Орнітіновий цикл: реакції, схема, опис, метаболічні порушення

Щоб організм людини підтримував нормальну життєдіяльність, він виробив механізми виведення токсичних речовин. Серед них аміак - кінцевий продукт метаболізму азотистих сполук, перш за все білків. NH₃ токсичний для організму, і, як будь-який отрута, виводиться через систему виділення. Але перш аміак зазнає цілий ряд послідовних реакцій, який носить назву орнітіновий цикл.

Типи азотистого обміну

Чи не для всіх тварин характерно виділення аміаку в навколишнє середовище. Альтернативними кінцевими речовинами метаболізму азоту є сечова кислота і сечовина. Відповідно, називають три типи азотистого обміну, в залежності від виділяється речовини.

Аммоніотеліческій тип. Кінцевим речовиною тут є аміак. Це безбарвний газ, розчинний у воді. Аммоніотелія характерна для всіх риб, які мешкають в солоних водоймах.

Уреотеліческій тип. Тварини, для яких характерна уреотелія, виділяють в навколишнє середовище сечовину. Прикладами є прісноводні риби, амфібії і ссавці, в тому числі і людина.

Урікотеліческій тип. Сюди відносяться ті представники тваринного світу, у яких кінцевим метаболітом є кристали сечової кислоти. Ця речовина як продукт азотистого обміну зустрічається у птахів і плазунів.

У будь-якому з цих випадків завдання кінцевого продукту обміну - це виведення непотрібного азоту з організму. Якщо цього не відбувається, спостерігається таксація клітин і пригнічення важливих реакцій.

Що таке сечовина?

Сечовина - це амід вугільної кислоти. Вона утворюється з аміаку, вуглекислого газу, азоту і аминогрупп деяких речовин під час протікання реакцій орнітінового циклу. Сечовина - це продукт виділення уреотеліческіх тварин, серед яких і чоловік.

Сечовина є одним із способів екскреції надлишку азоту з організму. Освіта цієї речовини несе протекторну функцію, тому що попередник сечовини - аміак, токсичний для клітин людини.

При переробці 100 г білка різної природи з сечею виділяється 20-25 г сечовини. Речовина синтезується в печінці, а потім з потоком крові потрапляє в нефрон нирки і виводиться разом з сечею.

Печінка - головний орган синтезу сечовини

У всьому організмі людини не знайдеться такої клітини, в якій будуть присутні абсолютно всі ферменти орнітінового циклу. Крім гепатоцитів, звичайно. Функція клітин печінки полягає не тільки в синтезі і руйнуванні гемоглобіну, а й в проведенні всіх реакцій синтезу сечовини.

Під опис орнітінового циклу підходить той факт, що він є єдиним способом видалення азоту з організму. Якщо на практиці пригнічувати синтез або дію головних ферментів, синтез сечовини зупиниться, а організм загине від надлишку аміаку в крові.

Орнітіновий цикл. біохімія реакцій

Цикл синтезу сечовини проходить в кілька етапів. Загальна схема орнітінового циклу представлена нижче (картинка), тому розберемо кожну реакцію окремо. Два стадії протікають безпосередньо в мітохондріях клітин печінки.

NH₃ реагує з вуглекислим газом з витратою двох молекул АТФ. В результаті цієї енерговитратній реакції утворюється карбамоілфосфат, в якому міститься макроергічних зв`язків. Каталізує цей процес фермент карбамоілфосфат-синтетаза.

Карбамоілфосфат вступає в реакцію з орнітином під дією ферменту орнітин-карбамоїл-трансферази. В результаті макроергічних зв`язків руйнується, а за рахунок її енергії утворюється цитрулін.

Третя і наступні стадії протікають не в мітохондріях, а в цитоплазмі гепатоцитів.

Йде реакція між цитрулін і аспарат. З витратою 1 молекули АТФ і під дією ферменту аргінін-сукцинат-синтази утворюється аргінін-сукцинат.

Аргінін-сукцинат в сукупності з ферментом аргінін-сукцініл-ЛіАЗ розщеплюється до аргініну і фумарату.

Аргінін в присутності води і під дією аргінази розщеплюється до орнитина (1 реакція) і сечовини (кінцевий продукт). Цикл замкнувся.

Енергетика циклу синтезу сечовини

Орнітіновий цикл - енерговитратний процес, при якому витрачаються макроергічні зв`язку молекул аденозинтрифосфату (АТФ). Протягом всіх 5 реакції в сукупності утворюються 3 молекули АДФ. До того ж енергія йде на транспорт речовин з мітохондрії в цитоплазму і навпаки. Звідки ж береться АТФ?

Фумарат, який утворився в четвертій реакції, може бути використаний як субстрат в циклі трикарбонових кислот. В ході синтезу малата з фумарата виділяється НАДФН, який дає в результаті 3 молекули АТФ.

Реакція дезамінування глутамату також грає роль в постачанні клітин печінки енергією. При цьому виділяються також 3 молекули АТФ, які йдуть на синтез сечовини.

Регуляція активності орнітінового циклу

У нормі каскад реакцій синтезу сечовини функціонує на 60% від можливого значення. При підвищеному вмісті білка в їжі відбувається прискорення реакцій, що призводить до підвищення загального ККД. Метаболічні порушення орнітінового циклу спостерігаються при високих фізичних навантаженнях і тривалому голодуванні, коли організм починає розщеплювати власні білки.

Регулює роботу орнітінового циклу може відбуватися і на біохімічному рівні. Тут мішенню є основною фермент карбамоілфосфат-синтетаза. Його аллостерическим активатором є N-ацетил-глутамат. При його великому вмісті в організмі реакції синтезу сечовини протікають нормально. При нестачі самого речовини або його попередників, глутамату і ацетил-КоА, орнітіновий цикл втрачає своє функціональне навантаження.

Зв`язок циклу синтезу сечовини і циклу Кребса

Реакції обох процесів протікають в матриксі мітохондрій. Це дає можливість брати участь деяким органічних речовин в двох біохімічних процесах.

Відео: Цикл Кребса коротко і понятно.Окіслітельное фосфорилирование,

СО₂ і аденозинтрифосфат, які утворюються в циклі лимонної кислоти, є попередниками карбамоілфосфата. АТФ також є найважливішим джерелом енергії.

Орнітіновий цикл, реакції якого протікають в гепатоцитах печінки, - це джерело фумарата, одного з найважливіших субстратів в циклі Кребса. Більш того, ця речовина в результаті декількох поетапних реакцій дає початок аспартату, який, в свою чергу, використовується в біосинтезі орнітінового циклу. Реакція за участю фумарата є джерелом НАДФ, за допомогою якого можна фосфорилювати АДФ до АТФ.

Біологічний сенс орнітінового циклу

Переважна частина азоту надходить в організм у складі білків. В процесі метаболізму амінокислоти руйнуються, утворюється аміак як кінцевий продукт обмінних процесів. Орнітіновий цикл - це кілька послідовних реакцій, головне завдання яких полягає в детоксикації NH₃ за допомогою його перекладу в сечовину. Сечовина, в свою чергу, надходить в нефрон нирки і виводиться з організму з сечею.

Крім того, побічно орнітіновий цикл є джерелом аргініну - однієї з незамінних амінокислот.

Порушення в синтезі сечовини може привести до такого захворювання, як гипераммониемия. Ця патологія характеризується підвищеною концентрацією іонів амонію NH_4⁺ в крові людини. Ці іони негативно позначаються на життєдіяльності організму, вимикаючи або сповільнюючи деякі важливі процеси. Ігнорування цього захворювання може призвести до летального результату.