Цикл мочевины

Синтез карбамоилфосфата – ключевая реакция синтеза мочевины

Карбамоилфосфат
синтезируется в митохондриях в комплексной
реакции, которая катализируетсякарбамоилфосфат
синтетазой
I.
Этот аллостерический фермент активируется
N
–ацетилглутаминовой кислотой. Потребление
2 молекул АТФ делает синтез карбамоил-фосфата
необратимой реакцией.

Карбамоилфосфат
синтетаза I
(КФС-1) катализирует образование
карбомоилфосата в митохондриях. Из
цитозоля выделена карбомоилфосфатсинтетаза-2
(КФС-2), которая катализирует образование
карбомоилфосфата, используемого для
синтезе пиримидиновых нуклеотидов.

Образование
цитруллина происходит благодаря
использованию высокоэнергетического
фосфата карбамоилфосфата
и катализируется
орнитин-карбамоил трансферазой (ОКТ).
Продукт реакции цитруллин
транспортируется в цитозоль, где
завершается образование мочевины.

Мочевина
— природный антиоксидант (радиопротектор).

Энергетическая
емкость ЦСМ.

Суммарная реакция
синтеза мочевины:

Аспарагиновая
кислота + NH3
+ CO2
+ 3АТФ + 2 H2O

мочевина +
фумарат + 2АДФ + АМФ + 2Фн + ФФн

На синтез одной
молекулы мочевины расходуется 4
макроэргических связи 3-х молекул АТФ:

2 АТФ
– на стадии синтеза корбомоилфосфата
и одна АТФ – на стадии синтеза
аргинино-сукцината (если учитывать, что
в данной реакции образуется АМФ, то
можно считать энергозатраты этой реакции
равной 2 АТФ, т.е. энергетическая емкость
ЦСМ равна 4 АТФ).

Биологическая
роль ЦСМ.

  1. Механизм
    детоксикации NH3.

  2. Механизм
    регуляции КЩС

  3. ЦСМ
    — поставщик орнитина.

  4. Имея
    митохондриальную локализацию, регулирует
    потоки а/к по различным путям ———>
    ГНГ, биосинтез белка, липогенез.

Между
циклом мочевинообразования и циклом
трикарбоновых кислот устанавливается
тесная связь на уровне субстратов

Связь
ЦСМ с ЦТК и обменом аминокислот (цикл
Кребса-Гензелейта («трехколесный
велосипед»).

Ферменты:
1 — карбамоилфосфатсинтетаза-1. │

2
— карбамоилфосфаттрансфераза. │ ферменты

3
— аргининосукцинатсинтетаза. │ ЦСМ

4
— аргининосукцинатлиаза. │

5
— аргиназа. │

6
— фумараза. │ ферменты

7
— малатдегидрогеназа │ ЦТК

8
— АсАТ│ ферменты

9
— ГДГ │ обмена а/к

Регуляция
ЦСМ.

1.
Краткосрочная: на уровне 1-го фермента,
который вместе с 8-ым направляет азот
ГЛУ (а значит и всех а/к) в карбамоилфосфат.

2.
Долгосрочная: определяется уровнем
липолиза, Ац-КоА. Ац-КоА при недостатке
углеводов, является наиболее
предпочтительным субстратом, чем липиды.

Косвенные
доводы позволяют предположить, что
углеводы и белки (а/к) способны полностью
обеспечить энергетический потенциал
клетки.

Врожденные
дефекты ферментов ЦСМ, основные
клинические проявления.

Дефицит ферментов
орнитинового цикла встречается в
популяции с частотой 1 случай на 25000
новорожденных и начинает проявляться
в неонатальный период. К настоящему
времени описаны врожденные дефекты
каждого фермента, участвующего в синтезе
мочевины. Все дефекты (за исключением
дефицита аргиназы) сопровождаются
тяжелой гипераммониемией. Высокий
уровень аммиака оказывает токсическое
действие на центральную нервную систему.
Не поддающаяся лечению гипераммонийемия
завершается тяжелым нарушениями
психики.

Роль
ЦСМ в регуляции КОС.

1.1. Свободная энергия и законы термодинамики

Жизнь существует
и развивается за счет поступающей извне
свободной
энергии. Энергетический обмен животной
клетки относится к органотрофному

растений — фототрофный)
типу, при котором
накопление энергии происходит в
результате деградации органических
веществ. Сущность биоэнергетики
составляет процесс превращения
химической энергии органических
соединений, поступающих
из пищи, в различные формы полезной
энергии (механическую, электрическую,
световую, химическую, тепловую и т.д.).

