Орнитиновый цикл мочевинообразования

Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является/биосинтез мочевины. Последняя выводится с мочой в качестве главного конечногоИродукта белкового, соответственно аминокислотного, обмена. На долю мочевины приходится до 80 — 85% всего азота мочи. Основным и, возможно, единственным местом син­теза мочевины является печень. Впервые Г. Кребс и К. Гензеляйт в 1932 г. вывели уравнения реакций синтеза мочевины, которые представлены ниже в виде цикла, по­лучившего в литературе название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса. Следует указать, что в биохимии это была первая циклическая система метаболизма, обнаружение которой почти на 5 лет опередило открытие Г. Кребсом другого метаболического процесса — цикла трикарбоновых кислот. Дальнейшие иссле­дования в основном подтвердили циклический характер биосинтеза мочевины в пе­чени; благодаря исследованиям Г. Коена, С. Ратнер и ее сотрудников были уточнены промежуточные этапы и ферментные системы, катализирующие образование моче­вины.

Таким образом, весь цикл мочевинообразования может быть представлен сле­дующим образом. На первом этапе синтезируется макроэргическое соединение карбамоилфосфат, синтез которого представляет немалый интерес. Карбамоил-фосфат — это метаболически активная форма аммиака, используемая в качестве ис­ходного продукта для синтеза ряда других азотистых соединений.

К настоящему времени открыты три разных пути синтеза карбамоилфосфата de wo, катализируемые тремя разными ферментами:

Эту необратимую реакцию (требует затраты двух молекул АТФ) катализирует регулятор-ный фермент — аммиакзависимая карбамоилфосфат-синтетаза (КФ 6.3.4.16); реакция открыта в митохондриях печени и преимущественно используется для синтеза аргинина и мочевины. Роль активирующего модулятора - N-ацетилглутамага - представляется в стабилизации ак­тивной конформации фермента.

Этот путь синтеза катализирует глутаминзависимая карбамоилфосфат-синтетаза (КФ 6.3.5.5), открытая в цитоплазме клеток животных. Данная реакция, также являющаяся необратимой i благодаря включению гидролитической стадии, используется для синтеза пиримидинов' нуклеотидов. Фермент широко распространен в клетках животных, требует затраты одной молекулы АТФ:

Данную обратимую реакцию катализирует карбаматкиназа (КФ 2.7.2.2); она открыта у разных микроорганизмов и, возможно, используется скорее для ресинтеза АТФ, чем для синтеза карбамоилфосфата.

На втором этапе цикла мочевинообразования происходит конденсация карба­моилфосфата и орнитина с образовнием цитруллина; реакцию катализирует орнитин-карбамоилтрансфераза:

На следующей стадии цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций. Первая из них, энергозависимая, сводится к конденсации цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргининосук-цината (эту реакцию катализирует аргининосукцинат-синтетаза). Аргининосукцинат распадается в следующей реакции на аргинин и фумарат при участии другого фер­мента — аргининосукцинат-лиазы. На последнем этапе аргинин расщепляется на мо­чевину и орнитин под действием аргиназы.

Необходимо подчеркнуть, что аргиназа содержится в печени тех животных, которые экскретируют с мочой мочевину как основной и конечный продукт азо­тистого обмена; в печени птиц, например, аргиназа отсутствует, поскольку птицы выделяют мочевую кислоту вместо мочевины. Орнитиновый цикл мочевинообразо-вания с учетом новых данных представлен на рис. 11.3.

Ниже приведена суммарная реакция синтеза мочевины без учета промежуточных продуктов:

CO₂ + NH₃ + 3ATO + 2H₂O+ Аспартат -> Мочевина + 2АДФ + АМФ + Фумарат + 2Ф_Н + ФФ„

Данная реакция сопровождается снижением свободной энергии (AG° = — 40 кДж), поэтому процесс всегда протекает в направлении синтеза мочевины. Из приведенной схемы процесса мочевинообразования нетрудно видеть, что один из атомов азота мочевины имеет своим источником свободный аммиак (через карбамоилфосфат); второй атом азота поступает из аспартата. Аммиак образуется главным образом в процессе глутаматдегидрогеназной реакции. Что же касается пополнения запасов аспартата, то в этом процессе участвуют три сопряженные реакции: сначала фумарат под действием фумаразы присоединяет воду и превращается в малат, который окисляется затем при участии малатдегидрогеназы с образованием оксалоацетата, последний в реакции трансаминирования с глутаматом вновь образует аспартат.

