Аммиак токсичен, и накопление его в организме может привести к смерти. Существуют следующие пути обезвреживания аммиака:
1. Синтез аммонийных солей.
2. Синтез амидов дикарбоновых аминокислот.
Синтез аммонийных солей происходит ограниченно в почках, это как дополнительное защитное приспособление организма при ацидозах. Аммиак и кетокислоты частично используются для ресинтеза аминокислот и для синтеза других азотистых веществ. Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания оргинических и неорганических кислот, образуя с ними нейтральные и кислые соли:
Этим путем организм защищается от потери с мочой при выведениикислот знпачительного количества катионов (Na, K, отчасти Са, Mg), что могло бы привести к резкому снижению щелочного резерва крови. Количество аммонийных солей, выводимых с мочой, заметно повышается при ацидозе, так как аммиак используется для нейтрализации кислоты. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака является использование его для образования амидной связи глутамина и аспарагина. При этом из глутаминовой кислоты под действием фермента глутаминсинтетазы синтезируется глутамин, из аспарагиновой кислоты при участии аспарагинсинтетазы – аспарагин:
Этим путем происходит устранение аммиака во многих органах (мозг, сетчатка, почки, печень, мышцы). Амиды глутаминовой и аспарагиновой кислот могут образоваться и тогда, когда эти аминокислоты находятся в структуре белка, то есть акцептором аммиака может быть не только свободная аминокислота, но и белки, в состав которых они входят. Аспарагин и глутамин доставляются в печень и используются в синтезе мочевины. Аммиак переносится в печень и с помощью аланина (глюкозо-аланиновый цикл). Этот цикл обеспечивает перенос аминогрупп из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину, а работающие мышцы получают глюкозу. В печени глюкоза синтезируется из углеродного скелета аланина. В работающей мышце из α-кетоглутаровой кислоты образуется глутаминовая кислота, которая затем передает аминную группу — NH2 пировиноградной кислоте, в результате синтезируется аланин – нейтральная аминокислота. Схематически указанный цикл выглядит следующим образом:
Глутаминовая кислота + пировиноградная кислота ↔
↔ α-кетоглутаровая кислота + аланин
Рис. 10.1. Глюкозо-аланиновый цикл.
Этот цикл выполняет две функции: 1) переносит аминогруппы из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину;
2) обеспечивает работающие мышцы глюкозой, поступающей с кровью из печени, где для ее образования используется углеродный скелет аланина.
Образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака. Этот процесс изучали в лаборатории И.П.Павлова. Показано, что мочевина синтезируется в печени из аммиака, CO2 и воды.
Мочевина выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Главным местом синтеза мочевины в организме является печень. Сейчас доказано, что синтез мочевины происходит в несколько этапов.
1 стадия – образование карбамоилфосфата происходит в митохондриях под действием фермента карбомоилфосфат-синтетазы:
На следующей стадии с участием орнитина синтезируется цитруллин:
Цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток печени. После этого в цикл вводится вторая аминогруппа в форме аспарагиновой кислоты. Происходит конденсация молекул цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргинин-янтарной кислоты.
Цитруллин аспарагиновая аргинин-янтарная
Аргинин-янтарная кислота расщепляется на аргинин и фумаровую кислоты.
Под действием аргиназы аргинин гидролизуется, образуется мочевина и орнитин. В дальнейшем орнитин поступает в митохондрии и может включиться в новый цикл обезвреживания аммиака, а мочевина выделяется с мочой.
Таким образом, в синтезе одной молекулы мочевины нейтрализуется две молекулы NH3 и CO2 (HCO3), что также имеет значение в поддержании рН. Для синтеза одной молекулы мочевины расходуется 3 молекулы АТФ, в том числе две при синтезе карбомоилфосфата, одна для образования аргинин-янтарной кислоты; фумаровая кислота может превращаться в яблочную и щавелевоуксусную кислоты (цикл Кребса), а последняя в результате трансаминирования или восстановительного аминирования может превратиться в аспарагиновую кислоту. Некоторая часть азота аминокислот выделяется из организма в виде креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата.
Читайте также: Набор тканей для лоскутного шитья
Из всего азота мочи на долю мочевины приходится до 80-90%, аммонийных солей – 6 %. При избыточном кормлении белком доля азота мочевины возрастает, а при недостаточном белковом кормлении снижается до 60 %.
У птиц и рептилий – нейтрализация аммиака происходит путем образования мочевой кислоты. Птичий помет на птицефабриках — это источник азотсодержащего удобрения (мочевая кислота).
