Биосинтез мочевины. Связь орнитинового цикла с ЦТК. Происхождение атомов азота мочевины. Нарушения синтеза и выведения мочевины. Гипераммонемии
Биология и генетика
Мочевина - основной конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выделяется до 90% всего выводимого азота. Экскреция мочевины в норме составляет 25 г/сут. При повышении количества потребляемых с пищей белков экскреция мочевины увеличивается.
Биосинтез мочевины. Связь орнитинового цикла с ЦТК. Происхождение атомов азота мочевины. Нарушения синтеза и выведения мочевины. Гипераммонемии.
Мочевина - основной конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выделяется до 90% всего выводимого азота. Экскреция мочевины в норме составляет ∼25 г/сут. При повышении количества потребляемых с пищей белков экскреция мочевины увеличивается. Мочевина синтезируется только в печени. Поражение печени и нарушение синтеза мочевины приводят к повышению содержания в крови и тканях аммиака и аминокислот (в первую очередь, глутамина и аланина).
Мочевина (карбамид) - полный амид угольной кислоты - содержит 2 атома азота. Источником одного из них является аммиак, который в печени связывается с диоксидом углерода с образованием карбамоилфосфата под действием карбамоилфосфатсинтетазы I.
Далее под действием орнитинкарбамоилтрансферазы карбамоильная группа карбамоилфосфата переносится на α-аминокислоту орнитин, и образуется другая α-аминокислота цитруллин. Следующей реакции аргининосукцинатсинтетаза связывает цитруллин с аспартатом и образует аргининосукцинат (аргининоянтарную кислоту). Этот фермент нуждается в ионах Mg2+. В реакции затрачивается 1 моль АТФ, но используется энергия двух макроэргических связей. Аспартат - источник второго атома азота мочевины Далее фермент аргининосукцинатлиаза (аргининосукциназа) расщепляет аргининосукцинат на аргинин и фумарат, при этом аминогруппа аспартата оказывается в молекуле аргинина. Аргинин подвергается гидролизу под действием аргиназы, при этом образуются орнитин и мочевина. Кофакторами аргиназы являются ионы Са2+ или Мn2+. Высокие концентрации орнитина и лизина, являющихся структурными аналогами аргинина, подавляют активность этого фермента. Образующийся орнитин взаимодействует с новой молекулой карбамоилфосфата, и цикл замыкается. Первые две реакции процесса происходят в митохондриях гепатоцитов. Затем цитруллин, являющийся продуктом этих реакций, транспортируется в цитозоль, где и осуществляются дальнейшие превращения.
Суммарное уравнение синтеза мочевины:
СО2 + NH3 + Аспартат + 3 АТФ + 2 Н2О → Мочевина + Фумарат + 2 (АДФ + Н3Р04) + АМФ + H4P2O7.
Взаимосвязь орнитинового цикла и общего пути катаболизма. Фумарат, образующийся в результате расщепления аргининосукцината, превращается в малат, который затем переносится в митохондрии, включается в ЦТК и дегидрируется с образованием оксалоацетата. Эта реакция сопровождается выделением 3 молекул АТФ, которые и компенсируют затраты энергии на синтез одной молекулы мочевины.
