Цикл мочевины - Urea cycle

Цикл мочевины (также известный как цикл орнитина ) - это цикл биохимических реакций, которые производят мочевину (NH ₂ ) ₂ CO из аммиака (NH ₃ ). Этот цикл происходит в уреотелических организмах. Цикл мочевины превращает высокотоксичный аммиак в мочевину для экскреции. Этот цикл был первым метаболическим циклом, который был открыт ( Ханс Кребс и Курт Хенселейт , 1932), за пять лет до открытия цикла TCA . Более подробно этот цикл был описан позже Ратнером и Коэном. Цикл мочевины происходит в основном в печени.и, в меньшей степени, в почках .

Функция

Катаболизм аминокислот приводит к образованию отработанного аммиака. Всем животным нужен способ выведения этого продукта из организма. Большинство водных организмов , или аммонотелических организмов, выделяют аммиак, не превращая его. Организмы, которые не могут легко и безопасно удалить азот, поскольку аммиак превращает его в менее токсичное вещество, такое как мочевина , через цикл мочевины, который происходит в основном в печени. Затем мочевина, вырабатываемая печенью, попадает в кровоток , где она попадает в почки и в конечном итоге выводится с мочой . Цикл мочевины важен для этих организмов, потому что, если азот или аммиак не удаляются из организма, это может быть очень вредным. У видов, включая птиц и большинство насекомых , аммиак превращается в мочевую кислоту или ее уратную соль, которая выделяется в твердой форме .

Реакции

Весь процесс превращает две аминогруппы, одну из NH⁺
₄и один из аспартата , и атом углерода из HCO^-
₃, относительно нетоксичного продукта экскреции мочевины . Это происходит за счет четырех «высокоэнергетических» фосфатных связей (3 АТФ гидролизуются до 2 АДФ и 1 АМФ ). Превращение аммиака в мочевину происходит в пять основных этапов. Первый необходим для того, чтобы аммиак вступил в цикл, а следующие четыре являются частью самого цикла. Чтобы войти в цикл, аммиак превращается в карбамоилфосфат . Цикл мочевины состоит из четырех ферментативных реакций: одной митохондриальной и трех цитозольных . Это использует 6 ферментов.

Реакции цикла мочевины
Шаг	Реагенты	Продукты	Катализируется	Место нахождения
1	NH ₃ + HCO^- ₃+ 2 АТФ	карбамоилфосфат + 2 АДФ + P _i	CPS1	митохондрии
2	карбамоилфосфат + орнитин	цитруллин + P _i	ОТС , цинк, биотин	митохондрии
3	цитруллин + аспартат + АТФ	аргининосукцинат + AMP + PP _i	ЖОПА	цитозоль
4	аргининосукцинат	аргинин + фумарат	ASL	цитозоль
5	аргинин + H ₂ O	орнитин + мочевина	ARG1 , марганец	цитозоль

Реакции цикла мочевины

1 л - орнитин
2 карбамоили фосфат
3 л - цитруллин
4 argininosuccinate
5 фумарата
6 л - аргинин
7 мочевины
L -Asp L - аспартат
КПСА-1 карбамоил фосфат синтетазов I
OTC орнитин transcarbamoylase
АСС argininosuccinate синтетазы
ASL argininosuccinate лиаза
АРГ1 аргиназа 1

Первая реакция: вход в цикл мочевины

Перед началом цикла мочевины аммиак превращается в карбамоилфосфат. Реакция катализируется карбамоилфосфатсинтетазой I и требует использования двух молекул АТФ . Затем карбамоилфосфат входит в цикл мочевины.

Этапы цикла мочевины

Карбамоилфосфат превращается в цитруллин . При катализе орнитин-транскарбамоилазой карбамоилфосфатная группа передается орнитину и высвобождает фосфатную группу.
Реакция конденсации происходит между аминогруппой аспартаты и карбонильной группой цитруллина в виде argininosuccinate . Эта реакция является АТФ-зависимой и катализируется аргининосукцинатсинтетазой .
Аргининосукцинат расщепляется аргининосукциназой с образованием аргинина и фумарата .
Аргинин расщепляется аргиназой с образованием мочевины и орнитина. Затем орнитин транспортируется обратно в митохондрии, чтобы снова начать цикл мочевины.