Пути временного обезвреживания аммиака в тканях
В организме человека подвергается распаду около 70 г аминокислот в сутки; при этом в результате дезаминирования, трансаминирования и окисления биогенных аминов освобождается большое количество аммиака, являющегося высокотоксичным соединением. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. И, действительно, уровень аммиака в норме в крови не превышает 1-2 мг/л (это почти в 1000 раз меньше концентрации сахара в крови). На кроликах показано, что концентрация аммиака 50 мг/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться связыванию в тканях с образованием нетоксичных соединений, легко выделяемых с мочой.
Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах, является биосинтез глутамина (и, возможно, аспарагина). Поскольку глутамин и аспарагин с мочой выделяются в небольшом количестве, было высказано предположение, что они выполняют скорее транспортную функцию. Позже в тканях, в основном в почках, были открыты специфические ферменты — глутаминаза и аспарагиназа, катализирующие гидролиз соответствующих амидов на аммиак и дикарбоновые аминокислоты.
Синтез амидов требует доставки энергии в виде АТФ и присутствия глутаминовой или аспарагиновой кислоты, свободного аммиака и катализируется специфическими глутамин- и аспарагинсинтетазами в соответствии с уравнением реакций:
Механизм этих синтетазных реакций, подробно изученный Майстером, включает ряд стадий. Если фермент обозначить Е и принять сокращенные буквенные обозначения аминокислот, то механизм синтеза глутамина в присутствии глутаминсинтетазы может быть представлен в следующем виде:
Биосинтез аспарагина протекает несколько отлично и зависит от природы ферментов и донатора аммиака. Так, у микроорганизмов и в животных тканях открыта специфическая аммиакзависимая аспарагинсинтетаза, которая катализирует синтез аспарагина в две стадии:
-
Асп + Е + АТФ —> Е-Аспартил
В животных тканях содержится, кроме того, глутаминзависимая аспарагинсинтетаза, которая для синтеза во второй стадии использует амидную группу глутамина:
Суммарная ферментативная реакция синтеза аспарагина может быть представлена в следующем виде:
Асп + АТФ + NH* + (Глн) -> Асн + АМФ + ФФн + (Глу)
Часть аммиака легко связывается с α-кетоглутаровой кислотой благодаря обратимости глутаматдегидрогеназной реакции; если еще учесть синтез глутамина, то нетрудно видеть, что в организме имеется хорошо функционирующая система, связывающая две молекулы аммиака:
Глутамин, кроме того, используется почками в качестве резервного источника аммиака, необходимого для нейтрализации кислых продуктов обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от потери с мочой ионов Na + , которые в противном случае использовались бы для поддержания физиологического значения pH крови и мочи при ацидозе.
Читайте также: Как покрасить в чае ткань
Орнитиновый цикл мочевинообразования
Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины. Последняя выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного, обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Долгое время решалась проблема, связанная с локализацией сиитеза мочевины. Однозначно эта проблема была решена в лаборатории И. П. Павлова, в которой были получены убедительные доказательства роли печени в этом процессе. Оказалось, что при наложении фистулы Экка — Павлова, выключающей печень из кровотока, наблюдается резкое повышение количества свободных аминокислот в крови и падение количества мочевины в крови и моче. Эти данные, а также клинические наблюдения над больными с органическими поражениями печени (гепатиты, острые некрозы и др.), у которых также было отмечено увеличение концентрации аминокислот в крови и снижение содержания мочевины в крови и моче, позволили считать, что печень является главным, если не единственным, местом биосинтеза мочевины в организме. Нерешенным оставался вопрос о механизме синтеза мочевины.
Для объяснения механизма образования мочевины было предложено множество теорий. Одной из них является разработанная М. В. Ненцким схема синтеза мочевины, основанная на допущении, что непосредственными источниками углерода и азота в молекуле мочевины являются аммиак и углекислота (в форме угольной кислоты). Это положение подтвердилось позже, хотя в связи с открытием аргиназы механизм синтеза мочевины оказался другим.
Кребс и Гензелейт в 1932 г. в опытах со срезами печени измеряли образование мочевины при добавлении в среду различных аминокислот и аммонийных солей. Было показано, что добавление к срезам печени аммонийных солей и каталитических количеств орнитина (но не какой-либо другой аминокислоты) приводило к образованию значительно большего количества мочевины, чем стехиометрическое его количество (одна молекула орнитина способствовала синтезу 20 молекул мочевины; поскольку источником азота мочевины были ионы аммония, орнитин действительно оказывал каталитическое действие). К этому времени уже была открыта в печени аргиназа, которая катализировала распад аргинина на орнитин и мочевину: аргинин-oрнитин + мочевина. Кребс полагал, что каталитическую роль орнитина можно было бы объяснить, если бы существовал некий механизм для регенерации аргинина из орнитина, согласно уравнению:
Это предположение стимулировало поиск возможных промежуточных продуктов между орнитином и аргинином и в качестве кандидата была теоретически предсказана аминокислота цитруллин, который до этого был изолирован из столового арбуза (Citrullus). И действительно, в опытах на срезах печени цитруллин оказывал такой же каталитический эффект в присутствии аммонийных солей на выход мочевины, как и орнитин. На основании этих данных. Кребс вывел уравнения реакций синтеза мочевины, которые представлены ниже в виде цикла, получившего в литературе название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса (рис. 102).
