5 Обмен аммиака. Биосинтез мочевины. Некоторые клинические аспекты

                Аммиак –  это один из конечных продуктов обмена азотсодержащих веществ. Это составляющая фракции остаточного азота сыворотки крови (наряду с мочевиной, мочевой кислотой, креатинином, индиканом). В крови концентрация аммиака невелика - 25-40 мкмоль/л. При более высоких концентрациях он оказывает токсическое действие на организм.

                Аммиак токсичен, в первую очередь для ЦНС. Токсичность аммиака связана с его способностью нарушать функционирование ЦЛК, т.к. NH3 выводит из ЦЛК –кетоглутарат:

 

    –КГ + NH3 + НАДН.Н+  Глу + НАД+ + Н2О.

 

                В итоге восстановительного аминирования –кето–глутарата происходит снижение активности ЦЛК в клетках ЦНС, что, в свою очередь, угнетает активность аэробного окисления глюкозы. В результате нарушается энергопро–дукция и развивается гипоэнергетическое состояние, т.к.  глюкоза – это основной источник энергии для головного мозга.

 

                NH3 образуется в ходе следующих процессов:

1)  окислительного дезаминирования аминокислот – это основной путь продукции NH3 ;

дезаминирования биогенных аминов;

дезаминирования пуриновых оснований (аденин, гуанин);

катаболизм пиримидиновых нуклеотидов.

В головном мозге основной источник образования NH3 – дезаминирование АМФ до инозинмонофосфата (ИМФ):

АМФ    +     Н2О                  ИМФ    +     NH3.

Фермент, который катализирует эту реакцию, -                           аденозиндезаминаза.

Аммиак транспортируется кровью к печени и почкам для обезвреживания в составе аминокислот, среди которых основными являются глутамин, аспарагин, аланин.

                Обезвреживание NH3 происходит практически сразу после его образования, т.к. в тканях он сразу же включается в состав аминокислот, главным образом глутамина. Однако для дальнейшей детоксикации и выведения амиака существуют биохимические процессы в печени и почках, которые и являются основными путями обезвреживания NH3.

Выделяют следующие механизмы обезвреживания NH3:

1)             восстановительное аминирование –кетоглутарата;

2)             образование амидов аминокислот – аспарагина и глутамина;

3)             образование аммонийных солей в почках;

4)             синтез мочевины.

В тканях аммиак подлежит немедленной нейтрализа–ции. Это достигается путем сочетания процессов (1) и (2).

Восстановительное аминирование –кетоглутарата:

 

                NH3 + –КГ + НАДН.Н+        Глу + НАД + Н2О.

Фермент - глутаматдегидрогеназа

 

                Для этого процесса необходимы значительные концентрации –КГ. Для того чтобы не было перерасхода –КГ и работа ЦЛК не была нарушена, –КГ пополняется за счет превращения ПВК  ОА  –КГ .

2) Образование амидов – это важный вспомогательный механизм обезвреживания NH3 в тканях путем его связывания с Глу или Асп.

                                      

       Асп  +  АТФ  +  NH3               Асн  +  АМФ  +  ФФнн

Фермент - аспарагинсинтаза

                                        

      Глу  +  АТФ  +  NH3                Глн  +  АМФ  +  ФФнн 

Фермент - глутаминсинтаза

 

Этот процесс наиболее активен в ЦНС, мышцах, почках, печени (для поддержания внутренней концентрации NH3). Главным образом глн является транспортной формой нетоксичного NH3 из мозга, мышц и др. тканей. Глутамин легко проникает через мембрану, т.к. при физиологических значениях рН он не имеет заряда. При физической нагрузке аланин активно транспортирует NH3 от мышц к печени. Кроме того, большое количество аланина содержит кровь, оттекающую из кишечника. Этот аланин также направляется в печень для глюконеогенеза.

3) Глн и асн с током крови попадают в почки, где подвергаются гидролизу с помощью специальных ферментов – глутаминазы и аспарагиназы, которые есть и в печени:

                Асн  +  Н2О      Асп  +  NH3.

Глн  +  Н2О       Глу  +  NH3.

Освободившийся в канальцах почек NH3 нейтрализуется с образованием солей аммония, которые выводятся с мочей:

NH3 + Н++ Сl-  NH4Cl.

4) Синтез мочевины - это основной путь обезвреживания аммиака. На долю мочевины приходится 80% экскретируемого азота.

                Процесс образования мочевины происходит в печени и представляет собой циклический процесс, который называется  «орнитиновый цикл» (цикл Кребса–Гензелайта).

                В цикле принимают участие две аминокислоты, которые не входят в состав белков – орнитин и цитруллин, и две протеиногенные аминокислоты – аргинин, аспарагин.

Процесс включает пять реакций: первые две протекают в митохондриях, остальные - в цитозоле гепатоцитов. Некоторые ферменты мочевинообразования есть в мозге, эритроцитах, сердечной мышце, однако весь набор ензимов есть только в печени.

                І реакция – это синтез карбамоилфосфата:

                                                                                                         

     СО2  +  NH3   +  2АТФ    NH2–CО–Ф  +  2АДФ  +  Фн.

Фермент - карбамоилфосфатсинтаза І (митохонд–риальный). Существует также карбамоилфосфатсинтаза ІІ (в цитозоле), которая участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов.