Общее уравнение реакции

В первой реакции NH⁺
₄+ HCO^-
₃эквивалентно NH ₃ + CO ₂ + H ₂ O .

Таким образом, общее уравнение цикла мочевины выглядит следующим образом:

NH ₃ + CO ₂ + аспартат + 3 АТФ + 3 H ₂ O → мочевина + фумарат + 2 АДФ + 2 P _i + AMP + PP _i + H ₂ O

Поскольку фумарат получают путем удаления NH ₃ из аспартата (посредством реакций 3 и 4) и PP _i + H ₂ O → 2 P _i , уравнение можно упростить следующим образом:

2 NH ₃ + CO ₂ + 3 ATP + 3 H ₂ O → мочевина + 2 ADP + 4 P _i + AMP

Обратите внимание, что реакции, связанные с циклом мочевины, также вызывают производство 2 НАДН , поэтому в целом реакция выделяет немного больше энергии, чем потребляет. НАДН производится двумя способами:

Одна молекула НАДН вырабатывается ферментом глутаматдегидрогеназой при превращении глутамата в аммоний и α-кетоглутарат . Глутамат - нетоксичный переносчик аминогрупп. Это обеспечивает ион аммония, используемый в первоначальном синтезе карбамоилфосфата.
Фумарат, высвобожденный в цитозоль, гидратируется до малата цитозольной фумаразой . Затем этот малат окисляется до оксалоацетата цитозольной малатдегидрогеназой , образуя восстановленный НАДН в цитозоле. Оксалоацетат является одной из кетокислот, предпочитаемых трансаминазами , и поэтому он будет рециркулирован в аспартат , поддерживая поток азота в цикл мочевины.

Мы можем резюмировать это, объединив реакции:

CO ₂ + глутамат + аспартат + 3 ATP + 2 NAD ⁺ + 3 H ₂ O → мочевина + α-кетоглутарат + оксалоацетат + 2 ADP + 2 P _i + AMP + PP _i + 2 NADH

Два продуцируемых НАДН могут обеспечивать энергию для образования 5 АТФ (цитозольный НАДН обеспечивает 2,5 АТФ с малат-аспартатным челноком в клетке печени человека), чистое производство двух высокоэнергетических фосфатных связей для цикла мочевины. Однако, если в цитозоле происходит глюконеогенез , последний восстанавливающий эквивалент используется для реверсирования стадии GAPDH вместо генерации АТФ.

Судьба оксалоацетата - либо продуцировать аспартат посредством трансаминирования, либо превращаться в фосфоенолпируват , который является субстратом для глюконеогенеза .

Продукты цикла мочевины

Как указывалось выше, многие позвоночные используют цикл мочевины для создания мочевины из аммония, так что аммоний не повреждает организм. Хотя это полезно, цикл мочевины имеет и другие эффекты. Например: потребление двух АТФ, производство мочевины, образование H +, объединение HCO3- и NH4 + в формы, в которых он может быть регенерирован, и, наконец, потребление NH4 +.

Регулирование

N- ацетилглутаминовая кислота

Синтез карбамоилфосфата и цикл мочевины зависят от присутствия N- ацетилглутаминовой кислоты (NAcGlu), которая аллостерически активирует CPS1 . NAcGlu является облигатным активатором карбамоилфосфатсинтетазы. Синтез NAcGlu N- ацетилглутаматсинтазой (NAGS) стимулируется как Arg, аллостерическим стимулятором NAGS, так и Glu, продуктом реакций трансаминирования и одним из субстратов NAGS, оба из которых повышаются при повышении уровня свободных аминокислот . Таким образом, Glu является не только субстратом для NAGS, но и активатором цикла мочевины.

Концентрации субстрата

Остальные ферменты цикла контролируются концентрацией их субстратов. Таким образом, наследственная недостаточность ферментов цикла, отличных от ARG1 , не приводит к значительному снижению продукции мочевины (если какой-либо фермент цикла полностью отсутствует, смерть наступает вскоре после рождения). Скорее, субстрат дефицитного фермента накапливается, увеличивая скорость реакции дефицита до нормальной.