Энергетический
обмен живого организма подчиняется
законам термодинамики.

Первый закон
сохранения энергии утверждает, что
энергию нельзя
ни создать, ни уничтожить, она может
только переходить из одной формы
в другую.

Второйзакон
термодинамики позволяет предсказать
направление биохимических
реакций. Согласно ему все процессы идут
в
направлении возрастания общей энтропии
(меры разупорядоченности)
системы и окружающей среды. Увеличение
энтропии препятствует возврату к
исходному состоянию. Поэтому все реакции,
которые сопровождаются увеличением
разупорядоченности, необратимы, и для
их протекания необходимы затраты
дополнительной энергии. Часть энергии
системы, которая может использоваться
для совершения работы при постоянных
температуре
и давлении, называется свободной.
Если ее значения имеют
отрицательный знак, то реакция происходит
самопроизвольно с выделением добавочной
энергии (экзэргоническая
реакция
),
а положительные цифры показателя
свидетельствуют о необходимости затрат
энергии (эндэргоническая
реакция
).
Если система находится в состоянии
равновесия (А В), то количество
свободной энергии равно нулю. Ее величины
обычно выражают в джоулях на моль или
калориях на моль вещества (Дж/моль или
кал/моль).

Cинтез пиримидиновых нуклеотидов de novo

Структура
пиримидинового кольца проще, и путь
биосинтеза пиримидинов короче, чем у
пуринов. Амидный азот глутамина и диоксид
углерода обеспечивает атомы 2 и 3 кольца
пиримидина после преобразования их в
карбамоилфосфат (рис 8.16). Другие четыре
атома кольца происходят из аспартата.
Так же как и в случае с пуриновыми
нуклеотидами, углеводная часть
поставляется ФРПФ.

Карбамоилфосфат.
Образование пиримидиновых нуклеотидов
начинается с синтеза карбамоил фосфата,
который протекает в цитозоле тканей,
способных к образованию пиримидинов
(наиболее высокая активность синтеза
в селезенке, тимусе, ЖКТ и яичках).

Карбамоил
фосфат, как упоминалось в главе об обмене
аминокислот, используется также в
синтезе мочевины.

Его образование
в клетках катализируется двумя разными
карбамоилфосфат синтетазами — IиII.Основные различия
между ними приведены в таблице 8.3.

Таблица
8.3. Сравнительная характеристика
карбомоилфосфат синтетаз I
и II

Карбамоил
фосфат синтетаза I

Карбамоил
фосфат синтетаза II

Распределение
в тканях

Преимущественно
печень

Во
всех тканях

Клеточная
локализация

Митохондрия

Цитозоль

Метаболический
путь

Синтез
мочевины

Биосинтез
пиримидинов

Источник
азота

Ионы
аммония

Аминогруппа
глутамина

Карбамоилфосфат
синтетаза II(КФСII)
предпочитает амид глутамина свободному
аммиаку и не требуетN-ацетилглутамата
в качестве косубстрата. У человекаnКФСII, аспартат-транскарбамоилазная, и
дигидрооротазная активности — это части
одного мультифункционального белка.

Образование
оротовой кислоты. Ключевая реакция.
Первая уникальная для биосинтеза
пиримидинов реакция – это реакция
конденсации карбамоилфосфата и аспартата
с образованием карбамоиласпартата,
ка­тализируемая аспартаттранскарбамоилазой(реакция

2).Затем дигидрооротаза катализирует
отщепление Н2О с образованием
кольцевой струк­туры(реакция-3). Дегидрогеназа дигидрооротата,
используя НАД+в качестве
кофермента, формирует оротовую кислоту
— основного предшественника пиримидиновых
Рис. 8.17. Реакции синтеза пиримидиновых
нуклеотидов

оснований (реакция
4).

Образование
нуклеотидов.
Образование мононуклеотида
происходит в реакции 5 путем присоединения
к оротовой кислоте остатка рибоза-5-фосфата.
Донором моносахарида служит ФРПФ. Первый
пиримидиновый мононуклеотид —
оротидинмонофосфат (ОМР). Эта реакция
катализируется оротат-фосфорибозилтрансферазой
— ферментом, аналогичным гипоксантин-гуанин—
фосфорибозилрансферазе и
аденин-фосфорибозил трансферазе, которые
участвуют в фосфорибозилировании
пуриновых колец при их реутилизации.

