ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ АММИАКА В ОРГАНИЗМЕ

Мы уже рассматривали разного рода пути дезаминирования аминокислот, в результате которых образуется аммиак. Аммиак - высокотоксический продукт азотистого метаболизма, к тому же он легко проникает через липидные мембраны. Больше всего аммиака образуют ткани с наиболее интенсивным обменом аминокислот и биогенных аминов, например, мозг, затем печень и ЖКТ (здесь этот процесс сильно зависит от деятельности микрофлоры и степени переваривания белков, а также регулярности опорожнения кишечника).

Основные поставщики аммиака:

1) глутамат → а-кетоглутарат + NH3;

2) α-аминокислота → а-кето-кислота + NH3;

3) цистеин → пируват + NH3;

4) гистидин → урокаинат + NH3;

5) глицин → глиоксалевая кислота + NH3;

6) глюкозамин-6-Ф → глюкозо-6-ф + NH3;

7) глутамин → глутамат + NH3.

Ввиду своей высокой токсичности аммиак тут же подлежит немедленной нейтрализации по месту своего образования в тканях. Это достигается путем восстановительного аминирования α - кетокислот, прежде всего α -КГ, с образованием ГК. Помимо ГДГ-геназной реакции глутамат может участвовать также в глутаминсинтазной реакции, в которой глутамат присоединяет NН3 с участием АТР и превращается в глутамин. Именно глутамин является одним из основных хранилищ в тканях нетоксичной формы аммиака, который в последующем может быть использован в синтетических процессах. Глутамин, образовавшийся в печени, транспортируется далее в другие ткани, где он используется по назначению. Так, например, в почках, поступивший с кровью из печени глутамин под действием глутаминазы подвергается деамидированию с образованием NН4+ и глутамата. Далее глутамат путем окислительного дезаминирования с участием почечной ГДГ-азы превращается в α-КГ с выделением NН4+. Таким образом, благодаря двум ферментам - глутаминазе и ГДГ-азе в почечных канальцах обеспечивается аммониогенез, т. е. образование NН4+, что в почках является очень важным механизмом для регулирования кислотно-щелочного равновесия. Экскретируя с мочой синтезированные в почках ионы NН4+, почки обменивают их на ионы натрия и таким образом предотвращают ацидоз. В печень поступает глутамин, синтезированный в основном клетками головного мозга. Здесь он включается в различные синтетические процессы - синтез пуринов, фолиевой кислоты, глюкозаминов. Кроме того, с помощью глутамина, АТР и аспартата образуется аспарагин и таким образом высвобождается глутамат, который далее опять может участвовать в реакциях синтеза глутамина, трансаминирования, окислительного дезаминирования, и др.

Аспартат + глутамин + АТР → ГК + аспарагин + АМР + РіРі

Метаболизм глутамина происходит с помощью его дезаминирования в процессе образования карбомоилфосфата из аммиака и углекислого газа. Участвует в этом процессе фермен карбамоилфосфатсинтетаза. Существует карбамоилфосфат-синтетаза I и II. Карбамоилфосфатсинтетаза II обеспечивает синтез карбомоил-фосфата в цитоплазме для последующего его включения в биосинтез пиримидиновых оснований. Что касается карбамоилфосфатсинтетазы I, то этот фермент катализирует синтез карбамоилфосфата в печени, из которого далее в орнитиновом цикле (цикл мочевины) синтезируется конечный продукт-мочевина, вещество, характеризующееся высокой растворимостью и в силу этого легко выводимое из организма без всяких пороговых концентраций.

