТФ. Отже, перший атом азоту в сечовині походить з аміаку, що утворюється під час розщеплення амінокислот або пуринових основ. Карбамілфосфат, що утворюється, є сильно полярним, тому він не може проходити через мітохондріальну мембрану.

2. Утворення цитруліну (мітохондрія)

На другій стадії реакції карбамоїльний залишок карбамоїлфосфату переноситься в амінокислоту орнітин. Ця амінокислота не є протеїногенною, тому організм не використовує її для синтезу білків. У цій реакції, здійсненої Орнітин карбамоїлтрансфераза каталізується, виникає Цитрулін. Цитрулін також не є протеїногенним, і на цьому етапі залишається фосфат. Цитрулін повинен перетнути мітохондріальну мембрану для наступного етапу реакції, щоб потрапити в цитозоль гепатоциту. Це опосередковується транслокатором у мембрані, який обмінює цитрулін та орнітин у антипорту.

3. Утворення аргініносукцинату (цитозолю)

Наступна реакція відбувається в цитозолі, в Аргініносукцинат синтезується з цитруліну та аспартату. Аспартат містить аміногрупу, яка зв'язується з цитруліном. Тут другий атом азоту потрапляє в цикл сечовини. Цей фермент відповідає за це Аргініносукцинатсинтетаза. Для реакції потрібна енергія, яка надходить від гідролізу АТФ до АМФ. Отже, тут два високоенергетичні зв’язки розділені.

4. Розщеплення аргініносукцинату на аргінін та фумарат (цитозоль)

Потім аргініносукцинат використовується Аргініносукцинатна ліаза каталізує до протеїногенної амінокислоти Аргінін і розщеплений фумарат. Подальше використання побічного продукту фумарату буде пояснено пізніше.

5. Гідроліз аргініну (цитозолю)

В останній реакції циклу сечовини аргінін вивільняється з Аргіназа гідролізується і відщеплює всю групу сечовини. Це створює і те, і інше сечовина, а також амінокислота орнітин, яка направляється назад у матрикс мітохондрій через мітохондріальну мембрану в обмін на цитрулін. Там він знову доступний для другого етапу реакції, так що цикл циклу сечовини в цій точці закривається. Отримана молекула сечовини викидається в кров гепатоцитами за допомогою спеціальних транспортних білків у клітинній мембрані.

Регенерація фумарату

Як частина циклу сечовини, аргініносукцинат утворюється в цитозолі гепатоциту при розщепленні аргініносукцинату Фумарат. Згодом це називають ферменти Фумараза і малатдегідрогенази через проміжний етап Малате до Оксалоацетат перетворений. Навіть якщо ці етапи відбуваються також у цитратному циклі, слід враховувати, що ці реакції відбуваються в цитозолі. Оксалоацетат може бути трансамінований назад в аспартат як субстрат, так що і тут відбувається метаболічний цикл. Це відомо як Аспартатний цикл. Оскільки фумарат також є проміжним продуктом Цикл лимонної кислоти тобто, це також можна контрабандою.

Енергетичний баланс циклу сечовини

Синтез сечовини - це порівняно енергоємний процес, який організм приймає для безпечного виведення азоту. Перш за все, це означає, що рівень аміаку в плазмі крові є якомога нижчим. Зокрема, у циклі сечовини є два етапи реакції, в яких енергія вимагається від розщеплення високоенергетичних зв’язків. Карбамоїлфосфатсинтетаза 1 в мітохондрії потрібно 2 молекули АТФ, які гідролізуються до АДФ. У цитозолі споживається Аргініносукцинатсинтетаза лише 1 молекула АТФ, яка, однак, двічі гідролізується до АМФ і пірофосфату. Пірофосфат дуже швидко перетворюється на 2 молекули фосфату в цитозолі. Загалом цикл сечовини містить 3 молекули АТФ і розщеплення 4 багатих енергією зв’язків.

Регулювання циклу сечовини

Реакція кардіостимулятора, що визначає синтез сечовини, є реакцією Карбамоїлфосфатсинтетаза 1 каталізується перша реакція циклу сечовини. Фермент виробляється шляхом алостеричного зв'язування N-ацетилглутамат. Ця молекула збільшується в кількості пропорційно концентрації глутамату та ацетил-КоА. Це суттєва кореляція, оскільки висока концентрація глутамату відображає велику кількість субстрату та ацетил-КоА достатню кількість енергетично багатих речовин. Якщо обидві умови дотримані, печінка відповідно збільшує синтез сечовини.