Первый главный
пиримидиновый рибонуклеотид — уридиловая
кислота (уридинмонофосфат, УМФ)
обра­зуется путем декарбоксилирования
оротидилата (реак­ция б).
Дигидрооротатдегидрогеназа —
митохондриальный фермент. Все остальные
ферменты, участву­ющие в синтезе
пиримидиновdenovo,
локализуют­ся в цитозоле. УМФ
подвергается двукратному фосфорилированию
и образующийся УТФ аминируется с
участием глутамина и АТФ и образованием
ЦТФ (реакция 9).

Регуляция синтеза
пиримидиновых нуклеотидов
Ключевым
ферментом синтеза пиримидиновых
нуклеотидов у человека является
цитоплазматическая КФСII.
УТФ тормозит активность этого фермента,
конкурируя сATФ. ФРПФ
является активатором этого фермента.
Имеются и другие участки регуляции
(например,OMФ декарбоксилаза
ингибируется УМФ и ЦМФ). Однако при
нормальных условиях эти участки имеют
ограниченное значение. У бактерий
ключевым регуляторным ферментом
является аспартат транскарбомоилаза.
У них имеется только одна карбомоилфосфат
синтетаза, так как они не имеют митохондрий.
Карбомоилфосфат, таким образом, находится
на развилке метаболических путей,
которая ведет или к образованию
пиримидиновых нуклеотидов или к синтезу
аргинина.

Суммарная
сравнительная характеристика путей
синтеза пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов приводится в следующей
таблице.

Таблица
8.4.Сравнительная характеристика
путей синтеза пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов

Путь
синтеза пуринов

Путь
синтеза пиримидинов

Последовательность
синтеза

1.Образование
N-гликозидной
связи

2.Сборка
кольцевой структуры

1.Сборка
кольцевой структуры

2.Образование
N-гликозидной
связи

Ключевая
реакция

Образование
фосфорибозилами на(фосфорибозиамидотрансфераза)

Образование
карбамоилфос фата (Аспартат транскарба
моилаза)

Локализация
в клетке

Цитозоль

Митохондрии
и цитозоль

Ферментгная
орнганизация

Отдельные
ферменты и полифункциональные (3)

Отдельные
ферменты и полифункциональные (2)

Регуляция

Торможение
ИМФ,АМФ и ГМФ вна нескольких уровнях

Торможение
УТФ карбамоилфосфатсинтетазы II

Нарушения цикла мочевины

Нарушения цикла мочевины встречаются редко и затрагивают примерно каждого 35000 человек в США . 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. Наиболее частый ошибочный диагноз — неонатальный сепсис . Признаки UCD могут присутствовать в течение первых 2-3 дней жизни, но настоящий 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, похожие на симптомы 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 превратиться 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 транспортера орнитина)

Все дефекты цикла мочевины, за исключением дефицита ОТС, 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.

Что есть «цикл» в понятиях биохимии?

Целью биохимии является установление функций веществ в организме и их продуктов взаимодействия. Необходимо знать, какие химические реакции осуществляются, устанавливать некоторые закономерность воздействия тех или иных веществ на биохимические процессы, чтобы не только знать, как устроена «жизнь», но и, например, для создания лекарственных препаратов.

Одно из основополагающих знаний о внутренних процессах является то, что любое химическое взаимодействие необходимо в стимулировании, иначе вещества будут реагировать между собой крайне медленно. В организме роль естественных катализаторов химических реакций выполняют ферменты.

Однако чаще всего ферментативные процессы не являются одностадийными. Они существуют как совокупность реакций, объединенных в цепи, которые, в свою очередь, являются либо линейными, либо разветвленными, либо циклическими.

Итак, делаем вывод: цикл в терминах биохимии — это совокупность химических реакций, процессов, составляющая кругооборот в течение известного промежутка времени (иначе, просто усовершенствованное понятие «цикл»).