Следует указать, что в биохимии это была первая циклическая система метаболизма, почти на 5 лет опередившая открытие Кребсом другого метаболического цикла трикарбоновых кислот.
Дальнейшие исследования в основном подтвердили циклический механизм биосинтеза мочевины в печени, однако благодаря исследованиям Коена и Ратнер были уточнены промежуточные этапы, природа других участников и ферментные системы, катализирующие образование мочевины.
Таким образом, весь цикл мочевинообразования может быть более детально представлен следующими уравнениями реакций. На первом этапе синтезируется высокоэртическое соединение карбамоилфосфат из СO2 и NH3 (или глутамина в качестве донатора аммиака); этот синтез требует участия двух молекул АТФ:
Фермент содержит биотин в качестве кофермента и сначала реагирует с одной молекулой АТФ, образуя комплекс активная СO2-Е, который затем реагирует с молекулой аммиака (или амидной группой глутамина) и со второй молекулой АТФ (в качестве донатора фосфата). N-Ацетилглутамат является специфическим активатором реакции и его роль сводится, очевидно, к стабилизации активной формы фермента.
Читайте также: Ткань для картины лентами
На втором этапе имеет место конденсация карбамоилфосфата и орнитина с образованием цитруллина — реакцию катализирует орнитинкарбамоилтрансфераза (карбамоилфосфат: L-орнитин-карбамоилтрансфераза):
В 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 аргининоянтарной кислоты (эту реакцию катализирует аргининосукцинатсинтетаза). Аргининоянтарная кислота распадается в следующей реакции на аргинин и фумаровую кислоту при участии другого фермента — аргининосукцинатлиазы. На последнем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под действием аргиназы.
Необходимо учесть, что аргиназа содержится в печени тех животных, которые экскретируют мочевину как основной и конечный продукт азотистого обмена с мочой; в печени птиц, например, аргиназа отсутствует, поскольку птицы выделяют мочевую кислоту вместо мочевины. Таким образом, орнитиновый цикл мочевинообразования с учетом новых данных может быть представлен в следующем виде (рис. 103).
Ниже приведена, кроме того, суммарная реакция синтеза мочевины без учета промежуточных продуктов:
СО2 + NH3 + 3АТФ + 2Н20 + Аспартат —> Мочевина + 2 АДФ + + АМФ + Фумарат + 2 Фн + ФФн
ΔG° = — 40 кДж
Поскольку имеет место снижение свободной энергии, процесс всегда протекает в направлении синтеза мочевины.
Из представленных выше уравнений нетрудно видеть, что один из атомов мочевины имеет своим источником свободный аммиак или амидную группу глутамина (через карбамоилфосфат); второй атом азота мочевины имеет своим источником аспарагиновую кислоту, а не свободный аммиак, образующийся главным образом в процессе глутаматдегидрогеназной реакции. Что касается пополнения запасов аспарагиновой кислоты, то в этом процессе участвуют три сопряженные реакции: сначала фумаровая кислота под действием фумаразы, катализирующая присоединение молекулы Н2O, превращается в яблочную кислоту, которая подвергается окислению при участии специфической малатдегидрогеназы с образованием щавелевоуксусной кислоты; последняя трансаминируется с глутаминовой кислотой, давая аспарагиновую кислоту.
Суммируя известные фактические данные о механизмах обезвреживания аммиака в организме, можно прийти к следующему заключению. Часть аммиака используется на биосинтез аминокислот путем восстановительного аминирования α-кетокислот или реакции трансреаминирования. Аммиак используется в биосинтезе глутамина и аспарагина. Некоторое количество аммиака выводится с мочой в виде аммонийных солей. В форме креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата (см. ниже), выделяется из организма значительная часть азота аминокислот. Однако наибольшее количество аммиака идет 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 15 г азота; из экскретируемого с мочой количества азота на долю мочевины приходится около 85%, креатинина — около 5% (строго постоянная величина), аммонийных солей — 3%, мочевой кислоты — 1% и на другие формы — около 6%.
В процессе эволюции живые организмы выработали различные типы азотистого обмена. Аммонийтелический тип, когда главным конечным продуктом азотистого обмена служит аммиак, свойственен преимущественно рыбам. Уротелический тип обмена, когда основным конечным продуктом обмена белков является мочевина, характерен для человека и животных. И, наконец, урикотелический тип, когда главным конечным продуктом обмена является мочевая кислота, имеет место у птиц и рептилий.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом