Aby organizm ludzki mógł prowadzić normalne życie, opracował mechanizmy eliminacji substancji toksycznych. Wśród nich amoniak jest końcowym produktem metabolizmu związków azotowych, przede wszystkim białek. NH3 jest toksyczny dla organizmu i, jak każda trucizna, jest wydalany przez system wydalniczy. Ale zanim amoniak przejdzie szereg następujących po sobie reakcji, co nazywa się cyklem ornityny.
Rodzaje metabolizmu azotu
Nie wszystkie zwierzęta uwalniają amoniak do środowiska. Alternatywnymi końcowymi substancjami metabolizmu azotu są kwas moczowy i mocznik. W związku z tym nazywa się trzy rodzaje metabolizmu azotu, w zależności od uwalnianej substancji.
Typ amonioteliczny. Produktem końcowym jest tutaj amoniak. Jest bezbarwnym gazem rozpuszczalnym w wodzie. Amoniotelia jest charakterystyczna dla wszystkich ryb żyjących w słonej wodzie.
Typ ureoteliczny. Zwierzęta charakteryzujące się ureotelią uwalniają mocznik do środowiska. Przykłady toryby słodkowodne, płazy i ssaki, w tym ludzie.
Typ uricoteliczny. Obejmuje to przedstawicieli świata zwierząt, w których końcowym metabolitem są kryształy kwasu moczowego. Substancja ta jako produkt metabolizmu azotu występuje u ptaków i gadów.
W każdym z tych przypadków zadaniem końcowego produktu metabolizmu jest usunięcie z organizmu niepotrzebnego azotu. Jeśli tak się nie stanie, obserwuje się opodatkowanie komórek i hamowanie ważnych reakcji.
Co to jest mocznik?
Mocznik to amid kwasu węglowego. Powstaje z amoniaku, dwutlenku węgla, azotu i grup aminowych niektórych substancji podczas reakcji cyklu ornityny. Mocznik jest produktem wydalniczym zwierząt ureotelicznych, w tym ludzi.
Mocznik to jeden ze sposobów wydalania nadmiaru azotu z organizmu. Powstawanie tej substancji ma funkcję ochronną, ponieważ. prekursor mocznika - amoniak, toksyczny dla komórek ludzkich.
Podczas przetwarzania 100 g białka różnego rodzaju, 20-25 g mocznika jest wydalane z moczem. Substancja jest syntetyzowana w wątrobie, a następnie wraz z przepływem krwi dostaje się do nefronu nerki i jest wydalana wraz z moczem.
Wątroba jest głównym organem do syntezy mocznika
W całym ludzkim ciele nie ma takiej komórki, w której będą obecne absolutnie wszystkie enzymy cyklu ornityny. Oczywiście z wyjątkiem hepatocytów. Funkcją komórek wątroby jest nie tylko synteza i niszczenie hemoglobiny, ale także przeprowadzanie wszystkich reakcji syntezy mocznika.
PodOpis cyklu ornityny pasuje do faktu, że jest to jedyny sposób na usunięcie azotu z organizmu. Jeśli w praktyce synteza lub działanie głównych enzymów zostanie zahamowane, synteza mocznika zatrzyma się, a organizm umrze z powodu nadmiaru amoniaku we krwi.
Cykl ornityny. Biochemia reakcji
Cykl syntezy mocznika przebiega w kilku etapach. Ogólny schemat cyklu ornityny przedstawiono poniżej (rysunek), dlatego każdą reakcję przeanalizujemy osobno. Pierwsze dwa etapy zachodzą bezpośrednio w mitochondriach komórek wątroby.
NH3 reaguje z dwutlenkiem węgla przy użyciu dwóch cząsteczek ATP. W wyniku tej energochłonnej reakcji powstaje fosforan karbamoilu, który zawiera wiązanie makroergiczne. Proces ten jest katalizowany przez enzym syntetazę fosforanu karbamoilu.
Fosforan karbamoilu reaguje z ornityną przez enzym transferazę karbamoilową ornityny. W rezultacie wiązanie wysokoenergetyczne zostaje zniszczone, a pod wpływem jej energii powstaje cytrulina.
Trzeci i kolejne etapy mają miejsce nie w mitochondriach, ale w cytoplazmie hepatocytów.
