Орнітиновий цикл: реакції, схема, опис, метаболічні порушення

Орнітиновий 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. NH3 токсичний для організму, і, як будь-яка отрута, виводиться через виділену систему. Але раніше аміак зазнає цілої низки послідовних реакцій, який носить назву орнітиновий цикл.

Типи азотистого обміну

Не для всіх тварин характерне виділення аміаку в навколишнє середовище. Альтернативними кінцевими речовинами метаболізму азоту є сечова кислота і сечовина. Відповідно, називають три типи азотистого обміну, залежно від виділеної речовини.

Аммоніотелічний тип. Кінцевою речовиною тут є аміак. Це безбарвний газ, розчинний у воді. Амоніотелія характерна для всіх риб, які мешкають у солоних водоймах.

Уреотелічний тип. Тварини, для яких характерна уреотелія, виділяють у навколишнє середовище сечовину. Прикладами є прісноводні риби, амфібії і ссавці, в тому числі і людина.

Урикотеличний тип. Сюди належать ті представники тваринного світу, у яких кінцевим метаболітом є кристали сечової кислоти. Ця 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 та 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 орнітинового циклу. Сечовина - це продукт виділення уреотелічних тварин, серед яких і людина.

Сечовина є одним із способів екскреції надлишку азоту з організму. Утворення цієї речовини несе протекторну функцію, оскільки попередник сечовини - аміак, 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 струмом 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 орнітинового циклу. Крім гепатоцитів, звичайно. Функція клітин печінки полягає не тільки в синтезі і руйнуванні гемоглобіну, але і в проведенні всіх реакцій синтезу сечовини.

Під опис орнітинового 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.

Орнітиновий цикл. Біохімія реакцій

Цикл синтезу сечовини проходить у кілька етапів. Загальна схема орнітинового циклу представлена нижче (картинка), тому розберемо кожну реакцію окремо. Перші дві стадії протікають безпосередньо в мітохондріях клітин печінки.

NH3 реагує з вуглекислим газом із витратою двох молекул АТФ. У результаті цієї енергозатратної реакції утворюється карбамоілфосфат, в якому міститься макроергічний зв'язок. Каталізує цей процес фермент карбамоілфосфат-синтетаза.

Карбамоілфосфат вступає в реакцію з орнітином під дією ферменту орнітин-карбамоїл-трансферази. У результаті макроергічний зв'язок руйнується, а за рахунок її енергії утворюється цитруллін.

Третя і наступні стадії протікають не в мітохондріях, а в цитоплазмі гепатоцитів.

Йде реакція між цитрулліном і аспаратом. З витратою 1 молекули АТФ і під дією ферменту аргініно-сукцинат-синтази утворюється аргініно-сукцинат.

Аргініно-сукцинат в сукупності з ферментом аргініно-сукцина-ліаза розщеплюється до аргініну і фумарату.

Аргінін у присутності води і під дією аргінази розщеплюється до орнітину (1 реакція) і сечовини (кінцевий продукт). Цикл замкнувся.

Енергетика циклу синтезу сечовини

Орнітиновий цикл - енергозатратний процес, при якому витрачаються макроергічні зв'язки молекул аденозинтрифосфату (АТФ). Протягом усіх 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 в четвертій реакції, може бути використаний як субстрат в циклі трикарбонових кислот. Під час синтезу малата з фумарату виділяється НАДФН, який дає в результаті 3 молекули АТФ.

Реакція дезамінування глутамата також відіграє роль у постачанні клітин печінки енергією. При цьому виділяються також 3 молекули АТФ, які йдуть на синтез сечовини.

Регуляція активності орнітинового 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 підвищення загального ККД. Метаболічні порушення орнітинового циклу спостерігаються при високих фізичних навантаженнях і тривалому голодуванні, коли організм починає розщеплювати власні білки.

Регулювання роботи орнітинового циклу може відбуватися і на біохімічному рівні. Тут мішенню є основний фермент карбамоілфосфат-синтетаза. Його аллостеричним активатором є N-ацетил-глутамат. При його великому вмісті в організмі реакції синтезу сечовини протікають нормально. При нестачі самої речовини або її попередників, глутамата і ацетил-КоА, орнітиновий 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 деяким органічним речовинам у двох біохімічних процесах.

SO2 і аденозинтрифосфат, які утворюються в циклі лимонної кислоти, є попередниками карбамоілфосфату. АТФ також є найважливішим джерелом енергії.

Орнітиновий цикл, реакції якого протікають у гепатоцитах печінки, - це джерело фумарату, одного з найважливіших субстратів у циклі Кребса. Більш того, ця речовина в результаті декількох поетапних реакцій дає початок аспартату, який, у свою чергу, використовується в біосинтезі орнітинового циклу. Реакція за участю фумарату є джерелом НАДФ, за допомогою якого можна фосфорилювати АДФ до АТФ.

Біологічний зміст орнітинового циклу

Переважна частина азоту надходить в організм у складі білків. У процесі метаболізму амінокислоти руйнуються, утворюється аміак як кінцевий продукт обмінних процесів. Орнітиновий цикл - це кілька послідовних реакцій, головне завдання яких полягає в детоксикації NH3 за допомогою його переведення в сечовину. Сечовина, своєю чергою, надходить у нефрон нирки і виводиться з організму зі сечею.

Крім того, побічно орнітиновий цикл є джерелом аргініну - однієї з незамінних амінокислот.

Порушення в синтезі сечовини може призвести до такого захворювання, як гіперамонія. Ця патологія характеризується підвищеною концентрацією іонів амонію NH4 + в крові людини. Ці іони негативно позначаються на життєдіяльності організму, вимикаючи або уповільнюючи деякі важливі процеси. Ігнорування цього захворювання може призвести до летального результату.