Катаболизм аминокислот в тканях происходит постоянно со скоростью -100 г/сут. При этом в результате дезаминирования аминокислот освобождается большое количество аммиака. Значительно меньшие количества его образуются при дезаминировании биогенных аминов и нуклеотидов. Основные источники аммиака в клетках представлены в табл. 9-3.
Таблица 9-3.
Основные источники аммиака
Часть аммиака образуется в кишечнике в результате действия бактерий на пищевые белки (пше-ние белков в кишечнике) и поступает в кровь воротной вены. Концентрация аммиака в крови воротной вены существенно больше, чем в общем кровотоке. В печени задерживается большое количество аммиака, что поддерживает низкое содержание его в крови. Концентрация аммиака в крови в норме редко превышает 0,4—0,7 мг/л (или 25—40 мкмоль/л). В крови и цитозоле клеток при физиологических значениях pH аммиак переходит в ион аммония — NH4 + , количество неионизированного NH3 невелико (
Аммиак — токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации оказывает неблагоприятное действие на организм, и прежде всего на ЦНС. Так, повышение концентрации аммиака в мозге до 0,6 ммоль вызывает судороги. К симптомам гипераммониемии относят тремор, нечленораздельную речь, тошноту, рвоту, головокружение, судорожные припадки, потерю сознания. В тяжёлых случаях развивается кома с летальным исходом.
Механизм токсического действия аммиака на мозг и организм в целом, очевидно, связан с действием его на несколько функциональных систем.
- Аммиак легко проникает через мембраны в клетки и в митохондриях сдвигает реакцию, катализируемую глутаматдегидрогеназой, в сторону образования глутамата:
α -Кетоглутарат + NADH + Н + + NH3 ⇒ Глутамат + NAD + .
Уменьшение концентрации а-кетоглутарата вызывает:
- угнетение обмена аминокислот (реакции трансаминирования) и, следовательно, синтеза из них нейромедиаторов (ацетилхолина, дофамина и др.);
- гипоэнергетическое состояние в результате снижения скорости ЦТК.
Недостаточность а-кетоглутарата приводит к снижению концентрации метаболитов ЦТК, что вызывает ускорение реакции синтеза оксалоацетата из пирувата, сопровождающейся интенсивным потреблением СO2. Усиленное образование и потребление диоксида углерода при гипераммониемии особенно характерны для клеток головного мозга.
- Повышение концентрации аммиака в крови сдвигает pH в щелочную сторону (вызывает алкалоз). Это, в свою очередь, увеличивает сродство гемоглобина к кислороду, что приводит к гипоксии тканей, накоплению СO2 и гипоэнергетическому состоянию, от которого главным образом страдает головной мозг.
- Высокие концентрации аммиака стимулируют синтез глутамина из глутамата в нервной ткани (при участии глутаминсинтетазы):
Глутамат + NH3 + АТФ -» Глутамин + АДФ + Н3РO4
Накопление глутамина в клетках нейроглии приводит к повышению осмотического давления в них, набуханию астроцитов и в больших концентрациях может вызвать отёк мозга. Снижение концентрации глутамата нарушает обмен аминокислот и нейромедиаторов, в частности синтез у-аминомасляной кислоты (ГАМК), основного тормозного медиатора. При недостатке ГАМК и других медиаторов нарушается проведение нервного импульса, возникают судороги.
- Ион NH4 + практически не проникает через цитоплазматические и митохондриальные мембраны. Избыток иона аммония в крови способен нарушать трансмембранный перенос одновалентных катионов Na + и К + , конкурируя с ними за ионные каналы, что также влияет на проведение нервных импульсов.
Б. Связывание (обезвреживание) аммиака
Высокая интенсивность процессов дезаминирования аминокислот в тканях и очень низкий уровень аммиака в крови свидетельствуют о том, что в клетках активно происходит связывание аммиака с образованием нетоксичных соединений, которые выводятся из организма с мочой. Эти реакции можно считать реакциями обезвреживания аммиака. В разных тканях и органах обнаружено несколько типов таких реакций.
Читайте также: Обзор плоттеров для ткани
Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы:
Глутаминсинтетаза локализована в митохондриях клеток, для работы фермента необходим кофактор — ионы Mg 2+ Глутаминсинтетаза — один из основных регуляторных ферментов обмена аминокислот и аллостерически ингибируется АМФ, глюкозо-6-фосфатом, а также Гли, Ала и Гис.
Глутамин легко транспортируется через клеточные мембраны путём облегчённой диффузии (для глутамата возможен только активный транспорт) и поступает из тканей в кровь. Основными тканями-поставщиками глутамина служат мышцы, мозг и печень. С током крови глутамин транспортируется в кишечник и почки.