Zachodzi reakcja między cytruliną a asparaginianem. Wraz ze zużyciem 1 cząsteczki ATP i pod wpływem enzymu syntazy argininy-bursztynianu powstaje bursztynian argininy.
Arginino-bursztynian wraz z enzymem arginino-sukcyn-liazy rozkłada się na argininę i fumaran.
Arginina w obecności wody i pod wpływem arginazy rozkłada się na ornitynę (1 reakcja) i mocznik (produkt końcowy). Cykl jest zakończony.
Energia cyklu syntezy mocznika
Cykl ornityny to energochłonny proces, w którym zużywane są wiązania makroergiczne cząsteczek adenozynotrifosforanu (ATP). Podczas wszystkich 5 reakcji tworzą się łącznie 3 cząsteczki ADP. Ponadto energia zużywana jest na transport substancji z mitochondriów do cytoplazmy i odwrotnie. Skąd pochodzi ATP?
Fumaran, który powstał w czwartej reakcji, może być użyty jako substrat w cyklu kwasów trikarboksylowych. Podczas syntezy jabłczanu z fumaranu uwalniany jest NADPH, w wyniku czego powstają 3 cząsteczki ATP.
Reakcja deaminacji glutaminianu odgrywa również rolę w dostarczaniu energii komórkom wątroby. Jednocześnie uwalniane są również 3 cząsteczki ATP, które są wykorzystywane do syntezy mocznika.
Regulacja aktywności cyklu ornityny
Normalnie kaskada reakcji syntezy mocznika działa przy 60% jej możliwej wartości. Przy zwiększonej zawartości białka w pożywieniu reakcje ulegają przyspieszeniu, co prowadzi do wzrostu ogólnej wydajności. Zaburzenia metaboliczne cyklu ornityny obserwuje się podczas dużego wysiłku fizycznego i długotrwałego postu, kiedy organizm zaczyna rozkładać własne białka.
Regulacja cyklu ornityny może również zachodzić na poziomie biochemicznym. Tutaj celem jest główny enzym syntetaza fosforanu karbamoilu. Jego allosterycznym aktywatorem jest N-acetylo-glutaminian. Dzięki wysokiej zawartości w organizmie reakcje syntezy mocznika przebiegają normalnie. Z brakiem samej substancji lub jejprekursorów, glutaminianu i acetylo-CoA, cykl ornityny traci swoje funkcjonalne obciążenie.
Związek między cyklem syntezy mocznika a cyklem Krebsa
Reakcje obu procesów zachodzą w macierzy mitochondrialnej. Dzięki temu niektóre substancje organiczne mogą uczestniczyć w dwóch procesach biochemicznych.
CO2 i trifosforan adenozyny, które powstają w cyklu kwasu cytrynowego, są prekursorami fosforanu karbamoilu. ATP jest również najważniejszym źródłem energii.
Cykl ornityny, którego reakcje zachodzą w hepatocytach wątroby, jest źródłem fumaranu, jednego z najważniejszych substratów cyklu Krebsa. Ponadto substancja ta w wyniku kilku stopniowych reakcji daje początek asparaginianowi, który z kolei jest wykorzystywany w biosyntezie cyklu ornityny. Reakcja fumaranu jest źródłem NADP, który może być wykorzystany do fosforylacji ADP do ATP.
Biologiczne znaczenie cyklu ornityny
Ogromna większość azotu dostaje się do organizmu jako część białek. W procesie metabolizmu aminokwasy są niszczone, amoniak powstaje jako końcowy produkt procesów metabolicznych. Cykl ornityny składa się z kilku następujących po sobie reakcji, których głównym zadaniem jest detoksykacja NH3 poprzez przekształcenie go w mocznik. Mocznik z kolei dostaje się do nefronu nerki i jest wydalany z organizmu wraz z moczem.
Ponadto produkt uboczny cyklu ornityny jest źródłem argininy, jednego z niezbędnych aminokwasów.
Naruszenia w synteziemocznik może prowadzić do choroby, takiej jak hiperamonemia. Ta patologia charakteryzuje się zwiększonym stężeniem jonów amonowych NH4+ w ludzkiej krwi. Jony te niekorzystnie wpływają na życie organizmu, wyłączając lub spowalniając niektóre ważne procesy. Zignorowanie tej choroby może prowadzić do śmierci.
