Physio Ch 6-2 Виведення азоту
2. Виведення азоту
2.1. Вступне загальне
2.2. N2 і деградація білка
2.2.1. Утворення сечовини
2.2.2. Утворення сечової кислоти
2.2.3. Інші маршрути
2.3. N2 та пуринові основи
2.4. Виведення азоту та наявність води
2.1. Вступне загальне
Основними сполуками азоту, що містяться в організмах тварин, є білки, нуклеїнові кислоти та порфірини, що утворюють протетичну групу гемоглобінів, зокрема.
Білки - безумовно найважливіша категорія, принаймні в кількісному вираженні. Як не дивно, але немає жодної форми зберігання азотистих речовин, яка б служила основою для синтезу цих молекул, як, наприклад, для жирних кислот і вуглеводів. Тому білки постійно оновлюються з амінокислот, концентрація яких підтримується на досить низьких рівнях в метаболічній системі, де деградація відіграє важливу роль (див. Нижче, а також рисунок 6-7). У цьому контексті вуглеводневі скелети амінокислот приєднуються до пулу продуктів проміжного метаболізму, тоді як групи NH2 знаходяться переважно у формі аміаку, який тварини, мабуть, погано переносять і який виводиться у різних формах (рис. 6-7).
Пуринові та піримідинові основи з нуклеїнових кислот також можуть давати NH3. Порфірини важливі тим, що вони утворюють протетичну групу гемоглобінів. Як ми вже бачили раніше, азот тут виводиться переважно у формі уробіліну та стеркобіліну (див. 1.3 вище).
Рисунок 6-7: Катаболізм основних сполук азоту (білки, нуклеїнові кислоти, порфірини) та неазотистих (вуглеводів, ліпідів) сполук. АА: амінокислоти.
Токсичність аміаку є однією з основних догм щодо виведення азоту; однак він залишається дуже слабо вивченим. Висувалися різні гіпотези, які, ймовірно, кожна містить елемент істини. Вони включають 1) прямий вплив на концентрації амінокислот та на деякі похідні, такі як глутамат, глутамін та g-аміномасляна кислота, які можуть мати токсичний вплив, зокрема, на нервову систему; 2) вплив рН, аміак - це справді основа, підлужуюча дія якої може впливати на клітинну діяльність; 3) вплив на контроль пулу іонів водню і, отже, на активність мітохондрій. У цьому контексті старі роботи показують, що аміак може також мати роз'єднувальний ефект фосфорилювання у рослин (Крофтс, Дж. Біол., 242, 3352, 1967), ніж у тварин (Brierley and Stoner, Biochem., 9, 708, 1970). Ми могли б також додати ефекти на внутрішньоклітинний іонний баланс, NH4 + є чудовим замінником K + для АТФази, що управляє обмінами Na +/K + мембрани (див. Фізіологію клітин).
2.2. N2 і деградація білка
Першим етапом катаболізму білка є вивільнення складових амінокислот шляхом гідролізу пептидних зв’язків. Потім амінокислоти дезамінуються, а решта вуглеводневих скелетів використовуються в метаболізмі.
Дезамінація може проводитися різними способами. Найголовніше включає послідовність транс-досліджень, під час якої "групи NH2" переносяться з амінокислоти в сполуки-реципієнти, щоб привести або до дезамінування, головним чином глутамату, але також серину, з продукуванням NH4 + і NH3, або до утворення сполук-носіїв груп NH2; головним чином глутамін, але також глутамат, аланін та серин (рис. 6-8). Очевидно, що останній механізм широко поширений серед тетрапод. Як ми побачимо далі (2.4 нижче), аміак, враховуючи його токсичність, зазвичай виробляється лише водними видами або тими, хто має легкий доступ до води. Для інших, хребетних, а також безхребетних, групи NH2 зберігаються на менш токсичних молекулах, сечовині або сечовій кислоті. Доля цих угруповань поки що добре вивчена у хребетних, для чого ми коротко підведемо підсумок ситуації.
Малюнок 6-8: Білковий катаболізм і послідовність транс-обстеження, що призводить до утворення NH 4 + і NH3 або транспортерів метаболітів "груп NH2".
Малюнок 6-9: Використання метаболітних транспортерів груп NH2 у синтезі сечовини та глюкози в печінці. Метаболічні послідовності, включені між сірими лініями, є строго або переважно мітохондріальними, тоді як інші є цитозольними. Існують системи транслокації, які передають метаболіти з одного боку мітохондріальної мембрани на інший (див. Фізіологію клітини).
Частина глутаміну, що виробляється в тканинах, може бути деамідована до глутамату, а потім деамінована до α-етоглутарата в нирках. У цьому контексті він забезпечує аміак, який бере участь у нирковому обміні Na +/NH4 +, та кислотно-лужний баланс крові (пор. Клітинна фізіологія).
2.2.2. Утворення сечової кислоти
У різних видів, зокрема рептилій та птахів, основним кінцевим продуктом метаболізму груп NH2 з білків є не сечовина, а сечова кислота (див. Також 2.4 нижче). Система синтезу ще не дуже чітко визначена. Ці тварини, мабуть, вдаються до низки складних реакцій, пов’язаних із синтезом пуринового ядра (рис. 6-10). Потім це ядро окислюється до сечової кислоти в послідовності деградації пуринових основ (див. 2.3 нижче).