Гипераммониемия Нарушение реакций обезвреживания аммиака может вызвать повышение содержания аммиака в крови - гипераммониемию, что оказывает токсическое действие на организм. Причинами гипераммониемии могут выступать как генетический дефект ферментов орнитинового цикла в печени, так и вторичное поражение печени в результате цирроза, гепатита и других заболеваний. Известны пять наследственных заболеваний, обусловленных дефектом пяти ферментов орнитинового цикла:
Наследственные нарушения орнитинового цикла и основные их проявления
|
Заболевание |
Дефект фермента |
Тип наследования |
Клинические проявления |
Метаболиты |
|
|
кровь |
моча |
||||
|
Гиперам- мониемия, тип I |
Карбамоил- фосфат- синтетаза I |
Аутосомно- рецессивный |
В течение 24-48 ч после рождения кома, смерть |
Глн Ала NH3 |
Оротат |
|
Гиперам- мониемия, тип II |
Орнитин- карбамоил- трансфераза |
Сцепленный с Х-хромосомой |
Гипотония, снижение толерантности к белкам |
Глн Ала NH3 |
Оротат |
|
Цитрул- линемия |
Аргинино- сукцинат- синтетаза |
Аутосомно- рецессивный |
Гипераммониемия тяжёлая у новорождённых. У взрослых - после белковой нагрузки |
Цитруллин NH3 |
Цитруллин |
|
Аргинино- сукцина- турия |
Аргинино- сукцинат- лиаза |
Аутосомно-рецессивный |
Гипераммонимия, атаксия, судороги, выпадение волос |
Аргини- носукцинат NH3 |
Аргини- носукци- нат, Глн, Ала, Лиз |
|
Гиперар- гининемия |
Аргиназа |
Аутосомно-рецессивный |
Гипераргининемия |
Apr NH3 |
Apr Лиз Орнитин |
Нарушение орнитинового цикла наблюдается при гепатитах различной этиологии и некоторых других вирусных заболеваниях. Например, установлено, что вирусы гриппа и других острых респираторных вирусных инфекций снижают активность карбамоилфосфатсинтетазы I. При циррозе и других заболеваниях печени также часто наблюдают гипераммониемию. Снижение активности какого-либо фермента синтеза мочевины приводит к накоплению в крови субстрата данного фермента и его предшественников. Так, при дефекте аргининосук-цинатсинтетазы повышается содержание цитруллина (цитруллинемия); при дефекте аргиназы - концентрация аргинина, аргининосукцината, цитруллина и т.д. При гипераммониемиях I и II типа вследствие дефекта орнитинкарбамоилтрансферазы происходит накопление карбамоилфосфата в митохондриях и выход его в цитозоль. Это вызывает увеличение скорости синтеза пиримидиновых нуклеотидов (вследствие активации карбамоилфосфатсинтетазы II), что приводит к накоплению оротата, уридина и урацила и выведению их с мочой. Содержание всех метаболитов повышается, и состояние больных ухудшается при увеличении количества белков в пище. Тяжесть течения заболевания зависит также от степени снижения активности ферментов. Все нарушения орнитинового цикла приводят к значительному повышению в крови концентрации аммиака, глутамина и аланина.
Гипераммониемия сопровождается появлением следующих симптомов:
- тошнота, повторяющаяся рвота;
- головокружение, судороги;
- потеря сознания, отёк мозга (в тяжёлых случаях);
- отставание умственного развития (при хронической врождённой форме
- Все симптомы гипераммониемии - проявление действия аммиака на ЦНС (см. выше подраздел IV, Б).
Для диагностики различных типов гипераммониемии производят определение содержания аммиака в крови, метаболитов орнитинового цикла в крови и моче, акгивности фермента в биоптатах печени. Основной диагностический признак - повышение концентрации аммиака в крови. Содержание аммиака в крови может достигать 6000 мкмоль/л (в норме - 60 мкмоль/л). Однако в большинстве хронических случаев уровень аммиака может повышаться только после белковой нагрузки или в течение острых осложнённых заболеваний.