Суммируя известные фактические данные о механизмах обезвреживания аммиака в организме, можно прийти к следующему заключению. Часть аммиака используется на биосинтез аминокислот путем восстановительного аминирования а-кетокислот или реакции трансреаминирования. Аммиак используется в биосинтезе глутамина и аспа-рагина. Некоторое количество аммиака выводится с мочой в виде аммонийных солей. В форме креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата, выделяется из организма значительная часть азота аминокислот. Однако наибольшее количество аммиака расходуется на синтез мочевины, которая выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена в организме человека и животных. Подсчитано, что в состоянии азотистого равновесия организм взрос­лого здорового человека потребляет и соответственно выделяет примерно 15 г азота в сутки; из экскретируемого с мочой количества азота на долю мочевины прихо­дится около 85%, креатинина — около 5%, аммонийных солей — 3%, мочевой кисло­ты — 1 % и на другие формы — около 6 %.

В процессе эволюции живые организмы выработали различные типы азотистого обмена. Аммониотелический тип, при котором главным конечным продук­том азотистого обмена является аммиак, свойствен преимущественно рыбам. У р е-отелический тип обмена — основным конечным продуктом обмена белков является мочевина, характерен для человека и животных. Урикотелический тип — главным конечным продуктом обмена является мочевая кислота, характерен для птиц и рептилий.

Специфические пути обмена некоторых аминокислот

Помимо общих путей обмена, характерных для всех аминокислот, в настоящее время в животных тканях выяснены довольно подробно индивидуальные пути превра­щения почти всех аминокислот, входящих в состав белковых молекул. Некоторые из этих превращений хотя и имеют в количественном отношении второстепенное значение, но образующиеся продукты реакции могут играть важную, а иногда и решающую роль в процессах обмена веществ. Ниже будет рассмотрен выборочно обмен тех аминокислот, специфические, так называемые частные пути превращения которых в организме человека и животных определяют во многих отношениях его физиологическое состояние.

Обмен глицина и серина

Глицин является единственной из всех входящих в состав белков аминокислот, в молекуле которой отсутствует асимметрический атом углерода. Тем не менее метаболически он связан с химическими компонентами организма в большей степени, чем любая другая аминокислота.

Из схемы видно, что глицин в некоторых синтезах играет незаменимую роль, в частности в образовании белков, шуриновых нуклеотидов, тема гемоглобина, пар­ных желчных кислот, креатина, глутатиона и т. д.

Оксидаза L-аминокислот глицин не дезаминирует; в тканях открыт специфиче-кий флавопротеин — глициноксидаза, которая осуществляет эту реакцию:

Глиоксалат далее в тканях окисляется до оксалата или муравьиной кислоты и СО₂ по уравнению:

сон -соон - нсоон + со₂ ^v-

Образовавшаяся муравьиная кислота подвергается далее восстановлению при участии НАДФН₂ и ТГФК в 1Ч⁵,]Ч^1О-СН₂-ТГФК, которая служит¹ донором окси-метильной группы в реакциях взаимопревращения глицина и серина; эту реакцию катализирует пиридоксалевый фермент — серин-оксиметилтрансфераза:

Показано также взаимопревращение глицина и. треонина благодаря треонинальдо-лазной реакции:

Основным путем катаболизма глицина в животных тканях, однако, считается распад его на СО₂, NH₃ и N⁵, ]Ч¹⁰-метилентетрагидрофолиевую кислоту по уравнению: H₂N-CH₂-COOH + TrOK->CO₂ + NH₃ + N⁵,N¹⁰-CH₂-TrOK

Механизм этой реакции, недавно раскрытый К. Тада, включает участие мито-хондриальной глицинрасщепляющей ферментной * системы, отлич­ной от глицинсинтазы и состоящей из 4 белков: Р-белка, содержащего пиридок-сальфосфат (глициндекарбоксилаза), Н-белка, содержащего липоевую кислоту, Т-белка, требующего присутствия ТГФК и L-белка, названного липоамиддегидрогеназой.

Биологический смысл данного пути катаболизма глицина состоит, вероятнее всего, в образовании активного одноуглеродного фрагмента (N⁵, N¹⁰ —СН₂ —ТГФК), используемого в уникальных реакциях синтеза метионина, пуриновых нуклеотидов, тимидиловой кислоты и -др. Получены доказательства, что наследственная некето-генная л^ш щшёмй я^>(повышение уровня глицина в крови) обусловлена недоста-точностькП¹^ или Т-белка глицинрасщепляющей ферментной системы печени или мозга и что каждый из этих белков контролируется отдельным геном.

Ряд других эссенциальных функций глицина в частности участие в образовании аминолевулиновой кислоты при синтезе порфиринов (гема) и пуриновых нуклеоти-ов, будет освещен ниже (см. главу 12).

Поскольку серии легко превращается в пируват под действием сериндегидра-Изы, в тканях имеются условия для превращения глицина (через серии) в пируват, Ш этим путем осуществляется участие глицина в обмене углеводов. Важную роль

играет серии в биосинтезе сложных белков — фосфопротеинов, а также фосфоглице-ридов. Помимо фосфатидилсерина, углеродный скелет и азот серина используются в биосинтезе фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина (см. главу 10).