Карбамоилфосфатсинтаза І - регуляторный фермент, для которого  активатором является N–ацетилглутамат.

                ІІ реакция – включение карбамоилфосфата в циклический процесс. В этой реакции происходит его конденсация с орнитином), в результате чего образуется цитруллин (реакция также происходит в митохондриях).

                III реакция - образование аргининосукцината. Это вторая реакция, в которой используется энергия АТФ.

IV реакция - расщепление аргининосукцината с образованием аргинина и фумарата. Последний может поступать в ЦЛК, усиливая его работу. Т.о. это анаплеротическая (пополняющая) реакция для ЦЛК.

V реакция - регенерация орнитина с образованием мочевины.

 

 

 

 

 

Схема синтеза мочевины

СО2 + NH3 + 2АТФ          карбамоилфосфат + 2АДФ + Фн

                                                                           1  

 

  NH2–CО–NH2                                     

    (мочевина)                                          Орнитин 

 Фн

5                              2                             

 

                           Аргинин                                        Цитруллин

 

                                                                                      

                                                4                                      3            АТФ

      Фумарат                                                                                                                                                                                                                                  АМФ

                                                    Аргининосукцинат               ФФн

 

 

Ферменты:

1 - карбамоилфосфатсинтаза;

2 - орнитинкарбамоилтрансфераза;

3 - аргининосукцинатсинтаза;

4 - аргининосукцинатлиаза;

5 - аргиназа (сильными ингибиторами фермента являются орнитин и лизин, конкурирующие с аргинином, активаторы - Са2+ и Мn2+).

                Орнитин, который восстанавливается в ходе цикла, может запускать новый цикл мочевинообразования. По своей роли орнитин аналогичен оксалоацетату в ЦЛК. Для прохождения одного цикла необходимо 3 АТФ, которые используются в 1–й и 3–й реакциях.

 

 

Орнитиновый цикл тесно взаимосвязан с ЦЛК.

Схематически взаимосвязь можно представить так:

 

                                     2 АТФ                

                                      

        Орнити-               СО2

         новый                                                                             ЦЛК

          цикл                             

                                                                                                                   ОА

 Фумарат                                         АТФ

                                                 

                                            Аспартат

 

 

                Это  «двухколесный велосипед» Кребса – ни одно колесо не способно «вращаться» без исправного функционирования второго.

Экскреция синтезированной мочевины обеспечивается почками. За сутки выделяется 20-35 г мочевины. При изменении количества белка в пище с целью поддержания азотистого равновесия скорость синтеза мочевины в организме изменяется:

белка с пищей  синтез ферментов цикла  синтез мочевины,

если  катаболизм белков синтез мочевины количество

                                                                                   выводимого азота.

  Усиление катаболизма белков и, следовательно,  повыше–ние экскреции мочевины наблюдаются при голодании и сахарном диабете.

                При заболеваниях печени, которые сопровождаются нарушением синтеза мочевины, увеличивается концентра–ция аммиака в крови (гипераммониемия) и, как следствие, развивается печеночная кома.

               

 

Генетические дефекты ферментов синтеза мочевины

                Известны врожденные метаболические нарушения, обусловленные недостатком каждого из пяти ферментов цикла.

                При нарушении синтеза мочевины наблюдается повышение концентрации аммиака в крови - гипераммониемия, которая наиболее выражена при дефекте 1–го и 2–го ферментов.

Клинические симптомы - общие для всех нарушений орнитинового цикла: рвота (у детей), отвращение к богатым белками продуктам, нарушение координации движений, раздражительность, сонливость, умственная отсталость. В некоторых случаях может наступить смерть в течение первых месяцев жизни.

                Диагностирование нарушений проводят:

1)             путем определения концентрации аммиака и промежуточных продуктов орнитинового цикла в крови и моче;

2)             путем определения активности ферментов в биоптатах печени.

К наследственным энзимопатиям орнитинового цикла относятся:

гипераммониемия І типа – недостаток карбамоил–фосфат–синтазы І (немногочисленные случаи, тяжелая гипераммониемия);

гипераммониемия ІІ типа – недостаток орнитин–карбамоилтрансферазы (многочисленные случаи). В крови, спинномозговой жидкости и моче повышается концентрация аммиака и глутамина, Увеличение концентрации аммиака приводит к повышению активности глутаминсинтазы;

цитруллинемия – дефект аргининосукцинатсинтазы (редкое заболевание). С мочой экскретируется большое количество цитруллина, повышается концентрация цитруллина в плазме и спинномозковой жидкости;

аргининосукцинатная ацидурия – дефект аргинино–сукцинатлиазы (редкое заболевание). Повышается концентрация аргининосукцината в крови, спинномозговой жидкости и моче. Болезнь, как правило, развивается рано и приводит к фатальному исходу в раннем возрасте. Для диагностики этого заболевания используют определение наличия аргининосукцината в моче (хроматография на бумаге) и  эритроцитах (дополнительно). Раннюю диагностику проводят путем амниоцентеза;

аргининемия - дефект аргиназы. Наблюдается повышение концентрации аргинина в крови и спинномозговой жидкости (в эритроцитах низкая активность аргиназы). Если больного перевести на малобелковую диету, то концентрация аммиака в крови снижается.