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать |
|||
| 28799. | Какими характерными чертами отмечено социально-культурное развитие восточно-славянских племен в 6-9вв | 19.3 KB | |
| Предки славян принадлежали к древнему индоевропейскому единству. Одним из них и стали славяне. Позднее в славянском массиве возникают западные венеды и восточные анты ветви. | |||
| 28800. | Как происходило образование Древнерусского государства? Какие точки зрения по этому вопросу вам известны | 21.64 KB | |
| Образование государства у восточных славян длительный процесс растянутый во времени благодаря чему сохранились пережитки племенной демократии. ОБРАЗОВАНИЕ ДРЕВНЕРУССКОГО ГОСУДАРСТВА 1. К политическим факторам образования государства у восточных славян следует отнести усложнение внутриплеменных отношений и межплеменные столкновения которые ускоряли становление княжеской власти повышали роль князей и дружины как обороняющих племя от внешних врагов так и выступающих в качестве арбитра при различного рода спорах. | |||
| 28801. | Государство Киевская Русь и его цивилизационные особенности (социально-политический строй, экономика, законодательство, культура) | 16.04 KB | |
| на Руси распространялись славянские азбуки кириллица и глаголица созданные Кириллом и Мефодием. На Руси широкое распространение получила грамотность также ставшая результатом принятия христианства и появления литературы на славянском языке. Было принято христианство означавшее включение Руси в христианский мир. Для Киевской Руси характерно было слабое юридическое развитие недостаточность развития государственных начал отсутствие единства приведшее к последующему распаду. | |||
| 28802. | Почему Русь приняла христианство? Какое значение имело принятие христианства для развития страны | 13.83 KB | |
| Культурные связи с более развитыми странами и прежде всего с Византией содействовали принятию христианства. Принятие христианства имело колоссальное политическое и культурное значение в русской истории: 1. Влияние христианства на развитие культуры проявилось в распространении на Русь славянской письменности развитии иконописи. | |||
| 28803. | Каковы причины политической раздробленности на Руси? Дайте характеристику русских княжеств и земель в условиях децентрализации Киевской Руси | 15.29 KB | |
| Причины: борьба за власть рост городов набеги кочевников Киев теряет свое значение 1ВладимироСуздальскаяЮрий Долгоруковвласть принадлежала князю 2Галецко Волынская князь Даниил Романович власть принадлежала боярем князю 3Новгород власть вече народное собрание Последствие раздробленности: новые торговли развитие новых город развитие культур ослабление междоусобных войск и дробление княжеств ослабление центральной власти. | |||
| 28804. | Русь и Золотая Орда. Какие оценки монгольского фактора в истории России существуют в исторической литературе | 15.88 KB | |
| Карамзина состояли в следующем: согласие с татарами позволившее провести 40 мирных лет; большая заслуга перед своей малой Родиной Московским княжеством: обогатил усилил расширил; ЛН Гумилев считал что монголотатарского ига на Руси не было Нашествия Батыя были лишь военным рейдом и последующие события не имеют к нему непосредственного отношения Он утверждал что Великое княжество Владимирское в лице Александра Невского добилось выгодного союза с Золотой Ордой В 1237 г. Батый вторгся в земли Руси. ×Ярлык на княжение зависимые... | |||
| 28805. | Каковы причины возвышения Москвы? Какие еще альтернативы объединения Руси вы могли бы назвать | 14.07 KB | |
| свержение монголотатарского ига Иван III происшедшее мирным путем после отказа платить дань Орде и последующего стояния на Угре русского и татарского войск друг против друга когда хан так и не решился вступить в битву. первый свод законов нового объединенного Русского государства Судебник Ивана III. завершение процесса объединения при сыне Ивана III Василии III. | |||
| 28806. | Образование централизованного Московского государства в 15-16вв. Чем данный процесс в России отличается от западноевропейского | 13.91 KB | |
| Особенностями политической системы Московского царства были: а внутренней: 1 авторитарный характер государственной власти 2 превращения Руси с XV в и единственное в мире независимое православное государство; 3 закрепление политической и культурной изоляции и отставания от Европы; б внешней: 1 огромная территория государства 2 превращение Руси в многонациональное государство Завершающий этап централизации Русского государства связан с именем и царствованием внука Ивана III Ивана Грозного впервые принявшего в 1547 г. Тем самым... | |||
| 28807. | Внешняя политика Советского государства в 20-30-х гг. Почему в данный период не удалось создать систему международной безопасности | 15.85 KB | |
| Почему в данный период не удалось создать систему международной безопасности Внешняя политика СССР в 2030 гг. СССР добился снятия экономической блокады. 1924-1933 годы постепенного признания СССР.В конце 20х годов произошло резкое ухудшение международного положения СССР. | |||
Большая часть свободного аммиака, а также аминного азота в составе АК (в основном глутамин, аланин) поступают в печень, где из них синтезируется нетоксичное и хорошо растворимое в воде соединение - мочевина. Мочевина является основной формой выведения азота из организма человека.
Синтез мочевины происходит в цикле, который замыкается орнитином. Цикл открыли в 40-х годах XX века немецкие биохимики Г. Кребс и К. Гензелейт.
Мочевина (карбамид) - полный амид угольной кислоты - содержит 2 атома азота, один из аммиака, другой – из асп.