Реакции

Весь процесс превращает две аминогруппы, одну из NH+ 4и один от аспартата , и атом углерода от 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 Товары Катализируется Место расположения
1 NH 3 + HCO- 3+ 2 АТФ карбамоилфосфат + 2 АДФ + 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

Первая реакция: вход в цикл мочевины

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

Этапы цикла мочевины

  1. Карбамоилфосфат превращается в цитруллин . При катализе орнитин-транскарбамоилазой карбамоилфосфатная группа передается орнитину и высвобождает фосфатную группу.
  2. Реакция конденсации происходит между аминогруппой аспартаты и карбонильной группой цитруллина в виде argininosuccinate . Эта реакция является АТФ-зависимой и катализируется аргининосукцинатсинтетазой .
  3. Аргининосукцинат расщепляется аргининосукциназой с образованием аргинина и фумарата .
  4. 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:

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 .

Химия нуклеопротеинов Нуклеиновые кислоты— биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Азотистые
основания (АО):

Пуриновые

Пиримидиновые

Нуклеотид

Свойства
АО: гидрофобность, копланарность,
поглощение УФ при 260 нм.

Нуклеозид= АО + пентоза (рибоза или дезоксирибоза).
Пентоза присоединяетсяN-гликозидной
связью.

Свойства
нуклеозидов: гидрофильность.

Нумерация
атомов: в АО нумеруют 1, 2, 3 и т. д., в пентозе
— 1, 2, 3, и т. д.

Нуклеотид
= нуклеозид + 1–4 остатка H3PO4.

Свойства нуклеотидов:
кислотность, отрицательный заряд.

Номенклатура:

АЗОТИСТОЕ ОСНОВАНИЕ

НУКЛЕОЗИД (+ рибоза)

НУКЛЕОТИД (+ фосфат)

Пурины

АДЕНИН

ГУАНИН

ГИПОКСАНТИН

АДЕНОЗИН*

ГУАНОЗИН

ИНОЗИН

АДЕНОЗИН монофосфат (АМФ)*;

дифосфат (АДФ);

трифосфат (АТФ).

ГУАНОЗИН монофосфат (ГМФ), …

ИНОЗИН монофосфат (ИМФ), …

Пиримидины

УРАЦИЛ

ЦИТОЗИН

ТИМИН

УРИДИН

ЦИТИДИН

ТИМИДИН (+дезоксирибоза)

УРИДИН монофосфат (УМФ), …

ЦИТИДИН монофосфат (ЦМФ), …

ТИМИДИН монофосфат (ТМФ), …

* — если сахар
дезоксирибоза — дезоксиАДЕНОЗИН,
дАМФ.

Биологическая
роль нуклеотидов

  1. являются
    универсальными источниками энергии в
    клетке (АТФ, ГТФ);

  2. являются активаторами
    и переносчиками мономеров в клетке
    (например, УДФ-глюкоза, ЦДФ-холин);

  3. являются
    аллостерическими регуляторами активности
    ферментов;

  4. входят в состав
    коферментов (НАД+,
    НАДФ+,
    ФАД, КоА- SH);

  5. циклические
    мононуклеотиды (цАМФ, цГМФ) являются
    вторичными посредниками действия
    гормонов и других сигналов на клетку;

  6. являются мономерами
    в составе нуклеиновых кислот.

СТРОЕНИЕ
ДНК

В
ДНК входят 4 типа АО: А, Т, Г, Ц; сахар
дезоксирибоза. Связь между нуклеотидами
образуется с участием 3-ОН-группы
одного нуклеотида и 5-остатком
фосфорной кислоты другого
(3–5/-фосфодиэфирная
связь). В результате молекула полинуклеотида
приобретает направленность — у нее
есть 3-конец
и 5-конец.

Под первичной
структурой ДНК

понимают последовательность нуклеотидов
в одной полинуклеотидной цепи.

Вторичная
структура ДНК

(1953 г., Д. Уотсон, Ф. Крик) — двойная
спираль, построенная по принципам
комплементарности (А — Т, Г — Ц) и
антипараллельности (3-концу
одной цепи соответствует 5-конец
другой).

Силы,
стабилизирующие двойную спираль: 1)
горизонтальные водородные связи между
АО (А = Т, Г ≡ Ц); 2) вертикальные
«стейкинг»-взаимодействия между АО; 3)
гидрофобные взаимодействия (АО обращены
внутрь, к оси спирали, а полярные пентозы
и фосфаты — наружу).

Силы, дестабилизирующие
двойную спираль: электро-статические
взаимодействия между отрицательно
заряженными фосфатами: а) в пределах
одной цепи; б) между цепями.

