 |
|
Метаболізм аміаку в організмі людини. Біосинтез сечовини
6.3.1. Джерела утворення аміаку. Катаболізм амінокислот у тканинах проходить постійно зі швидкстю приблизно 100 г/добу у результаті чого звільняється аміак, концентрація якого у крові становить 0,4 – 0,7 мг/л (25 – 40 мкмоль/л).
Основними джерелами аміаку в організмі є:
1. Дезамінування амінокислот ( непряме, окиснювальне);
2. Окиснювальне дезамінування біогенних амінів (гістаміну, серотоніну тощо);
3. Дезамінування пуринових основ (гуаніну і аденіну);
4. Дезамінування амідів амінокислот (аспарагіну і глутаміну);.
5. Розпад піримідинових основ (урацилу, тиміну, цитозину).
Основним у кількісному відношенні джерелом накопичення аміаку в організмі людини є окиснювальне дезамінування амінокислот, тобто білковий катаболізм: азот сечовини — кінцевого азотовмісного продукту деградації білків — становить приблизно 90 % всього азоту, що екскретується.
Додатковими джерелами ендогенного аміаку є реакції дезамінування біогенних амінів, азотистих основ, які утворюються при катаболізмі нуклеотидів. Значна кількість вільного аміаку поступає у кров із системи ворітної вени внаслідок його утворення при катаболізмі азотовмісних біоорганічних сполук (основним чином, білків продуктів харчування) кишковими бактеріями.
Основним джерелом утворення аміаку в тканині головного мозку є реакція гідролітичного дезамінування АМФ до інозинмонофосфату (ІМФ), що каталізується ферментом аденозиндезаміназою:
Аміак, який вивільняється, знешкоджується в результаті глутамінсинтетазної реакції, утворюючи з глутамату глутамін, який виводиться з головного мозку.
Аміак є токсичною речовиною, особливо небезпечною для головного мозку. Надмірне накопичення в організмі аміаку спостерігається при порушенні сечовиноутворювальної функції печінки (вірусні та токсичні гепатити, цирози печінки), азотовидільної функції нирок (гостра або хронічна ниркова недостатність), спадкових (вроджених) гіперамонієміях, що спричинені генетичними дефектами ферментів синтезу сечовини.
Клінічно гіперамоніємія характеризується глибокими порушеннями функції центральної нервової системи, можливим розвитком коматозного стану. Токсичність аміаку пов'язують із його здатністю порушувати функціонування трикарбонового циклу в мітохондріях нейронів головного мозку внаслідок виведення із ЦТК a–кетоглутарату:
Ця реакція (відновлювальне амінування a–кетоглутарату) виводить a–кетоглутарат з пулу метаболітів трикарбонового циклу. Нестача α-кетоглутарату призводить до зниження концентрації метаболітів ЦТК, а це прискорює синтез оксалоацетату із пірувату, що супроводжується інтенсивним споживанням вуглекислого газу. Посилене утворення та споживання СО2 при гіперамоніємії особливо характерно для клітин головного мозку.
Альтернативна теорія нейротоксичності аміаку пов'язує його негативні ефекти з пошкоджуючою дією на нейрони високих концентрацій глутаміну, який утворюється в надмірній кількості з аміаку та глутамату.
Підвищення концентрації аміаку в мозку до 0,6 ммоль/л викликає судоми, тремор, нечленороздільну мову, нудоту, блювоту, головокружіння, втрату свідомості. У тяжких випадках розвивається кома, що може закінчитися летально. Зниження концентрації глутамату порушує обмін амінокислот і нейромедіаторів, зокрема ГАМК, зменшується проведення нервового імпульсу, виникають судоми.
Надмірна концентрація аміаку в крові зміщує її рН у лужний бік (виникає алкалоз), Це, в свою чергу, збільшує спорідненість гемоглобіну до кисню, що призводить до гіпоксії тканин, гіпоенергетичного стану. З іншого боку, високі концентрації аміаку стимулюють синтез глутаміну із глутамату в нервовій тканині, що призводить до підвищення осмотичного тиску в них , а це може призвести до набряку мозку.
6.3.2. Механізми знешкодження аміаку.У тканинах людського організму існують механізми знешкодження аміаку, до яких належать:.
1) утворення сечовини;
2) відновне амінування або трансреамінування;
3) утворення амідів амінокислот – аспарагіну та глутаміну;
4) утворення амонійних солей.