Реакции орнитинового цикла
Предварительно в митохондриях под действием карбамоилфосфатсинтетазы I с затратой 2 АТФ аммиак связывается с СО2 с образованием карбамоилфосфата:
(Карбамоилфосфатсинтетаза II локализована в цитозоле клеток всех тканей и участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов).
1. В митохондриях орнитинкарбамоилтрансфераза переносит карбамоильную группу карбамоилфосфата на орнитин и образуется - цитруллин:
2. В цитозоле аргининосукцинатсинтетаза с затратой 1 АТФ (двух макроэргических связей) связывает цитруллин с аспартатом и образует аргининосукцинат (аргининоянтарная кислота). Фермент нуждается в Mg2+. Аспартат - источник второго атома азота мочевины.
3. В цитозоле аргининосукцинатлиаза (аргининсукциназа) расщепляет аргининосукцинат на аргинин и фумарат (аминогруппа аспартата оказывается в аргинине).
4. В цитозоле аргиназа гидролизует аргинин на орнитин и мочевину. У аргиназы кофакторы ионы Са2+ или Мn2+, ингибиторы - высокие концентрации орнитина и лизина.
Образующийся орнитин взаимодействует с новой молекулой карбамоилфосфата, и цикл замыкается.
Регенерация аспартата из фумарата
Фумарат, образующийся в орнитиновом цикле, в цитозоле превращается в ЩУК, который переаминируется с аланином или глутаматом с образованием аспартата. Аланин поступает главным образом из мышц и клеток кишечника:
Малат может направиться в митохондрии и включиться в ЦТК.
Пируват, образующийся в этих реакциях из аланина, используется для глюконеогенеза.
Общее уравнение синтеза мочевины:
CO2 + NH3 + асп + 3 АТФ + 2 Н2О → мочевина + фумарат + 2АДФ + АМФ + 2Фн + ФФн
Энергетический баланс орнитинового цикла
На синтез 1 мочевины расходуются 4 макроэргических связи 3 АТФ. Дополнительные затраты энергии связаны с трансмембранным переносом веществ и экскрецией мочевины. Энергозатраты при этом частично компенсируются:
· при окислительном дезаминировании глутамата образуется 1 молекула НАДН2, которая обеспечивает синтез 3 АТФ;
· в ЦТК, при превращении малата в ЩУК образуется еще 1 молекула НАДН2, которая также обеспечивает синтез 3 АТФ;
Орнитиновый цикл в печени выполняет 2 функции:
1. превращение азота АК в мочевину, которая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов, главным образом аммиака;
2. синтез аргинина и пополнение его фонда в организме.
Полный набор ферментов орнитинового цикла есть только в гепатоцитах. Отдельные же ферменты орнитинового цикла обнаруживаются в разных тканях. В энтероцитах , есть карбамоилфосфатсинтетаза I и орнитинкарбамоилтрансфераза, следовательно, может синтезироваться цитруллин. В почках есть аргининосукцинатсинтетаза и аргининосукцинатлиаза. Цитруллин, образовавшийся в энтероцитах, может поступать в почки и превращаться там в аргинин, который переносится в печень и гидролизуется аргиназой. Активность этих рассеянных по разным органам ферментов значительно ниже, чем в печени.
Выделение азота из организма
Азот выводиться из организма с мочой, калом, потом и с выдыхаемым воздухом в виде различных соединений. Основная масса азота выделяется из организма с мочой в виде мочевины (до 90%). В норме соотношение азотсодержащих веществ в моче составляет: мочевина 86%, креатинин 5%, аммиак 3%, мочевая кислота 1,5% и другие вещества 4,5%. Экскреция мочевины в норме составляет 25 г/сут, солей аммония 0,5 г/сут.
Пути образования аммиака
Аммиак образуется во всех тканях, особенно в головном мозге, а обезвреживается в печени и почках.
Пути образования:
1)дезаминирование а/к-т;
2)дезаминирование пуриновых оснований;
3)распад пиримидиновых оснований;
4)дезамидирование амидов;
5)дезаминирование биогенных аминов;
6)распад гексозаминов
Дезаминирование – основной путь распада (катаболизма) а/к-т. В сутки подвергается дезаминированию ок.70 г а/к-т.