Поверхность двойной
спирали имеет две спиральные бороздки
— большую и малую. Белки связываются с
ДНК в области большой бороздки, куда
выступают АО.

Денатурация
(плавление) ДНК — процесс расхождения
нитей и формирования одноцепочечных
молекул. Происходит при повышении
температуры (около 70°С), при репликации
и транскрипции (в отдельных участках).
При постепенном снижении температуры
наблюдается ренатурация.

Третичная
структура ДНК

— формируется только в связи с белками
и служит для компактной упаковки ДНК в
ядре. Белки, входящие в состав
нуклеопротеинов:

  1. Гистоновые: богаты
    аргинином и лизином, имеют «+» заряд
    (основные). Связь с НК — ионная.

5 классов гистонов
— Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

  1. Негистоновые.

Уровни упаковки
генетического материала:

  1. Нуклеосомный.
    Нуклеосома состоит из октамера гистонов
    (содержит 8 молекул гистонов — по два
    каждого класса, кроме Н1), вокруг этого
    ядра молекула ДНК делает 1,5–2 оборота.

  2. Соленоидный
    — обеспечивается гистоном Н1.

  3. Петлевой
    — в образовании петель принимают
    участие негистоновые белки.

  4. Уровень метафазной
    хромосомы

    — высший уровень спирализации хроматина.

Модификации
гистонов (фосфорилирование, ацетилирование)
приводят к уменьшению их заряда, в
результате чего гистоны легче отсоединяются
от ДНК, и она становится доступна
ферментам репликации и транскрипции.

Функции
ДНК: хранение, воспроизводство и передача
по наследству генетического материала,
экспрессия генов.

5.6. Нарушения обмена нуклеотидов.

5.6.1.
При нарушениях пуринового обмена часто
наблюдается гиперурикемия

повышение содержания мочевой кислоты
в крови. Гиперурикемия может быть
первичной или вторичной.

Первичная
гиперурикемия является ведущим симптомом
подагры

полиэтиологического заболевания, как
правило, наследственной природы.
Гиперурикемия при подагре обусловлена
главным образом, избыточным образованием
образованием мочевой кислоты, а также
снижением её экскреции с мочой.
Значительная и длительная гиперурикемия
сопровождается отложением солей мочевой
кислоты в хрящевой ткани, сухожилиях и
слизистых сумках суставов. Накопление
кристаллов уратов в тканях может вызывать
резкую воспалительную реакцию
(подагрический артрит), что приводит
впоследствии к деформации сустава.
Избыток мочевой кислоты способствует
также образованию уратных камней в
нижних отделах мочевыводящих путей.

Повышение
уровня мочевой кислоты в крови отмечается
также при наследственных дефектах
некоторых ферментов:

Синдром
Леша-Нихана

(полное отсутствие ГГФРТ) наследуется
как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный
признак. Болезнь характеризуется
параличом, сопровождающимся 
судорогами, стремлением к членовредительству
и тяжёлой гиперурикемией. Вследствие
ферментативного дефекта нарушается
переход гуанина и гипоксантина в ГМФ и
ИМФ соответственно и указанные пуриновые
основания превращаются в мочевую
кислоту. Кроме того, повышенная
концентрация ФРПФ способствует усилению
синтеза пуринов de novo. Биохимическая
основа неврологических отклонений при
синдроме Леша-Нихана неизвестна.

Гликогеноз
I типа или болезнь Гирке

(дефицит глюкозо-6-фосфатазы) сопровождается
повышением активности пентозофосфатного
пути и приводит к повышению внутриклеточного
уровня рибозо-5-фосфата, из которого
синтезируется ФРПФ. Повышенный уровень
ФРПФ приводит к увеличению синтеза
пуринов de novo. Для данного заболевания
характерен также лактатный ацидоз,
приводящий к повышению порога секреции
уратов почками; это способствует
накоплению уратов в организме.

Вторичная
гиперурикемия сопутствует заболеваниям,
сопровождающимся усиленным распадом
клеток (лейкозы, серповидно-клеточная
анемия, сахарный диабет, псориаз).

5.6.2.
Реже
встречается гипоурикемия

снижение содержания мочевой кислоты в
крови. Она может быть связана с понижением
реабсорбции

уратов из клубочкового фильтрата в
почках. В этом случае наблюдается
увеличение экскреции мочевой кислоты
с мочой.