В клетках кишечника под действием фермента глутаминазы происходит гидролитическое освобождение амидного азота в виде аммиака:
Образовавшийся в реакции глутамат подвергается трансаминированию с пируватом. а-Аминогруппа глутаминовой кислоты переносится в состав аланина (рис. 9-10). Большие количества аланина поступают из кишечника в кровь воротной вены и поглощаются печенью. Около 5% образовавшегося аммиака удаляется в составе фекалий, небольшая часть через воротную вену попадает в печень, остальные
Рис. 9-10. Метаболизм азота глутамина в кишечнике
В почках также происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака. Этот процесс является одним из механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия в организме и сохранения важнейших катионов для поддержания осмотического давления. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе, образующийся аммиак нейтрализует кислые продукты обмена и в виде аммонийных солей экскретируется с мочой (рис. 9-11). Эта реакция защищает организм от излишней потери ионов Na+ и К+, которые также могут использоваться для выведения анионов и утрачиваться. При алкалозе количество глутаминазы в почках снижается.
Рис. 9-11. Метаболизм амидного азота глутамина в почках
В почках образуется и выводится около 0,5 г солей аммония в сутки.
Высокий уровень глутамина в крови и лёгкость его поступления в клетки обусловливают использование глутамина во многих анаболических процессах. Глутамин — основной донор азота в организме. Амидный азот глутамина используется гпя синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аспарагина, аминосаха-ров и других соединений (рис. 9-12).
Рис. 9-12. Пути использования глутамина в организме
Ещё одной реакцией обезвреживания аммиака в тканях можно считать синтез аспарагина под действием аспарагинсинтетазы.
В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование α -кетоглутарата под действием глутаматдегидрогеназы, катализирующей обратимую реакцию. Однако этот путь обезвреживания аммиака в тканях используется слабо, так как глутаматдегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию дезаминирования глутамата. Хотя, если учитывать последующее образование глутамина, реакция выгодна для клеток, так как способствует связыванию сразу 2 молекул NH3.
Существуют 2 изоформы этого фермента — глутаминзависимая и аммиакзависимая, которые используют разные доноры амидных групп. Первая функционирует в животных клетках, вторая преобладает в бактериальных клетках, но присутствует и у животных. Однако такой путь обезвреживания аммиака в клетках человека используется редко и к тому же требует больших энергетических затрат (энергию двух макроэргических связей), чем синтез глутамина.
Читайте также: Ткани с использованием нанотехнологий
Наиболее значительные количества аммиака обезвреживаются в печени путём синтеза мочевины. В первой реакции процесса аммиак связывается с диоксидом углерода с образованием карба-моилфосфата, при этом затрачиваются 2 молекулы АТФ. Реакция происходит в митохондриях гепатоцитов под действием фермента карбамоилфос-фатсинтетазы I. Карбамоилфосфатсинтетаза II локализована в цитозоле клеток всех тканей и участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов (см. раздел 10). Карбамоилфосфат затем включается в орнитиновый цикл и используется для синтеза мочевины.
Из мышц и кишечника избыток аммиака выводится преимущественно в виде аланина. Этот механизм необходим, так как активность глутаматдегидрогеназы в мышцах невелика и непрямое дезаминирование аминокислот малоэффективно. Поэтому в мышцах существует ещё один путь выведения азота. Образование аланина в этих органах можно представить следующей схемой (см. схему).
Аминогруппы разных аминокислот посредством реакций трансаминирования переносятся на пируват, основным источником которого служит процесс окисления глюкозы.
Мышцы выделяют особенно много аланина в силу их большой массы, активного потребления глюкозы при физической работе, а также потому, что часть энергии они получают за счёт распада аминокислот. Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак обезвреживается, а пируват включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там, в процессе гликолиза, опять окисляется до пирувата (рис. 9-13).
Рис. 9-13. Глюкозо-аланиновый цикл
Образование аланина в мышцах, его перенос в печень и перенос глюкозы, синтезированной в печени, обратно в мышцы составляют глюкозо-аланиновый цикл, работа которого сопряжена с работой глюкозо-лакгатного цикла (см. раздел 7).
Совокупность основных процессов обмена аммиака в организме представлена на рис. 9-14. Доминирующими ферментами в обмене аммиака служат глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза.
Рис. 9-14. Обмен аммиака. Основной источник аммиака — аминокислоты. Большая часть образовавшегося аммиака обезвреживается в орнитиновом цикле в печени и выделяется в виде мочевины. Основной реакцией обезвреживания аммиака в тканях является синтез глутамина, который затем используется в анаболических процессах и для обезвреживания веществ в печени. Ферменты глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза являются регуляторными и обусловливают скорость процессов образования и обезвреживания аммиака
Пути образования и обезвреживания аммиака
Аммиак является одним из конечных продуктов азотистого обмена. В организме человека аммиак образуется в ходе следующих процессов:
Основной путь, приводящий к образованию аммиака в тканях — это непрямое окислительное дезаминирование аминокислот, т.е. трансдезаминирование.
