Цикл мочевины
Деградация аминокислот происходит
преимущественно в печени. При этом непосредственно или косвенно освобождается
аммиак (см. рис. 181). Значительные количества аммиака образуются при распаде
пуринов и пиримидинов (см. рис. 189).
Аммиак (на схеме наверху слева),
основание средней силы, является клеточным ядом. При высоких концентрациях он
повреждает главным образом нервные клетки. Поэтому аммиак должен быстро
инактивироваться и выводиться из организма. В организме человека это
осуществляется прежде всего за счет образования мочевины (на схеме в
середине слева), часть NH3 выводится непосредственно почками (см. рис.
319).
У разных видов позвоночных инактивация и
выведение аммиака производятся различными способами. Живущие в воде животные
выделяют аммиак непосредственно а воду; например, у рыб он выводится через жабры
(аммониотелические организмы). Наземные позвоночные, в том числе человек,
выделяют лишь небольшое количество аммиака, а основная его часть превращается в
мочевину (уреотелические организмы). Птицы и рептилии, напротив, образуют
мочевую кислоту, которая в связи с экономией воды выделяется преимущественно в
твердом виде (урикотелические организмы).
Мочевина является диамидом угольной
кислоты. В противоположность аммиаку это нейтральное и нетоксичное соединение.
При необходимости небольшая молекула мочевины может проходить через мембраны. По
этой причине, а также из-за ее хорошей растворимости в воде мочевина легко
переносится кровью и выводится с мочой.
Мочевина образуется в результате
циклической последовательности реакций, протекающих в печени. Оба атома азота
берутся из свободного аммиака и за счет дезаминирования аспартата,
карбонильная группа — из гидрокарбоната. На первой стадии, реакция [1],
из гидрокарбоната (НСО3-) и аммиака с потреблением 2
молекул АТФ образуется карбамоилфосфат. Как ангидрид это соединение
обладает высоким реакционным потенциалом. На следующей стадии, реакция [2],
карбамоильный остаток переносится на орнитин с образованием
цитруллина. Вторая аминогруппа молекулы мочевины поставляется за счет
реакции аспартата (на схеме внизу справа) с цитруллином [3]. Для этой
реакции вновь необходима энергия в форме АТФ, который при этом расщепляется на
АМФ и дифосфат. Для обеспечения необратимости реакции дифосфат гидролизуется
полностью (не показано). Отщепление фумарата от аргининосукцината приводит к
аргинину [4], из которого в результате гидролиза образуется изомочевина
[5], сразу же превращающаяся в результате перегруппировки в мочевину.
Остающийся орнитин вновь включается в цикл мочевины.
Фумарат, образующийся в цикле мочевины, может в результате
двух стадий цитратного цикла [6, 7] через малат
переходить в оксалоацетат, который за счет трансаминирования [9]
далее прекращается в аспартат. Последний также вновь вовлекается в цикл мочевины.
Биосинтез мочевины требует больших
затрат энергии. Необходимая энергия поставляется за счет расщепления четырех
высокоэнергетических связей: двух при синтезе карбамоилфосфата и двух (!) при
образовании аргининосукцината (АТФ → АМФ + PPi, РРi →
2Pi).
Цикл мочевины протекает исключительно
в печени. Он разделен на два компартмента, митохондрии и цитоплазму.
Прохождение через мембрану промежуточных соединений цитруллина и орнитина
возможно только с помощью переносчиков (см. рис. 223). Обе аминокислоты
небелкового происхождения.
Скорость синтеза мочевины определяется
первой реакцией цикла [1]. Карбамоилфосфатсинтаза активна только в
присутствии N-ацетилглутамата. Состояние обмена веществ (уровень
аргинина, энергоснабжение) сильно зависит от концентрации этого аллостерического
эффектора.