Виведення сечовини

Печінка виробляє близько 30 г сечовини щодня через цикл сечовини і виділяє її в кров. Це значення може бути значно вищим або меншим, залежно від вмісту білка в їжі, оскільки організм розщеплює лише надлишок амінокислот. Сечовина добре розчиняється у воді і, таким чином, може дійти до нирок у розчиненому вигляді через циркуляцію, де вона виводиться із сечею. Сечовина становить найбільшу частку азотовмісних сполук у сечі.

Оскільки сечовина гломерулярно фільтрується нирками і частково реабсорбується, це підходящий лабораторний медичний параметр для роботи нирок. Концентрація сечовини в крові є однією з так званих Параметри затримки нирок, які, крім усього іншого, демонструють підвищені значення при порушенні функції нирок Це також відомо, коли нормальні показники з різними клінічними симптомами перевищуються Уремія. Однак слід враховувати коливання при зміненому споживанні білка, що може зробити параметр ненадійним.

Порушення циклу сечовини

Коли порушується фізіологічне функціонування циклу сечовини в печінці, це призводить до накопичення аміаку в крові. Цей підвищений рівень плазми (> 250 мкг/дл) аміаку або амонію, іонізованої форми аміаку, відомий як Гіперамонемія. Залежно від перебігу та віку прояву нейротоксичний аміак розгортає шкідливий вплив на мозок і може призвести до різноманітних неврологічних симптомів, незворотних пошкоджень мозку і, зрештою, смерті. Патофізіологічно це, мабуть, пов’язано з набряком астроцитів внаслідок підвищення рівня глютаміну та утвореного набряком мозку. Причинами є здебільшого набуте або вроджене порушення функції печінки.

Дефекти циклу сечовини

Можливою причиною недостатньої функції циклу печінкової сечовини є дефект одного з каталізуючих ферментів. Описано наступні 6 відомих ферментних дефектів:

Уражений фермент	Дефект ферменту
Синтетаза карбамоїлфосфату I.	Дефіцит СПС
N-ацетилглутаматсинтетаза	Дефіцит НАГС
Орнітин-транскарбамілаза	Дефіцит позабіржового ринку
Аргініносукцинатсинтаза	Дефіцит ASA (цитрулінемія I типу)
Аргініносукцинатна ліаза	Дефіцит ASL (хвороба янтарної кислоти аргініну)
Дефіцит аргінази-1	Гіпераргінінемія

Всі ці порушення обміну речовин успадковуються як аутосомно-рецесивний ознака, за винятком дефіциту OTC, який рецесивно успадковується через Х-хромосому. Захворюваність у Сполучених Штатах становить приблизно 1 на 8000. Вік початку може коливатися в широких межах і виникати на кожному етапі життя. Особливо гострі курси у новонароджених дуже небезпечні для життя. У старшому підлітковому віці та у дорослих поширені дифузні неврологічні симптоми, такі як головний біль, погана концентрація уваги, тремор рук («тремтіння, що плескається»), блювота та млявість. Якщо їх не лікувати, ці дефекти ферментів можуть призвести до розумової відсталості та смерті.

Діагноз заснований на високому рівні аміаку в плазмі, підтвердженому лабораторною медициною, і може бути доповнений генетичними тестами. Гостре лікування часто складається з діурезу; в довгостроковій перспективі важливо забезпечити дієту з низьким вмістом білка або азотом. Єдиний лікувальний варіант - трансплантація печінки.

Цироз печінки

Ще однією поширеною причиною є погіршена втрата функції печінки, наприклад через цироз печінки. Нестача печінки детоксикаційної здатності призводить до підвищення рівня аміаку. Якщо виникають неврологічні симптоми, можна говорити про них печінкова енцефалопатія. Залежно від клінічного прояву це поділяється на 1-4 ступінь, а ступінь 4 відповідає комі (coma hepaticum). Терапевтично можна застосовувати різні заходи, щоб спробувати знизити концентрацію аміаку в крові, але єдиним лікувальним варіантом у разі запущеного цирозу печінки є трансплантація печінки.

набрякати

Rassow et al: Duale series Biochemie, Thieme Verlag, 2nd edition

Löffler, Petrides: Biochemistry and Pathobiochemistry, Springer Verlag, 9-е видання

Кірхнер, Мюльхаусер: BASICS Biochemie, Elsevier Verlag

MEDI-LEARN: Біохімія, 4-е видання

Рішення питань: 1С 2Е 3В