Рисунок 6-10: Синтез сечової кислоти: внесок метаболітів, що транспортують групи NH2. PRPP: 5 - фосфорибозил - 1 - пірофосфат.
Багато наземних безхребетних також синтезують сечову кислоту за системою, яка вважається аналогічною; однак вона залишається в даний час дуже слабо вивченою в даний час.
В іншому випадку тканинні ділянки синтезу сечової кислоти невідомі. У хребцях довгий час вважалося, що цей синтез є прерогативою печінки. Однак здається, що нирки, м'язи, а також мозок та лімфоїдні тканини мають повний ферментативний арсенал, необхідний для його формування.
2.2.3. Інші маршрути
Здається, що дезамінування амінокислот з білків може бути здійснено двома іншими шляхами, ніж трансзамінація, описана вище (рис. Перша система була запропонована в 1971 р. Ловенштейном (Science 171, 397) і передбачає участь AMP та IMP, звідси і назва пуринового нуклеотидного циклу (рис. 6-11). Подальші дослідження показали, що ця система, як видається, обмежена в хребцях певними тканинами ссавців, головним чином м’язами. У безхребетних він може втручатися в гепатопанкреас молюсків.
Малюнок 6-11: Пуриновий нуклеотидний цикл як система дезамінування амінокислот з білків.
Пряме окислення неспецифічним ферментом, амінокислотною оксидазою, також може сприяти дезамінуванню у безхребетних, зокрема.
2.3. N2 та пуринові основи
Пуринові основи, поряд з білками, є ще одним важливим джерелом азотних груп. Вони можуть бути розбиті на ряд сполук, які будуть усунені шляхом виведення. Повна метаболічна послідовність у хребцях переважно печінкова і насправді коливається від пуринових основ, аденіну та гуаніну, до аміаку через сечову кислоту, алантоїн, алантоєву кислоту та сечовину (рис. 6- 12). Тут цікаво відзначити, що деякі ферменти в послідовності зникли з еволюцією, зупиняючи катаболізм пуринових основ на певних рівнях у деяких видів. Таким чином, здається, що уреаза зникла у риби з переходом хребетних до напівземного життя. Це обмежує земноводних, зокрема, виробництвом сечовини. Кажуть, що алантопаза, алантопназа та уриказа зникли при переході від земноводних до плазунів та птахів, а також до приматів, обмежуючи ці види виробництвом сечової кислоти. Інші ссавці зберегли уриказу і, отже, виділяють аллантапін та сечову кислоту.
Рисунок 6-12: Деградація пуринових основ у тварин.
2.4. Виведення азоту та наявність води
Основними формами кінцевих продуктів метаболізму азоту є аміак, сечовина та сечова кислота. Здається, існує дуже чітка взаємозв'язок між основним продуктом, що виділяється організмом, та наявністю води в його середовищі (табл. 6-1). Таким чином, ми класифікували організми в амоніотеліках, урикотилах та урикотилах за основною формою, в якій вони усувають азот: аміак та аміачні солі, сечовина, сечова кислота.
Таблиця 6-1
Основні продукти виведення азоту у різних видів
| Тварина | Азотна сполука | Середовище існування | Середовище ембріона |
| Водні безхребетні | аміак * | водний | водний |
| Дистанційна риба | аміак * | водний | водний |
| Селахи | сечовина | водний | водний |
| Земноводні tкtard дорослий | аміак * сечовина | водний напівземні | водний |
| Ссавці | сечовина | земний | водний |
| Рептилії водні черепахи крокодили | Сечова кислота сечова кислота-сечовина сечова кислота-аміак * | земний водний напівземні | ключове яйце ключове яйце ключове яйце |
| Птахи | сечові кислоти | земний | ключове яйце |
| Наземні безхребетні (комахи, черевоногі молюски) | Сечова кислота | земний | ключове яйце |
Як ми вже повідомляли, аміак є відносно токсичним і використовується лише як продукт виведення груп азоту у водних видів: безхребетних та телостеєвих риб. Це виведення здійснюється нирками, а також зябрами, що забезпечує велику обмінну поверхню і, отже, мінімізує ризик накопичення. При фізіологічних значеннях рН понад 90% аміаку міститься у формі іонів NH4 +. Рухи цих іонів на рівні ниркової та галузевої обмінних поверхонь, судячи з усього, залучають Na +/NH4 + -обмінний транспорт (пор. Клітинна фізіологія). Деякі останні результати вказують на те, що іони амонію, таким чином, можуть виділятися з градієнтом концентрації; що суперечить класичним уявленням, згідно з якими виведення азоту в аміачній формі по суті є дифузійним.
| Рисунок 6-13: Виробництво сечовини в порівнянні з виробництвом аміаку як функція наявності води в середовищі трьох легенів. |
Однак у багатьох наземних видів саме сечова кислота стає основним продуктом виведення азоту. Сечова кислота має перевагу перед сечовиною у тому, що вона може осідати у вигляді різних солей і, отже, її можна виводити за допомогою дуже мало води, навіть зберігати, чекаючи, поки її можна буде вивести. Ця властивість робить сечову кислоту продуктом виведення азоту, що вибирається, зокрема, для пустельних тварин, оскільки у них дуже мало води. Це також робить сечову кислоту єдиною можливою сполукою для наземних тварин, чий ембріональний розвиток відбувається в закритій оболонці, яка мало обмінюється із зовнішнім середовищем (клідопічне яйце).