Молекулярними формами транспорту аміаку з органів і тканин, де він утворюється (м'язів, головного мозку, кишки тощо), є глутамін (амід глутамінової кислоти) та аланін (рис. 6.6). Концентрація глутаміну та аланіну в плазмі крові людини значно перевищує вміст інших амінокислот.
Глутамінсинтезується з глутамату в АТФ-залежній реакції, яка каталізується глутамінсинтетазою:
Перенесення аміаку від периферійних тканин до печінки та нирок здійснюється у вигляді глутаміну, який є нейтральною нетоксичною речовиною, що легко проходить через клітинні мембрани. У мозку дія глутамінсинтетази поєднується з дією глутаматдегідрогенази, що фкнкціонує у напрямку синтезу глутамату із α-кетоглутарату:
Із мозку глутамін легко дифундує в кров або спинномозкову рідину, усуваючи при цьому дві молекули токсичного аміаку. У печінці та нирках глутамін під дією глутамінази гідролізує до глутамату і вільного аміаку:
У транспорті аміаку із м'язів до печінки бере участь нейтральна амінокислота – аланін, яка утворюється за рахунок переамінування між піруватом і глутаматом під дією аланінамінотрансферази:
Аланін переноситься кров'ю до печінки, де під дією аланінамінотрансферази передає амінну групу α-кетоглутарату, а далі в глутаматдегідрогеназній реакції відбувається дезамінування глутамату і звільняється аміак який у печінці перетворюється на сечовину – кінцевий продукт азотистого обміну.
Клітини кишечника поглинають найбільшу кількість глутаміну крові; в цьому органі глутамін (за рахунок реакцій трансамінування) перетворюється в аланін, який, у свою чергу, виходить у кров і захоплюється гепатоцитами. У клітинах печінки вуглецевий скелет аланіну використовується в процесі глюконеогенезу (глюкозо-аланіновий цикл), а аміногрупа — в синтезі сечовини.
У нирках — глутаміназна реакція є основним джерелом утворення іону амонію (NH4+), який екскретується з сечею у вигляді його солей приблизно 0,5 г на добу (солі амонію містять приблизно 6 % всього азоту сечі).
Іон амонію зв'язується з аніоном СІ- і виводиться з сечею.
Синтез глутамінази у клітинах епітелію ниркових канальців стимулюється в умовах ацидозу і становить механізм нейтралізації та екскреції з організму надлишкових кислих еквівалентів. При алкалозах екскреція аміаку нирками зменшується.
6.3.3. Біосинтез сечовини. Утворений у клітинах організму аміак транспортується в печінку, де перетворюється на нетоксичний продукт - сечовину. Це перетворення відбувається у формі циклу, що був названий циклом сечовини (або орнітиновим циклом). Його відкрив Г. Кребс разом зі студентом – медиком К. Гензеляйтом у 1932 році. Вони встановили, що синтез сечовини посилюється, якщо до зрізів печінки додати аргінін та мічений дейтерієм орнітин, з якого синтезується аргінін, що містить цей дейтерій. Це є прямим доведенням утворення аргініну з орнітину. Якщо до зрізів печінки добавити солі карбонатної кислоти, мічені за вуглецем, останній виявиться у молекулі сечовини. Це підтверджує, що для синтезу сечовини використовується вуглекислий газ, який утворюється в органах і тканинах при декарбоксилуванні α-кетокислот та амінокислот. Крім цього, у печінці було виявлено фермент аргіназу, який розщеплює аргінін на сечовину та орнітин. Також було встановлено, що сечовина синтезується в аеробних умовах при достатній кількості АТФ. Усі ці дані дали можливість описати циклічний процес, що складається з двох основних етапів: синтезу аргініну та його гідролізу на сечовину і орнітин.
На першому етапі відбувається утворення аргініну в декілька стадій.
1.Утворення карбамоїлфосфату за участю 2 молекул АТФ:
Дхерелом першого атома азоту в сечовині виступає аміак, що зв'язується в печінці з СО2 з утворенням карбaмоїлфосфату. Реакція каталізується карбамоїлфосфатсинтетазою. .
