Орнитиновый цикл: реакции, схема, описание, метаболические нарушения

Чтобы организм человека поддерживал нормальную жизнедеятельность, он выработал механизмы выведения токсических веществ. Среди них аммиак – конечный продукт метаболизма азотистых соединений, прежде всего белков. NH₃ токсичен для организма, и, как любой яд, выводится через выделительную систему. Но прежде аммиак претерпевает целый ряд последовательных реакций, который носит название орнитиновый цикл.

Типы азотистого обмена

Не для всех животных характерно выделение аммиака в окружающую среду. Альтернативными конечными веществами метаболизма азота являются мочевая кислота и мочевина. Соответственно, называют три типа азотистого обмена, в зависимости от выделяемого вещества.

Аммониотелический тип. Конечным веществом здесь является аммиак. Это бесцветный газ, растворимый в воде. Аммониотелия характерна для всех рыб, которые обитают в соленых водоемах.

Уреотелический тип. Животные, для которых характерна уреотелия, выделяют в окружающую среду мочевину. Примерами являются пресноводные рыбы, амфибии и млекопитающие, в том числе и человек.

Урикотелический тип. Сюда относятся те представители животного мира, у которых конечным метаболитом являются кристаллы мочевой кислоты. Это вещество как продукт азотистого обмена встречается у птиц и пресмыкающихся.

В любом из этих случаев задача конечного продукта обмена – это выведение ненужного азота из организма. Если этого не происходит, наблюдается таксация клеток и ингибирование важных реакций.

Что такое мочевина?

Мочевина – это амид угольной кислоты. Она образуется из аммиака, углекислого газа, азота и аминогрупп некоторых веществ во время протекания реакций орнитинового цикла. Мочевина – это продукт выделения уреотелических животных, среди которых и человек.

Мочевина является одним из способов экскреции избытка азота из организма. Образование этого вещества несет протекторную функцию, т.к. предшественник мочевины - аммиак, токсичен для клеток человека.

При переработке 100 г белка различной природы с мочой выделяется 20-25 г мочевины. Вещество синтезируется в печени, а после с током крови попадает в нефрон почки и выводится вместе с мочой.

Печень – главный орган синтеза мочевины

Во всем организме человека не найдется такой клетки, в которой будут присутствовать абсолютно все ферменты орнитинового цикла. Кроме гепатоцитов, конечно. Функция клеток печени состоит не только в синтезе и разрушении гемоглобина, но и в проведении всех реакций синтеза мочевины.

Под описание орнитинового цикла подходит тот факт, что он является единственным способом удаления азота из организма. Если на практике ингибировать синтез или действие главных ферментов, синтез мочевины остановится, а организм погибнет от переизбытка аммиака в крови.

Орнитиновый цикл. Биохимия реакций

Цикл синтеза мочевины проходит в несколько этапов. Общая схема орнитинового цикла представлена ниже (картинка), поэтому разберем каждую реакцию в отдельности. Первые две стадии протекают непосредственно в митохондриях клеток печени.

NH₃ реагирует с углекислым газом с затратой двух молекул АТФ. В результате этой энергозатратной реакции образуется карбамоилфосфат, в котором содержится макроэргическая связь. Катализирует этот процесс фермент карбамоилфосфат-синтетаза.

Карбамоилфосфат вступает в реакцию с орнитином под действием фермента орнитин-карбамоил-трансферазы. В итоге макроэргическая связь разрушается, а за счет ее энергии образуется цитруллин.

Третья и последующие стадии протекают не в митохондриях, а в цитоплазме гепатоцитов.

Идет реакция между цитруллином и аспаратом. С затратой 1 молекулы АТФ и под действием фермента аргинино-сукцинат-синтазы образуется аргинино-сукцинат.

Аргинино-сукцинат в совокупности с ферментом аргинино-сукцина-лиаза расщепляется до аргинина и фумарата.

Аргинин в присутствии воды и под действием аргиназы расщепляется до орнитина (1 реакция) и мочевины (конечный продукт). Цикл замкнулся.

Энергетика цикла синтеза мочевины

Орнитиновый цикл – энергозатратный процесс, при котором расходуются макроэргические связи молекул аденозинтрифосфата (АТФ). На протяжении всех 5 реакции в совокупности образуются 3 молекулы АДФ. К тому же энергия уходит на транспорт веществ из митохондрии в цитоплазму и наоборот. Откуда же берется АТФ?

Фумарат, который образовался в четвертой реакции, может быть использован как субстрат в цикле трикарбоновых кислот. В ходе синтеза малата из фумарата выделяется НАДФН, который дает в результате 3 молекулы АТФ.

Реакция дезаминирования глутамата также играет роль в снабжении клеток печени энергией. При этом выделяются также 3 молекулы АТФ, которые идут на синтез мочевины.

Регуляция активности орнитинового цикла

В норме каскад реакций синтеза мочевины функционирует на 60% от возможного значения. При повышенном содержании белка в пище происходит ускорение реакций, что приводит к повышению общего КПД. Метаболические нарушения орнитинового цикла наблюдаются при высоких физических нагрузках и длительном голодании, когда организм начинает расщеплять собственные белки.

Регулирование работы орнитинового цикла может происходить и на биохимическом уровне. Здесь мишенью является основной фермент карбамоилфосфат-синтетаза. Его аллостерическим активатором является N-ацетил-глутамат. При его большом содержании в организме реакции синтеза мочевины протекают нормально. При недостатке самого вещества или его предшественников, глутамата и ацетил-КоА, орнитиновый цикл теряет свою функциональную нагрузку.

Связь цикла синтеза мочевины и цикла Кребса

Реакции обоих процессов протекают в матриксе митохондрий. Это дает возможность участвовать некоторым органическим веществам в двух биохимических процессах.

СО₂ и аденозинтрифосфат, которые образуются в цикле лимонной кислоты, являются предшественниками карбамоилфосфата. АТФ также является важнейшим источником энергии.

Орнитиновый цикл, реакции которого протекают в гепатоцитах печени, - это источник фумарата, одного из важнейших субстратов в цикле Кребса. Более того, это вещество в результате нескольких поэтапных реакций дает начало аспартату, который, в свою очередь, используется в биосинтезе орнитинового цикла. Реакция с участием фумарата является источником НАДФ, с помощью которого можно фосфорилировать АДФ до АТФ.

Биологический смысл орнитинового цикла

Подавляющая часть азота поступает в организм в составе белков. В процессе метаболизма аминокислоты разрушаются, образуется аммиак как конечный продукт обменных процессов. Орнитиновый цикл – это несколько последовательных реакций, главная задача которых состоит в детоксикации NH₃ с помощью его перевода в мочевину. Мочевина, в свою очередь, поступает в нефрон почки и выводится из организма с мочой.

Кроме того, побочно орнитиновый цикл является источником аргинина – одной из незаменимых аминокислот.

Нарушения в синтезе мочевины может привести к такому заболеванию, как гипераммониемия. Эта патология характеризуется повышенной концентрацией ионов аммония NH_4⁺ в крови человека. Эти ионы отрицательно сказываются на жизнедеятельности организма, выключая или замедляя некоторые важные процессы. Игнорирование этого заболевания может привести к летальному исходу.