1)гидролитический
2)восстановительное дезаминирование
3)внутримолекулярное (асп,асн и гис),
4)окислительное (этот вид является основным(глу).
Процесс происходит под действием фермента – глутаматДГ, который находится в активном виде.
Пути обезвреживания аммиака .
Аммиак в малых дозах – это физиологический раздражитель, в больших – токсическое вещество. Поэтому концентрация аммиака в организме должна находиться на низком уровне – 60 мкМ/л. Гомеостаз аммиака поддерживается за счет его обезвреживания в тканях.
Пути :
1)амидирование;
2)аммонийгенез;
3)восстановительное аминирование;
4)синтез мочевины.
Аммиак, образующийся при дезамидировании в печени, обезвреживается, используясь на синтез мочевины. В почках - на образование аммонийных солей(аммонийгенез). В печени и других тканях аммиак обезвреживается в р-те реакции восстановительного аминирования. Преимущественно в печени идет процесс образования мочевины, являющийся основным путем обезвреживания аммиака.
Образование мочевины получило название орнитиновый цикл, или цитруллиновая теория. Синтез мочевины протекает в МТХ печени. Предварительно в МТХ под действием карбамоилфосфатсинтетазы I с затратой 2АТФ аммиак связывается с СО2 с образованием карбамоилфосфата:
1.В МТХ орнитинкарбамоилтрансфераза переносит карбамоильную группу карбамоилфосфата на орнитин и образуется - цитруллин:
2.В цитозоле аргининосукцинатсинтетаза с затратой 1АТФ(2макроэргических связей)связывает цитруллин с аспартатом и образуется аргининосукцинат(аргининоянтарная к-та).Фермент нуждается в Mg2+.мАспартат-источник 2ого атома азота мочевины.
3.В цитозоле аргининосукцинатлиаза (аргининсукциназа) расщепляет аргининосукцинат на аргинин и фумарат (аминогруппа аспартата оказывается в аргинине).
Фумарат в ЦТК.
4.В цитозоле аргиназа гидролизует аргинин на орнитин и мочевину. У аргиназы кофакторы ионы Са2+ или Мn2+,ингибиторы-высокие концентрации орнитина и лизина.
Образующийся орнитин взаимодействует с новой молекулой карбамоилфосфата, и цикл замыкается. Мочевина в кровь->почки->выводится.
Общее уравнение синтеза мочевины:
CO2+NH3+асп+3АТФ+2Н2О→мочевина+ фумарат+2АДФ+АМФ+2Фн+ФФн.
На синтез 1 молекулы мочевины расходуются 4 макроэргических связи 3АТФ.
Ф-ии цикла:
1.превращает азота АК в мочевину, которая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов,главным образом аммиака.
2.синтез аргинина и пополнение его фонда в организме.
Нарушение цикла:
1.Гипераммониемия 1 типа - дефект карбомаилфосфат синтетазы.
2.Гипераммониемия 2типа
3.Цитруллинемия
4.Оргининсукцинатомия
5.Гиперарининемия.
Мочевинообразование - одна из важнейших дезинтоксикационных функций печени , заключающихся в преобразовании ядовитых осколков белковой молекулы в нетоксичное вещество. При дезаминировании а/к-т, нуклеотидов и др.азотистых соединений печень принимает участие в синтезе аммиака, превышение предельно допустимых концентраций которого становится высокотоксичным для организма. Дезинтоксикация аммиака происходит посредством использования его для синтеза мочевины.
24.4.1. Биосинтез мочевины - основной путь обезвреживания аммиака. Мочевина синтезируется в орнитиновом цикле, протекающем в клетках печени. Эту последовательность реакций открыли Х.Кребс и К.Хензелейт в 1932 г. Согласно современным представлениям, цикл мочевины включает последовательность пяти реакций.
Две начальные реакции биосинтеза мочевины происходят в митохондриях клеток печени.
Последующие реакции протекают в цитоплазме клеток печени.
Общая схема орнитинового цикла представлена на рисунке 24.2:
Рисунок 24.2.
Схема орнитинового цикла и его связь с превращениями фумаровой и аспарагиновой кислот.
