Цикълът на уреята - биохимичен цикъл

Разграждането на протеините

Като част от постоянното разграждане и натрупване на структурни протеини в тялото, постоянно се натрупват свободни аминокиселини, които тялото може или да използва повторно, за да синтезира нови протеини, или да ги разгради. Аминогрупата може да бъде отделена от съответната аминокиселина по два начина. Трансферът на аминогрупата към а-кето киселина, която след това се превръща в аминокиселина, е по-често срещан. Това е известно като Трансаминиране. Това е много по-рядко Дезаминиране, освобождаването на аминогрупата като амоняк (NH3). Всяко трансаминиране е необходимо Пиридоксал фосфат (PALP) като кофактор (коензим). Това е активната форма на витамин В6, който често играе роля в реакциите на метаболизма на аминокиселините.

Транспортът на азот в кръвта

Чрез процеса на Трансаминиране В периферията, главно клетки на скелетната мускулатура, азотните атоми са свързани с аминокиселини под формата на амино група. След това те могат да бъдат освободени в кръвта и да достигнат до черния дроб. Тук са особено подходящи аминокиселините, чийто синтез може да се осъществи от междинни продукти на основните метаболитни пътища, например цитратния цикъл.

Това е централна аминокиселина в азотния транспорт Глутамат, който се произвежда в периферните клетки на тялото чрез прехвърляне на аминогрупа в α-кетоглутарат. Тогава той служи като субстрат за трансаминирането или може да поеме друга амино група и след това се използва като Глутамин пуснати в кръвта. В човешкото тяло глутаминът е аминокиселината с най-висока плазмена концентрация и се използва главно за транспортиране на азот до бъбреците, но също и до черния дроб. В бъбреците глутаминът всъщност се разгражда, образувайки амоняк. Тук обаче това служи за неутрализиране на киселини около урината и се секретира в областта на проксималния канал.

Друг представител на тези аминокиселини е Аланин. Той представлява най-важният транспортен механизъм за азот от скелетната мускулатура до черния дроб.Аланинът се образува в периферните клетки чрез глутамат, прехвърлящ аминогрупата си в пируват. След това аланинът се използва в чернодробната клетка за образуване на аспартат от оксалоацетат. След освобождаването на аминогрупата остава пируват, който след това може да се метаболизира в митохондриите или да се достави в глюконеогенезата. В последния случай, ако глюкозата попадне обратно в мускулите, където се окислява до пируват, се създава цикъл. Тук също се говори за Аланинов цикъл.

урея е продукт на урейния цикъл и се освобождава в кръвта от черния дроб. Това е водоразтворимо вещество, което съдържа два азотни атома. Заедно с глутамина, той е най-важната молекула в транспорта на азот в кръвта.

Цикълът на урея в черния дроб

Действителният цикъл на урея при хората се извършва изключително в черния дроб. Ако азотните атоми достигнат до черния дроб чрез аминогрупите на трите аминокиселини, описани по-горе чрез кръвта, те могат да бъдат свързани там под формата на урея до лесно екскретиран краен продукт. Това е изключително важно, тъй като предотвратява образуването на амоняк (NH3), който има особено невротоксичен ефект. Реакциите на урейния цикъл протичат в хепатоцитите на черния дроб, първите две от тях в митохондрията, т.е. интрамитохондриално, а следващите в цитозола на клетката. По-долу е даден преглед на отделните стъпки на реакцията на урейния цикъл, които най-добре могат да бъдат разбрани чрез схематично представяне на цикъла.

Изображение: „Цикъл на урея“ от Фил Шац. Лиценз: CC BY 4.0

Стъпки на реакция на урейния цикъл

1. Образуване на карбамил фосфат (митохондрия)

Катализиран от ензима Карбамоил фосфат синтетаза 1 В митохондриалната матрица се създава молекула от амоняк (NH3) и CO2 Карбамоил фосфат. Тази реакция на пейсмейкъра на урейния цикъл консумира две молекули АТФ. Следователно първият азотен атом в уреята идва от амоняка, получен при разграждането на аминокиселини или пуринови основи. Полученият карбамил фосфат е силно полярен, така че не може да премине през митохондриалната мембрана.