Однако аномальное накопление субстрата обходится дорого. Концентрация субстрата повышается на протяжении всего цикла до уровня NH.⁺
₄, что приводит к гипераммониемии (повышенному [ NH⁺
₄] _P ).

Хотя первопричина NH⁺
₄токсичность полностью не изучена, высокий [ NH⁺
₄] создает огромную нагрузку на NH⁺
₄-очищающая система, особенно в головном мозге (симптомы дефицита ферментов цикла мочевины включают умственную отсталость и летаргию ). Эта система очистки включает GLUD1 и GLUL , которые уменьшают пулы 2-оксоглутарата (2OG) и Glu. Мозг наиболее чувствителен к истощению этих бассейнов. Истощение 2OG снижает скорость TCAC , тогда как Glu является одновременно нейромедиатором и предшественником ГАМК , другого нейромедиатора. [1] (стр.734)

Связь с циклом лимонной кислоты

Цикл мочевины и цикл лимонной кислоты являются независимыми циклами, но связаны между собой. Один из атомов азота в цикле мочевины получается в результате переаминирования оксалоацетата в аспартат. Фумарат, полученный на третьей стадии, также является промежуточным продуктом в цикле лимонной кислоты и возвращается в этот цикл.

Нарушения цикла мочевины

Нарушения цикла мочевины встречаются редко и затрагивают примерно одного из 35000 человек в Соединенных Штатах . Могут возникнуть генетические дефекты ферментов, участвующих в цикле, которые обычно проявляются в течение нескольких дней после рождения. Недавно родившийся ребенок обычно испытывает различные приступы рвоты и периоды вялости . В конечном итоге младенец может впасть в кому и получить повреждение головного мозга . Новорожденные с UCD подвержены гораздо более высокому риску осложнений или смерти из-за несвоевременных скрининговых тестов и неправильно диагностированных случаев. Самый частый ошибочный диагноз - неонатальный сепсис . Признаки UCD могут присутствовать в течение первых 2-3 дней жизни, но существующий метод получения подтверждения результатами тестов может занять слишком много времени. Это потенциально может вызвать такие осложнения, как кому или смерть.

Нарушения цикла мочевины также могут быть диагностированы у взрослых, и симптомы могут включать эпизоды делирия , летаргию и симптомы, аналогичные симптомам инсульта . Помимо этих симптомов, если цикл мочевины начинает нарушаться в печени , у пациента может развиться цирроз . Это также может привести к саркопении (потере мышечной массы). Мутации приводят к дефициту различных ферментов и транспортеров, участвующих в цикле мочевины, и вызывают нарушения цикла мочевины. Если люди с дефектом любого из шести ферментов, используемых в цикле, потребляют аминокислоты сверх того, что необходимо для минимальных суточных потребностей, то производимый аммиак не сможет преобразоваться в мочевину. Эти люди могут испытывать гипераммониемию или нарастание промежуточного цикла.

Индивидуальные расстройства

Дефицит N-ацетилглутаматсинтазы (NAGS)
Дефицит карбамоилфосфатсинтетазы (CPS)
Дефицит орнитин-транскарбамоилазы (ОТС)
Цитруллинемия I типа (дефицит синтазы аргинино янтарной кислоты)
Аргинино-янтарная ацидурия (дефицит лиазы аргинино-янтарной кислоты)
Аргининемия (дефицит аргиназы)
Гиперорнитинемия, гипераммониемия, синдром гомоцитруллинурии (ГГГ) (дефицит митохондриального переносчика орнитина)

Все дефекты цикла мочевины, за исключением дефицита без рецепта, наследуются по аутосомно-рецессивному типу. Дефицит ОТС наследуется как Х-сцепленное рецессивное заболевание, хотя у некоторых женщин могут проявляться симптомы. Большинство нарушений цикла мочевины связаны с гипераммониемией , однако аргининемия и некоторые формы аргинино-янтарной ацидурии не проявляются при повышенном содержании аммиака.