- Неокислительное дезаминирование серина, треонина, цистеина и внутримолекулярное дезаминирование гистидина.
- Гидролитическое дезаминирование АМФ (адениловой кислоты). Процесс особенно активен в мышечной ткани.
- Гидролиз амидов аминокислот – глутамина и аспарагина;
- Окислительное дезаминирование биогенных аминов;
- Деградация пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований;
7. Помимо амииака, образующегося в тканях, значительные его количества образуются кишечными бактериями в результате гниения аминокислот в толстом кишечнике. Из толстого кишечника аммиак поступает в кровь воротной венозной системы. В нормальных условиях печень быстро извлекает аммиак из крови воротной вены, так что кровь, выходящая из печени практически не содержит аммиака.
Но проблема в том, что аммиак – это крайне токсичное вещество, особо опасное для клеток центральной нервной системы. В норме содержание свободного аммиака в крови представлено лишь следовыми количествами (0,4-0,7 мг/л или 25-40 мкмоль/л).
Читайте также: Юбка из тонкой ткани выкройка
Токсическое действие аммиака объясняется следующими обстоятельствами:
— Аммиак диффундирует через мембрану, в клетке гидратируется (NH3 + H2O = NH4OH) с образованием гидроксида аммония, что вызывает внутриклеточный метаболический алкалоз. pH вне- и внутриклеточной среды повышается.
Это приводит к изменению степени ионизации ионогенных групп и как следствие к разрушению ионных связей, стабилизирующих третичную структуру белков. Последнее вызывает изменение нативной конформации белковых молекул, а, следовательно, и нарушение их функций, в частности нарушение активности ферментов, афинности рецепторов.
— При повышении внутриклеточной концентрации аммиака активируются процессы восстановительного аминирования α-кетокислот, в частности – α-кетокислот цикла трикарбоновых кислот – α-кетоглутарата и оксалоацетата.
Это приводит к истощению пула α-кетоглутарата и оксалоацетата, что сопровождается снижением обменной мощности цикла Кребса, а следовательно и нарушением образования АТФ. В результате ингибируются энергозависимые процессы, прежде всего активный мембранный транспорт, что приводит к нарушению процессов реполяризации и поддержания потенциала покоя, а, следовательно, и нарушению таких свойств нервной ткани как возбудимость и проводимость.
При повышении концентрации аммиака, происходит амидирование глутамата:
Глутамат + NH3 глутамин + H2O
В нейронах снижается количество глутамата, и следовательно тормозится процесс декарбоксилирования глутамата. Это приводит к снижению уровеня ГАМК (γ-аминомаслянная кислота – главный тормозный медиатор головного мозга), образующегося при декарбоксилировании глутаминовой кислоты. Поэтому нарушаются процессы торможения в ЦНС.
Вследствие токсичности аммиака его концентрация в крови должна быть очень низкой – менее 65 мкмоль/л. Но при малейшем его повышении возникают симптомы аммиачного отравления: тремор, нечленораздельная речь, затуманивание зрения, возбуждение, судороги, галлюцинации. В тяжелых случаях – коматозное состояние и смерть.
Т.к. аммиак является токсичным веществом, то в организме человека существуют механизмы обезвреживания аммиака:
1. Восстановительное аминирование α-кетокислот;
2. Синтез амидов аминокислот (глутамина и аспарагина);
3. Синтез мочевины в печени;
4. Образование аммонийных солей в почках.
Главным механизмом обезвреживания аммиака в организме человека является синтез мочевины, поэтому мочевина является главным конечным продуктом азотистого обмена.
В процессе эволюции живые организмы выработали различные типы азотистого обмена:
- Аммониотелический тип – главным конечным продуктом азотистого обмена является аммиак. Этот тип характерен для рыб.
- Урикотелический тип – главным конечным продуктом азотистого обмена является мочевая кислота. Этот тип характерен для рептилий и птиц.
- Уреотелический тип – основным конечным продуктом азотистого обмена является мочевина. Этот тип характерен для человека и млекопитающих.
В организме человека большая часть аммиака обезвреживается в печени. Но аммиак образуется практически во всех органах и тканях, и в печень он может попасть только по системе кровообращения.
Поэтому существуют «промежуточные» механизмы обезвреживания аммиака, в результате которых образуются нетоксичные транспортные формы, в составе которых аммиак поступает в печень.
Такими «промежуточными механизмами» являются:
- Восстановительное аминирование α-кетокислот;
- Образование амидов аминокислот.
Транспортными формами аммиака в печень являются:
- Глутамин;
- Аланин (с ним связано функционирование глюкозо-аланинового цикла )