Цифрами обозначены ферменты, катализирующие реакции орнитинового цикла: 1 - карбамоилфосфатсинтетаза; 2 - орнитин-карбамоилтрансфераза; 3 - аргининосукцинатсинтетаза; 4 - аргининосукцинатлиаза; 5 - аргиназа.
24.4.2. Орнитиновый цикл находится в тесной взаимосвязи с циклом трикарбоновых кислот :
- пусковые реакции цикла мочевины, как и реакции ЦТК, протекают в митохондриальном матриксе;
- поступление СО2 и АТФ, необходимых для образования мочевины, обеспечивается работой ЦТК;
- в цикле мочевины образуется фумарат, который является одним из субстратов ЦТК. Фумарат гидратируется в малат, который в свою очередь окисляется в оксалоацетат. Оксалоацетат может подвергаться трансаминированию в аспартат; эта аминокислота участвует в образовании аргининосукцината.
24.4.3. Регуляция активности ферментов цикла осуществляется главным образом на уровне карбамоилфосфатсинтетазы, которая малоактивна в отсутствие своего аллостерического активатора - N-ацетил-глутамата. Концентрация последнего зависит от концентрации его предшественников (ацетил-КоА и глутамата), а также аргинина, который является аллостерическим активатором N-ацетилглутаматсинтазы:
Ацетил-КоА + Глутамат N-ацетилглутамат + КоА-SH
Концентрация ферментов орнитинового цикла зависит от содержания белка в пищевом рационе. При переходе на диету, богатую белком, в печени повышается синтез ферментов орнитинового цикла. При возвращении к сбалансированному рациону концентрация ферментов снижается. В условиях голодания, когда усиливается распад тканевых белков и использование аминокислот как энергетических субстратов, возрастает продукция аммиака, концентрация ферментов орнитинового цикла увеличивается.
24.4.4. Нарушения орнитинового цикла . Известны метаболические нарушения, обусловленные частичным блокированием каждого из 5 ферментов, катализирующих в печени реакции синтеза мочевины, а также N-ацетилглутаматсинтазы. Эти генетические дефекты, очевидно, являются частичными. Полное блокирование какой-либо из стадий цикла мочевины в печени, по-видимому, несовместимо с жизнью, потому что другого эффективного пути удаления аммиака не существует.
Общим признаком всех нарушений синтеза мочевины является повышенное содержание NH4 + в крови (гипераммониемия ). Наиболее тяжёлые клинические проявления наблюдаются при дефекте фермента карбамоилфосфатсинтетазы. Клиническими симптомами, общими для всех нарушений цикла мочевины, являются рвота, нарушение координации движений, раздражительность, сонливость и умственная отсталость. Если заболевание не диагностируется, то быстро наступает гибель. У детей старшего возраста проявлениями заболевания служат повышенная возбудимость, увеличение размеров печени и отвращение к пище с высоким содержанием белка.
Лабораторная диагностика заболеваний включает определение содержания аммиака и метаболитов орнитинового цикла в крови, моче и спинномозговой жидкости; в сложных случаях прибегают к биопсии печени.
Значительное улучшение наблюдается при ограничении белка в диете, при этом могут быть предотвращены многие нарушения мозговой деятельности. Малобелковая диета приводит к снижению содержания аммиака в крови и к улучшению клинической картины при мягких формах этих наследственных нарушений. Пищу следует принимать часто, небольшими порциями, для того чтобы избежать резкого повышения уровня аммиака в крови.
24.4.5. Клинико-диагностическое значение определения мочевины в крови и моче. В крови здорового человека содержание мочевины составляет 3,33 - 8,32 ммоль/л. За сутки с мочой выводится 20 - 35 г мочевины.
Изменения содержания мочевины в крови при заболеваниях зависят от соотношения процессов её образования в печени и выведения почками. Повышение содержания мочевины в крови (гиперазотемия) отмечается при почечной недостаточности, снижение - при недостаточности печени, при диете с низким содержанием белков.
Повышение экскреции мочевины с мочой наблюдается при употреблении пищи с высоким содержанием белков, при заболеваниях, сопровождающихся усилением катаболизма белков в тканях, при приёме некоторых лекарств (например, салицилатов). Снижение экскреции мочевины с мочой характерно для заболеваний и токсических поражений печени, заболеваний почек, сопровождающихся нарушением их фильтрационной способности.