Гипоурикемия
развивается и при недостаточности
ксантиноксидазы
,
возникающей при генетическом дефекте
фермента или при тяжёлом поражении
печени. Это состояние сопровождается
повышенной экскрецией гипоксантина и
ксантина (ксантинурией), а также
образованием в почках ксантиновых
камней.

5.6.3.
Описаны два иммунодефицитных заболевания,
связанные с недостаточностью ферментов
метаболизма пуринов. Недостаточность
аденозиндезаминазы

сопровождается снижением количества
и нарушением функции как тимусных
лимфоцитов (Т-клеток),  так и лимфоцитов
костного мозга (В-клеток).  При
недостаточности
пуриннуклеозид-фосфорилазы

функции В-клеток остаются нормальными,
но значительно нарушаются функции
Т-клеток. Метаболические нарушения при
данных заболеваниях связаны с накоплением
дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дГТФ
и дАТФ), которые аллостерически ингибируют
рибонуклеотидредуктазу. Это, в свою
очередь, приводит к снижению содержания
в Т-лимфоцитах предшественников синтеза
ДНК, главным образом дЦТФ. Таким образом,
Т-клетки размножаться не могут.

Цикл мочевины

Цикл мочевины, циклический ферментативный
процесс, состоящий из последовательных
превращений аминокислоты орнитина и
приводящий к синтезу мочевины. Цикл
мочевины. — важнейший путь ассимиляции
аммиака (и тем самым его обезвреживания)
у многих видов животных, а также у
растений и микроорганизмов. Лучше всего
реакции цикла мочевины. изучены у
млекопитающих (Х. Кребс и К. Хензелейт,
1932, и др.), у которых они осуществляются
преимущественно в печени. Цикл мочевины
состоит из трёх основных реакций:
превращение орнитина в цитруллин,
цитруллина — в аргинин и расщепление
аргинина на мочевину и орнитин.

Цикл мочевины обнаружен у млекопитающих,
лягушек, черепах, дождевых червей, но
отсутствует у змей, птиц, и у костистых
рыб (у акуловых он функционирует). У
растений и микроорганизмов цикл мочевины
— важный путь связывания аммонийных
солей и превращения их в органические
азотистые соединения.

Расщепление аминокислот происходит
преимущественно в печени. При этом
непосредственно или косвенно освобождается
аммиак. Значительные количества аммиака
образуются при распаде пуринов и
пиримидинов.

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 NH 3
выводится непосредственно почками.

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 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 , из гидрокарбоната
(НСО 3 -) и аммиака с потреблением 2
молекул АТФ образуется карбамоилфосфат.
Как ангидрид это соединение обладает
высоким реакционным потенциалом. На
следующей стадии, реакция , карбамоильный
остаток переносится на орнитин с
образованием цитруллина. Вторая
аминогруппа молекулы мочевины поставляется
за счет реакции аспартата (на схеме
внизу справа) с цитруллином . 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 , из которого в
результате гидролиза образуется
изомочевина , 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 через малат переходить в
оксалоацетат, который за счет
трансаминирования 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. Обе аминокислоты
небелкового происхождения.

Скорость синтеза мочевины определяется
первой реакцией цикла . Карбамоилфосфатсинтаза
активна только в присутствии
N-ацетилглутамата. Состояние обмена
веществ (уровень аргинина, энергоснабжение)
сильно зависит от концентрации этого
аллостерического эффектора.

Биохимические циклы

Разумеется, глупо полагать, что орнитиновый цикл единственен в своем роде. Даже ранее мы установили его связь с другим циклом, известным в биохимии. На данном этапе науке известно много именно циклически организованных систем осуществления многостадийных химических преобразований, что происходят в живых организмах. Но и, разумеется, широко известны любому студенту далеко не все. Однако точно стоит знать названия таких явлений, как уже хорошо знакомый нам орнитиновый цикл, цикл Кребса (изображен на рисунке ниже) и цикл Кори.

Знание этих основ биохимии помогает врачам, биологам и фармацевтам находить и устранять сбои в работе человеческого организма. Это позволит быстро вылечить любого человека и даст ему возможность полноценно жить долгие годы, не переживая о том, что у него есть какие-то опасные отклонения, которые могут в конечном итоге привести к смертельному исходу.