2. Образуване на цитрулин (митохондрия)

Във втория реакционен етап карбамоилният остатък на карбамоил фосфата се прехвърля в аминокиселината орнитин. Тази аминокиселина е непротеиногенна, така че не се използва от организма за синтеза на протеини. В тази реакция, направена от Орнитин карбамоил трансфераза се катализира, възниква Цитрулин. Цитрулинът също не е протеиногенен и това, което остава в тази стъпка, е фосфатът. Цитрулинът трябва да премине през митохондриалната мембрана за следващия етап на реакция, за да влезе в цитозола на хепатоцита. Това се осъществява чрез транслокатор в мембраната, който обменя цитрулин и орнитин в антипорта.

3. Образуване на аргининосукцинат (цитозол)

Следващата реакция протича в цитозола, в Аргининосукцинат се синтезира от цитрулин и аспартат. Аспартатът съдържа амино група, която се свързва с цитрулина. Тук вторият азотен атом навлиза в урейния цикъл. Отговорният ензим е това Аргининосукцинат синтетаза. Реакцията изисква енергия, която идва от хидролизата на АТФ до АМФ. Така че тук са разделени две високоенергийни връзки.

4. Разделяне на аргининосукцинат в аргинин и фумарат (цитозол)

След това аргининосукцинатът се използва от Аргининосукцинатна лиаза катализира до протеиногенната аминокиселина Аргинин и разделен фумарат. По-нататъшното използване на страничния продукт фумарат ще бъде обяснено по-късно.

5. Хидролиза на аргинин (цитозол)

В последната реакция на урейния цикъл аргининът се освобождава от Аргиназа хидролизира се и се отделя цялата урейна група. Това създава и двете урея, както и аминокиселината орнитин, която се връща обратно в митохондриалната матрица чрез митохондриалната мембрана в замяна с цитрулин. Там той отново е достъпен за втория етап на реакцията, така че цикълът на урейния цикъл се затваря в този момент. Получената молекула урея се освобождава в кръвта от хепатоцитите чрез специални транспортни протеини в клетъчната мембрана.

Регенерация на фумарата

По време на урейния цикъл, аргининосукцинатът се образува в цитозола на хепатоцита, когато аргининосукцинатът се разгражда Фумарат. Впоследствие това се нарича от ензимите Фумараза и малат дехидрогеназа чрез междинната стъпка Malate до Оксалоацетат преобразуван. Дори ако тези стъпки се случват и в цитратния цикъл, трябва да се има предвид, че тези реакции протичат в цитозола. Оксалоацетатът може да бъде трансаминиран обратно в аспартат като субстрат, така че и тук да се получи метаболитен цикъл. Това е известно като Аспартатен цикъл. Тъй като фумаратът също е междинен продукт на Цикъл на лимонена киселина е, той също може да бъде контрабандно в това.

Енергиен баланс на урейния цикъл

Синтезът на урея е сравнително енергоемък процес, който тялото приема, за да изхвърли безопасно азота. Преди всичко това означава поддържане на плазменото ниво на амоняк възможно най-ниско. По-конкретно, има два етапа на реакция в урейния цикъл, при които се изисква енергия от разцепването на високоенергийни връзки. The Карбамоил фосфат синтетаза 1 в митохондрията се изискват 2 молекули АТФ, които се хидролизират до АДФ. В цитозола консумира Аргининосукцинат синтетаза само 1 молекула АТФ, която обаче се хидролизира два пъти до АМФ и пирофосфат. Пирофосфатът много бързо се превръща в 2 молекули фосфат в цитозола. Общо цикълът на уреята съдържа 3 молекули АТФ и разцепването на 4 енергийно богати връзки.

Регулиране на цикъла на урея

Реакцията на пейсмейкъра, която определя синтеза на урея, е тази на Карбамоил фосфат синтетаза 1 катализира първата реакция на урейния цикъл. Ензимът се произвежда чрез алостерично свързване на N-ацетил глутамат. Тази молекула се увеличава пропорционално на концентрацията на глутамат и ацетил-КоА. Това е смислена връзка, тъй като високата концентрация на глутамат отразява висока поява на субстрат и ацетил-КоА достатъчно количество богати на енергия вещества. Ако и двете условия са изпълнени, черният дроб съответно увеличава синтеза на урея.

Елиминирането на урея

Черният дроб произвежда около 30 g урея всеки ден чрез цикъла на урея и го освобождава в кръвта. Тази стойност може да бъде значително по-висока или по-ниска в зависимост от съдържанието на протеини в храната, тъй като тялото разгражда само излишните аминокиселини. Уреята е лесно разтворима във вода и по този начин може да достигне до бъбреците в разтворена форма чрез циркулацията, където се екскретира с урината. Уреята съставлява най-големия дял азотсъдържащи съединения в урината.

Тъй като карбамидът се филтрира гломерулно от бъбреците и се реабсорбира частично, това е подходящ лабораторен медицински параметър за бъбречната функция. Концентрацията на урея в кръвта е една от т.нар Параметри на задържане на бъбреците, които освен всичко друго показват повишени стойности с нарушена бъбречна функция. Това се нарича, когато нормалните стойности са надвишени с различни клинични симптоми Уремия. Трябва обаче да се вземат предвид колебанията с променен прием на протеин, което може да направи параметъра ненадежден.

Нарушения на цикъла на урея

Когато физиологичното функциониране на урейния цикъл в черния дроб е нарушено, това води до натрупване на амоняк в кръвта. Това повишено плазмено ниво (> 250 μg/dl) на амоняк или амоний, йонизираната форма на амоняк, е известно като Хиперамонемия. В зависимост от хода и възрастта на проява, невротоксичният амоняк разгръща своите вредни ефекти в мозъка и може да доведе до различни неврологични симптоми, необратими мозъчни увреждания и в крайна сметка смърт. Патофизиологично това вероятно се дължи на подуване на астроцитите поради повишени нива на глутамин и произтичащото от това образуване на мозъчен оток. Причините обикновено се крият в придобито или вродено нарушение на чернодробната функция.

Дефекти на урейния цикъл

Възможна причина за недостатъчната функция на цикъла на чернодробната урея е дефект в един от катализиращите ензими. Описани са следните 6 известни ензимни дефекта:

Засегнат ензим	Дефект на ензима
Карбамоил фосфат синтетаза I.	Дефицит на CPS
N-ацетил глутамат синтетаза	Дефицит на NAGS
Орнитин транскарбамилаза	Недостиг на извънборсови продукти
Аргининосукцинатна синтаза	Дефицит на ASA (цитрулинемия тип I)
Аргининосукцинатна лиаза	Дефицит на ASL (болест на аргинин янтарна киселина)
Дефицит на аргиназа-1	Хипераргининемия

Всички тези метаболитни нарушения се наследяват като автозомно-рецесивен признак, с изключение на OTC дефицита, който се унаследява рецесивно чрез X хромозомата. Честотата в САЩ е приблизително 1 на 8000. Възрастта на настъпване може да варира в широки граници и да се появи във всяка фаза от живота. Особено острите курсове при новородени са много животозастрашаващи. В напреднала юношеска възраст и при възрастни са разпространени дифузните неврологични симптоми като главоболие, лоша концентрация, треперене на ръцете ("треперене на треперене"), повръщане и летаргия. Ако не се лекуват, тези ензимни дефекти могат да доведат до умствена изостаналост и смърт.

Диагнозата се основава на високо ниво на амонячна плазма, потвърдено от лабораторната медицина и може да бъде допълнено с генетични тестове. Острото лечение често се състои от диуреза, в дългосрочен план е от съществено значение да се осигури диета с ниско съдържание на протеини или азот. Единственият лечебен вариант е трансплантацията на черен дроб.

Цироза на черния дроб

Друга често срещана причина е напредналата загуба на чернодробна функция, например поради чернодробна цироза. Липсата на капацитет на детоксикация на черния дроб води до повишени нива на амоняк. Ако се появят неврологични симптоми, човек говори за такъв чернодробна енцефалопатия. Това се разделя на 1-4 степен в зависимост от клиничната проява, като степен 4 съответства на кома (coma hepaticum). Терапевтично могат да се използват различни мерки, за да се опита да намали концентрацията на амоняк в кръвта, но единственият лечебен вариант в случай на напреднала чернодробна цироза е чернодробната трансплантация.

подувам

Rassow et al: Duale серия Biochemie, Thieme Verlag, 2-ро издание

Löffler, Petrides: Биохимия и патобиохимия, Springer Verlag, 9-то издание

Kirchner, Mühlhäußer: BASICS Biochemie, Elsevier Verlag

MEDI-LEARN: Биохимия, 4-то издание

Решения на въпросите: 1C 2E 3B