Роль аммиака для живых организмов и пути его обезвреживания. ЦИКЛ мочевины и ее свойства

Химические свойства аммиака и алифатических аминов уже были рассмотрены в разд. 12.2.4. В молекулах этих соединений неподеленная электронная пара атома азота находится на sp³-орбитали, поэтому для нее характерна предельная подвижность, а для аммиака и аминов - высокая основность, нуклеофильность и склон­ность к комплексообразованию как лигандов. Именно эти особенно­сти химических свойств характерны и для природных аминокислот, так как они содержат «аминный» атом азота (гл. 21). Синтез ами­нокислот в природе осуществляется в растениях и микроорганиз­мах, которые ассимилируют простейшие азотсодержащие соедине­ния (аммиак и нитраты) и восстанавливают их до аммиака, ис­пользуя его для синтеза жизненно важных аминокислот, белков, гетероциклических азотсодержащих соединений и нуклеиновых кислот. Эти ценные природные вещества в готовом виде как про­дукты питания достаются животным. Большинство организмов экономно используют аминокислоты и нуклеотиды, пропуская их через процессы метаболического обновления, что позволяет ис­пользовать их повторно.

Вследствие особенностей метаболизма у животных, в частности дезаминирования аминокислот, в их организмах появляется амми­ак. В норме концентрация аммиака поддерживается в крови у человека на уровне 0,4 - 0,7 мг/л. При рН крови аммиак существует почти полностью в виде катиона аммония. Ионы NH4(+), будучи заряженными частицами, с большим трудом проникают через клеточные мембраны. Диссоциация катиона аммония (как сопряжен­ной кислоты с отщеплением протона и образованием аммиака) протекает слабо — pK_a(NH4(+))= 9,25. Следовательно, аммиак явля­ется сильным акцептором протона. По этой причине, а также из-за склонности к комплексообразованию аммиак хорошо растворяется в воде, образуя малоустойчивое соединение NH3 • H2О - межмо­лекулярный ассоциат (разд. 12.2.4).

В отличие от катионов аммония, молекулы аммиака в виде ассоциата с молекулой воды легко проходят сквозь мембраны и способны проникать в клетки мозга, а также в их митохондрии. В результате замедляются реакции дезаминирования глутаминовой кислоты с образованием 2-оксоглутарата (разд. 21.2.5). Сле­довательно, снижается интенсивность реакций: цикла Кребса (разд. 19.4.3), завершения окисления глюкозы (разд. 22.1.2) и синтеза АТФ (разд. 9.3.4), обеспечивающих мозг энергией. Кроме того, аммиак, попадая в нервные ткани, вступает в реакции комплексообразования с катионами биометаллов, нарушая металло-лигандный гомеостаз в этих тканях (разд. 10.5). Все это свидетельствует о токсичности излишка аммиака для животных, поэтому для них проблема удаления из организма токсичного аммиака чрезвычайно важна.

У костных рыб аминный азот транспортируется в виде глутамина в жабры, где содержится глутаминаза, катализирующая гид­ролиз глутамина до глутаминовой кислоты и аммиака. Образовав­шийся аммиак сильно разбавляется потоком воды, омывающим жабры, и уносится им. Таким образом, у рыб функционирует про­стейшая система избавления организма от излишка аммиака.

В процессе эволюции у млекопитающих сформировалась спе­циальная выделительная система из почек и мочевого пузыря. При этом в мочу поступает не аммиак и не катион аммония, а мочевина CO(NH2)2 (в моче человека содержание мочевины около 2 %). Поэтому основной метаболический путь обезвреживания аммиака у млекопитающих заключается в том, что в клетках печени на его основе синтезируется мочевина. Этот синтез со­вершается в форме цикла и называется циклом мочевины* (открыт Г. Кребсом и К. Хенселантом в 1932 г.).

Цикл мочевины. Начинается этот процесс с получения карбамоилфосфата в матриксе митохондрий, где много АТФ.

I. Образование карбамоилфосфата. Ионы аммо­ния, возникшие в результате окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты, взаимодействуют с гидрокарбонат-анионом и АТФ при участии карбамоилфосфатсинтетазы, образуя карбамоилфосфат, содержащий макроэргическую связь:

II. Получение цитруллина. В матриксе митохондрий
карбамоилфосфат конденсируется с аминокислотой орнитином,
которая, являясь гомологом лизина, не входит в состав белков.
Реакция катализируется орнитинкарбамоилтрансферазой:

Образовавшийся цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток печени, где протекают остальные реакции цикла мочевины.

III. Получение аргининосукцината. Нуклеофильное замещение карбонильной группы цитруллина на аминогруп­пу аспартата с образованием гуанидиновой группировки аргини­носукцината происходит при участии АТФ и катализируется
аргининосукцинатсинтетазой:

Реакция эндэргоничная, и равновесие смещается вправо за счет последующего гидролиза Н₂Р2O7(2-). Таким образом, на про­текание первой и третьей реакций цикла мочевины всего рас­ходуется 4 молекулы АТФ.