Наследственные дефекты ферментов цикла мочевины

Значение нормального функционирования цикла мочевины в организме человека трудно переоценить. Известно, что новорожденные с полным отсутствием одного или нескольких ферментов цикла живут всего в течение нескольких дней. Многие синдромы, связанные с дефектами тех или иных ферментов были идентифицированы и описаны благодаря тому, что эти ферменты все же проявляли некоторую активность. Проведение аналогии с другими мутациями позволяет сделать вывод о том, что, в первую очередь, нарушения активности ферментов цикла мочевины связаны с изменением величины Km, но не Vmax. Однако охарактеризовать более подробно мутации генов, кодирующих эти важнейшие белки у человека довольно сложно.

В настоящее время уже охарактеризованы основные синдромы, связанные с дефектами каждого из ферментов цикла мочевины. Разрыв цикла в ка- кой-либо точке по-разному влияет на метаболизм азота, поскольку некоторые интермедиаты могут диффундировать из гепатоцитов, накапливаться в крови и попадать в мочу. Поэтому симптомы, прогнозы и терапия при дефиците различных ферментов отличаются. В целом описано несколько довольно часто встречающихся заболеваний, которые проявляются в задержке умственного развития или сопровождаются комой и смертью в раннем возрасте.

N-ацетилглутамат-синтетаза

Механизм

Общая реакция, которая происходит в CPSI:

2ATP + HCO 3 — + NH 4 + → 2ADP + карбамоилфосфат + P i

Эту реакцию можно представить в виде четырех различных этапов.

  1. Бикарбонат фосфорилируется
  2. Аммиак отщепляется от глутамина (глутаминазы) или глутамата (глутаматдегидрогеназы).
  3. Аммиак атакует карбоксифосфат, в результате чего образуется карбамат.
  4. Карбамат фосфорилируется с образованием карбамоилфосфата.

Недавние исследования механизмов

Было обнаружено, что оба АТФ-связывающих сайта в большой субъединице CPSI структурно эквивалентны. Недавнее исследование изучило взаимосвязь между этими двумя доменами (доменом B и доменом C) и обнаружило доказательства того, что они связаны. Это соединение с АТФ-связывающим доменом работает таким образом, что молекула, связывающая АТФ в одном сайте (домен C), конформационно обеспечивает синтез в другом домене (домен B). Если это так, карбамоилфосфат на самом деле образуется не на этапе 5 (включенного механизма ниже) путем выброса АДФ, а на этапе 4 путем протонирования спиртовой группы и последующего удаления ее в виде воды.

Механизм образования карбамоилфосфата

Дезаминирование глутамина с образованием аммиака и глутамата

Регулирование

CPSI регулируется N-ацетилглутаматом, который действует как CPS1. NAG, связываясь с доменом L4, запускает изменения в A-петле и в Arg1453, которые приводят к изменению взаимодействий с T’-петлей домена L3, который полностью реорганизуется с β-шпильки в форме апо на расширенную петлю в лиганд-связанная форма. В этой последней форме Т’-петля взаимодействует также с туннельной петлей и Т-петлей домена L1, передавая, таким образом, активирующую информацию в домен, фосфорилирующий бикарбонат. Это взаимодействие с NAG и второе взаимодействие с нуклеотидом стабилизируют активную форму CPSI. Необходимость в этом лиганде также связывает высокую концентрацию азота, отражающуюся в избытке глутамата и аргинина для производства NAG, с увеличением активности CPSI для очистки этого избытка.

Каковы симптомы при проблемах в цикле мочевины и можно ли самому ставить диагноз?

Симптомы при проблемах различного рода в процессе биосинтеза мочевины самые различные: от тошноты, рвоты, головокружений и потери сознания до отека мозга, эпилепсии, задержки психического развития и ослабления иммунитета. Однако очень сложно самостоятельно принять решение о такой серьезной проблеме. В условиях клинических исследований обязательно должны быть проведены анализы крови и мочи для выявления повышенного содержания тех или иных веществ (смотрят на содержание аммиака в крови, содержание метаболитов орнитинового цикла в моче, а также на активность ферментов в клетках печени). Это логично, ведь нарушение цикла на определенной стадии приводит к тому, что возникает дисбаланс, концентрация определенных веществ растет, то есть выходит за рамки нормы, безопасной для жизнедеятельности.

Поэтому ответ довольно прост и очевиден: лучше не пытаться каким-либо образом пытаться выявить проблемы функционирования орнитинового цикла самостоятельно, а прибегнуть к врачебной помощи при возникновении сомнений о себе или близких.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий