Орнитиновый цикл: реакції, схема, опис, метаболічні порушення

Щоб організм людини підтримував нормальну життєдіяльність, він виробив механізми виведення токсичних речовин. Серед них аміак – кінцевий продукт метаболізму азотистих сполук, насамперед білків. NH 3 токсичний для організму, і, як будь-яка отрута, виводиться через видільну систему. Але перш аміак зазнає цілий ряд послідовних реакцій, який носить назву орнитиновый цикл.

Типи азотистого обміну

Не для всіх тварин характерно виділення аміаку в навколишнє середовище. Альтернативними кінцевими речовинами метаболізму азоту є сечова кислота і сечовина. Відповідно, називають три типи азотистого обміну, в залежності від речовини виділяється.
Аммониотелический тип. Кінцевим речовиною тут є аміак. Це безбарвний газ, розчинний у воді. Аммониотелия характерна для всіх риб, які мешкають в солоних водоймах. Уреотелический тип. Тварини, для яких характерна уреотелия, виділяють в навколишнє середовище сечовину. Прикладами є прісноводні риби, амфібії і ссавці, в тому числі і людина. Урикотелический тип. Сюди відносяться ті представники тваринного світу, в яких кінцевим метаболітом є кристали сечової кислоти. Це речовина як продукт азотистого обміну зустрічається у птахів і плазунів. У будь-якому з цих випадків завдання кінцевого продукту обміну – це виведення непотрібного азоту з організму. Якщо цього не відбувається, спостерігається таксація клітин і інгібування важливих реакцій.

Що таке сечовина?

Сечовина – це амід вугільної кислоти. Вона утворюється з аміаку, вуглекислого газу, азоту і аміногруп деяких речовин під час протікання реакцій орнитинового циклу. Сечовина – це продукт виділення уреотелических тварин, серед яких і людина.
Сечовина є одним із способів екскреції надлишку азоту з організму. Утворення цієї речовини несе протекторну функцію, т. к. попередник сечовини - аміаку, токсичний для клітин людини. При переробці 100 г білка різної природи з сечею виділяється 20-25 г сечовини. Речовина синтезується в печінці, а після з током крові потрапляє в нефрон нирки і виводиться разом з сечею.

Печінка – головний орган синтезу сечовини

У всьому організмі людини не знайдеться такої клітини, в якій будуть присутні абсолютно всі ферменти орнитинового циклу. Крім гепатоцитів, звичайно. Функція клітин печінки складається не тільки в синтезі і руйнуванні гемоглобіну, але і в проведенні всіх реакцій синтезу сечовини. Під опис орнитинового циклу підходить той факт, що він є єдиним способом видалення азоту з організму. Якщо на практиці інгібувати синтез або дію головних ферментів, синтез сечовини зупиниться, а організм загине від надлишку аміаку в крові.

Орнитиновый цикл. Біохімія реакцій

Цикл синтезу сечовини проходить у кілька етапів. Загальна схема орнитинового циклу представлена нижче (картинка), тому розберемо кожну реакцію окремо. Перші дві стадії протікають безпосередньо в мітохондріях клітин печінки. NH 3 реагує з вуглекислим газом з витратою двох молекул АТФ. В результаті цієї енерговитратною реакції утворюється карбамоилфосфат, в якому міститься макроэргическая зв'язок. Каталізує цей процес фермент карбамоилфосфат-синтетаза.
Карбамоилфосфат вступає в реакцію з орнитином під дією ферменту орнітин-карбамоил-трансферази. У підсумку макроэргическая зв'язок руйнується, а за рахунок її енергії утворюється цитрулін. Третя і наступні стадії протікають не в мітохондріях, а в цитоплазмі гепатоцитів. Йде реакція між цитруллином і аспаратом. З витратою 1 молекули АТФ і під дією ферменту аргинино-сукцинат-синтази утворюється аргинино-сукцинат. Аргинино-сукцинат у сукупності з ферментом аргинино-сукцина-ліаз розщеплюється до аргініну і фумарату. Аргінін у присутності води і під дією аргіназе розщеплюється до орнітину (1 реакція) і сечовини (кінцевий продукт). Цикл замкнувся.

Енергетика циклу синтезу сечовини

Орнитиновый цикл – енергозатратний процес, при якому витрачаються макроергічні зв'язки молекул аденозинтрифосфату (АТФ). Протягом всіх 5 реакції в сукупності утворюються 3 молекули АДФ. До того ж енергія йде на транспорт речовин з мітохондрії в цитоплазму і навпаки. Звідки ж береться АТФ? Фумарат, який утворився у четвертій реакції, може бути використаний як субстрат в циклі трикарбонових кислот. В ході синтезу малату з фумарату виділяється НАДФН, який дає в результаті 3 молекули АТФ. Реакція дезамінування глутамату також відіграє роль у постачанні клітин печінки енергією. При цьому виділяються також 3 молекули АТФ, які йдуть на синтез сечовини.

Регуляція активності орнитинового циклу

У нормі каскад реакцій синтезу сечовини функціонує на 60% від можливого значення. При підвищеному вмісті білка в їжі відбувається прискорення реакцій, що призводить до збільшення загального ККД. Метаболічні порушення орнитинового циклу спостерігаються при високих фізичних навантаженнях і тривалому голодуванні, коли організм починає розщеплювати власні білки. Регулювання роботи орнитинового циклу може відбуватися і на біохімічному рівні. Тут мішенню є основний фермент карбамоилфосфат-синтетаза. Його аллостерическим активатором є N-ацетил-глутамат. При його великому вмісті в організмі реакції синтезу сечовини протікають нормально. При нестачі самого речовини або його попередників, глутамату і ацетил-КоА, орнитиновый цикл втрачає своє функціональне навантаження.

Зв'язок циклу синтезу сечовини і циклу Кребса

Реакції обох процесів протікають в матриксі мітохондрій. Це дає можливість брати участь деяких органічних речовин в двох біохімічних процесах. З 2 і аденозинтрифосфат, які утворюються в циклі лимонної кислоти є попередниками карбамоилфосфата. АТФ також є найважливішим джерелом енергії. Орнитиновый цикл, реакції якої перебігають у гепатоцитах печінки, - це джерело фумарату, одного з найважливіших субстратів в циклі Кребса. Більше того, ця речовина в результаті декількох поетапних реакцій дає початок аспартату, який, у свою чергу, використовується в біосинтезі орнитинового циклу. Реакція з участю фумарату є джерелом НАДФ, з допомогою якого можна фосфорилировать АДФ до АТФ.

Біологічний сенс орнитинового циклу

Переважна частина азоту надходить в організм у складі білків. В процесі метаболізму амінокислоти руйнуються, утворюється аміак як кінцевий продукт обмінних процесів. Орнитиновый цикл – це кілька послідовних реакцій, головне завдання яких полягає в детоксикації NH 3 з допомогою його перекладу в сечовину. Сечовина, в свою чергу, надходить в нефрон нирки і виводиться з організму з сечею. Крім того, побічно орнитиновый цикл є джерелом аргініну – однієї з незамінних амінокислот. Порушення в синтезі сечовини може призвести до такого захворювання, як гіперамоніємія. Ця патологія характеризується підвищеною концентрацією іонів амонію NH 4 + в крові людини. Ці іони негативно позначаються на життєдіяльності організму, вимикаючи або сповільнюючи деякі важливі процеси. Ігнорування цього захворювання може призвести до летального результату.