2. Перенесення карбамоїльної групи на орнітин з утворенням цитруліну (фермент – орнітинкарбамоїлтрансфераза):
Перші дві реакції відбуваються в мітохондріях гепатоцитів. Потім утворений цитрулін транспортується у цитозоль, де здійснюються наступні перетворення.
3. Акцептування другої аміногрупи шляхом взаємодії цитруліну з аспартатом (фермент — аргініносукцинатсинтетаза):
У реакції затрачається одна молекула АТФ, аспартат виступає джерелом другого атома азоту
4. Розщеплення аргініносукцинату під дією ферменту аргініносукцинатліази; продуктами реакції є аргінін – безпосередній попередник сечовини та фумарат:
Утворенням аргініну завершується перший етап синтезу сечовини.
5. Другий етап полягає в гідролізі аргініну при дії ферменту аргінази з утворенням сечовини та регенерацією орнітину (завершення метаболічного циклу):
Утворений орнітин взаємодіє з новою молекулою карбамоїлфосфату і цикл замикається.
Оскільки окиснювальне дезамінування глутамату відбувається в мітохондріях, а ферменти орнітинового циклу розподілені між мітохондріями та цитозолем, тому необхідне трансмембранне перенесення глутамату, цитруліну та орнітину з допомогою специфічних транслоказ. На схемі (рис. 6.7) показані шляхи включення атома азоту двох різних амінокислот (амінокислота1 і амінокислота2) в молекулу сечовини: одна аміногрупа – у вигляді аміаку в матриксі мітохондрії; другу аміногрупу постачає аспартат із цитозолю.
Рис. 6.7. Джерела аміаку та шляхи їх включення в орнітиновий цикл
Джерелом аспартату для орнітинового циклу може служити реакція трансамінування глутамату з оксалоацетатом, а оксалоацетат може утворюватися з фумарату, утвореного в орнітиновому циклі.
У результаті білкового обміну в людини за добу виділяється з сечею в середньому 30 г сечовини, яка становить 90 % всього азоту сечі. Орнітиновий цикл виконує дві функції: перетворення азоту амінокислот у сечовину, яка екскретується і попереджує нагромадження токсичних продуктів, головним чином аміаку; синтез аргініну та поповнення його фонду в організмі.
6.3.4. Гіперамоніємії. дефекти синтезу сечовини. Порушення реакцій знешкодження аміаку може викликати підвищення його вмісту в крові (гіперамоніємію), що спричинює токсичний вплив на організм. Причинами гіперамоніємії можуть бути як генетичні дефекти ферментів орнітинового циклу в печінці, так і вторинні пошкодження печінки у результаті цирозу, гепатиту та інших захворювань. Відомо п'ять спадкових захворювань, зумовлених дефектом п'яти ферментів орнітинового циклу (табл. 6.2).
Таблиця 6.2.Спадкові порушення орнітинового циклу та основні його прояви
| Захворювання | Дефект ферменту | Клінічні прояви | Метаболіти | |
| Кров | Сеча | |||
| Гіперамоніємія, І тип | Карбамоїлфосфат-синтетаза | Впродовж 24 - 48 годин після народження кома, смерть | Глн, Ала, NН3 | Оротат |
| Гіперамоніємія, ІІ тип | Орнітинкарбамоїл-трансфераза | Гіпотонія, зниження толерантності до білків | Глн, Ала, NН3 | Оротат |
| Цитрулінемія | Аргініносукцинат-синтетаза | Гіперамоніємія у новонароджених, у дорослих – після вживання білків | Цитрулін NН3 | Цитрулін |
| Аргініносукци-натурія | Аргініносукцинат-ліаза | Гіперамоніємія, атаксія, судоми, випадання волосся | Аргіно-сукцинат NН3 | Аргіносукцинат, Глн, Ала, Ліз |
| Гіпераргінінемія | Аргіназа | Гіпераргінінемія | Арг, NН3 | Арг, Ліз,орнітин |
Оскільки синтез сечовини проходить у печінці, то, відповідно, її утворення порушується при багатьох захворюваннях цього органу. Тому визначення кількості сечовини в крові використовується як діагностичний тест при захворюваннях печінки.
Кількість сечовини може зменшуватися при підвищенні кислотності в організмі, що спостерігається при деяких захворюваннях, наприклад, цукровому діабеті. У таких випадках аміак використовується для нейтралізації кислот і в великій кількості виділяється у вигляді солей амонію, які утворюються в нирках.