IV. Распад аргининосукцината. Под действием аргининосукцинатлиазы аргининосукцинат экзэргонически расще­пляется с образованием аргинина и фумарата:

В цикле мочевины это единственная реакция внутримолеку­лярной дисмутации. Все остальные реакции этого цикла - элек-трофильно-нуклеофильные.

V. Образование мочевины и регенерация ор-нитина. Гидролиз аргинина, катализируемый аргиназой, при­водит к образованию мочевины и регенерации орнитина. Реак­ция экзэргонична.

Регенерированный орнитин может снова поступать в митохон­дрии и участвовать в новом обороте цикла мочевины. Образовав­шуюся мочевину кровь переносит из печени в почки, где мочевина извлекается из крови и удаляется из орга­низма с мочой.

Из приведенных ре­акций видно, что ток­сичный аммиак пре­вращается в безвред­ную мочевину. При этом один из атомов азота мочевины обра­зуется из аммиака, другой - из аспартата. Кроме аммиака за счет цикла мочевины организм избавляется еще и от СО2 в виде НСО3. На это очищение от конечных продуктов метаболизма организм расходует 4 молекулы АТФ. Прежде чем рассмотреть особенно­сти обезвреживания аммиака в организме птиц и пресмыкаю­щихся, кратко остановимся на свойствах мочевины.

Свойства мочевины. Мочевина является диамидом угольной кислоты, и поэтому ее часто называют карбамидом. В отличие от аммиака, в мочевине у атомов азота их неподеленные элек­тронные пары находятся на 2р-орбитали и участвуют в сопря­жении с π-электронами связи С=0. Поэтому основность, нуклеофильность и склонность к комплексообразованию у мочеви­ны понижены. Мочевина является очень слабым основанием; она протонируется по атому кислорода:

Мочевина легко растворяется в воде, ее растворы имеют ней­тральную реакцию. Растворение мочевины в воде происходит с поглощением теплоты.

Мочевина гидролизуется медленно даже при кипячении с водой; процесс ускоряется в присутствии кислот или щелочей:

В присутствии фермента уреазы мочевина гидролизуется очень быстро, что очень важно для обмена веществ у животных и круговорота азота в биосфере.

По химическим свойствам мочевина похожа на амиды карбоновых кислот (разд. 19.2.3) с тем отличием, что у мочевины бо­лее выражены нуклеофильные и комплексообразующие свойства, так как в ее молекуле карбонильная группа связана с двумя ами­ногруппами. Мочевина как нуклеофил сравнительно легко ацилируется, образуя азотсодержащие гетероциклические соединения. Ацилирование мочевины малоновой кислотой приводит к барби­туровой кислоте, являющейся пиримидиновым производным:

При ацилировании мочевины 5-оксибарбитуровой кислотой образуется мочевая кислота — производное пурина:

Мочевая кислота и ее соли (ураты) плохо растворимы в во­де. Поэтому при нарушениях обмена веществ возможно отло­жение мочевой кислоты в суставах, что приводит к заболева­нию подагрой. Камни мочевого пузыря и почек состоят из мо­чевой кислоты и ее солей уратов (разд. 11.4).

При нагревании мочевины до 140 °С одна молекула мочеви­ны, отщепляя аммиак, ацилирует другую молекулу мочевины, образуя биурет:

Биурет в щелочной среде с катионами меди(2) дает фиолето­вое окрашивание, обусловленное образованием хелатного ком­плекса (биуретовая реакция):

Мочевина широко применяется в качестве пролонгированного азотного удобрения и добавки к кормам жвачных животных, у которых в первом отделе желудка (рубец) имеются микроорга­низмы, использующие ее для синтеза аминокислот, необходимых организму хозяина. В медицине мочевину применяют в основном в качестве дегидратирующего средства для предупреждения и уменьшения отека мозга и токсического отека легких, а также как средство, понижающее внутриглазное давление. В основе этого эффекта, кроме явления осмоса, вероятно, лежит способ­ность мочевины влиять на пространственную структуру воды в растворе. Дезинфицирующие свойства мочи и использование ее в уринотерапии, возможно, также связаны с особой пространствен­ной структурой воды в ней. Эта структура воды формируется в почечной системе, но при хранении in vitro в результате теплово­го движения она разрушается, и целебность мочи уменьшается.

Возвратимся к проблеме обезвреживания аммиака у живых су­ществ. В отличие от млекопитающих, организм птиц и пресмыка­ющихся очищается от аммиака, превращая его сложным путем в мочевую кислоту. Из-за низкой растворимости в воде помет птиц, называемый гуано, представляет собой полутвердую массу, состоя­щую из кристаллов мочевой кислоты и небольшого количества во­ды. Богатейшие залежи гуано, используемого как удобрение, со­средоточены в местах гигантских птичьих базаров. В современных условиях источником гуано являются крупные птицефабрики.