ПУТИ ВЫВЕДЕНИЯ АМИННОГО АЗОТА ИЗ ОРГАНИЗМА РАЗНЫХ ВИДОВ ЖИВОТНЫХ

Существует 3 способа выведения аминного азота из организма: в виде свободного аммиака, мочевины и мочевой кислоты. В зависимости от способа выведения азота из организма животных относят к аммониотелическим (животные, обитающие в воде, костные рыбы), уреотелическим (большинство наземных животных, млекопитающие, некоторые птицы) и урикотелическим (птицы, змеи, ящерицы). Такого рода различия связаны с анатомическим строением и средой обитания этих животных. Так, способ выведения из организма аммиака в качестве конечного продукта азотистого обмена - это эволюционно наиболее древний и самый простой путь, так как образовавшийся аммиак в виде глутамина доставляется в жабры, где глутамин распадается на глутамат и аммиак. Этот последний легко растворяется и уносится с водой. У наземных же животных в связи с появлением почек и мочевого пузыря появилась возможность выводить из организма продукты распада азотсодержащих соединений в виде мочевины, водорастворимого нетоксичного вещества. Что касается птиц, то для них этот способ неприемлем, так как вместе с мочевиной в мочу должны были поступать значительные количества воды, что привело бы к значительному увеличению их веса. Чтобы обойти эти неудобства, в процессе эволюции у птиц выработался механизм синтеза мочевой кислоты (вместо мочевины), которая является кристаллическим веществом, плохо растворимом в воде. Поэтому моча у птиц - это полутвердая масса, состоящая из кристаллов мочевой кислоты и очень небольшого количества воды. За такое удобство птицы расплачиваются более интенсивным метаболизмом с большими затратами энергии, необходимыми для синтеза мочевой кислоты.

Уреотелические животные. Цикл мочевины. У наземных позвоночных аммиак в виде NН4+ в печени превращается в мочевину, которая затем выводится с мочой. Синтез мочевины осуществляется через цикл мочевины. Последовательность реакций в этом цикле была раскрыта Г. Кребсом и К. Хенселайтом.

Первые две из этих реакций проходят в митохондриях, а остальные - в цитозоле. Реакции цикла мочевины сопряжены с рядом окислительных реакций цикла трикарбоновых кислот и реакциями трансаминирования в цитозоле.

Аммиак поступает в цикл мочевины в виде иона NН4+, который, связываясь c углекислым газом в печени, превращается в карбамоилфосфат под действием карбамоилфосфатсинтетазы I (КФС-1). Активатором этого фермента служит - ацетилглутамат, полученный из глутамата и ацетил-КоА с помощью N-ацетилглутаматсинтетазы.

НСО3- + NН4+ + 2АТР → карбамоилфосфат + 2АDP + Рi + Н+ (1)

Источником NН4+ (для дальнейшего его включения в карбамоил-фосфат) является глутамат, который распадается путем его окислительногодезаминирования с участием ГДГ-азы:

Глутамат + NAD+ + Н20 → α КГ + NН4+ + NAD Н + Н+.

Под действием карбамоилтрансферазы и ионов Мg2+ карбамоильная группа передается на орнитин с образованием цитруллина, который из митохондрий - затем переходит в цитозоль.

Карбамоил-фосфат + орнитин Н Цитруллин. (2)

В цитозоле цитруллин при участии АТР и аргининосукцинатсинтазы связывается с аспартатом и превращается в аргининосукцинат:

Цитруллин + аспартат + АТР → Аргининосукцинат + АМР + РiРi (3)

Аспартатом эту реакцию обеспечивает реакция трансаминирования оксалоацетата под действием аспартатаминотрансферазы и донор аминной группы - глутамат:

Оксалоацетат + глутамат → Аспартат + α-КГ.

Образовавшийся в реакции (3) пирофосфат быстро гидролизуется, а аргининосукцинат далее под действием аргининосукцинатлиазы распадается на фумарат и аминокислоту аргинин, которая под действием аргиназы и Мп2+ расщепляется на орнитин и мочевину. Орнитин затем вновь может поступать в митохондрии и запускать новый цикл мочевины. Таким образом, для синтеза одной молекулы мочевины затрачиваются 4 макроэргические связи (2 - на образование карбамоилфосфата, а 2 образовании аргининосукцината

Важную роль в цикле мочевины играет синтез фумарата, поскольку он связывает между собой цикл мочевины и цикл трикарбоновых кислот. Так, фумарат гидратируется в малат, который в свою очередь окисляется в оксалоацетат. Для этого промежуточного продукта существует несколько возможных путей метаболизма. Он может:

■ подвергаться трансаминированию в аспартат;

■ превращаться в глюкозу по пути глюконеогенеза;

■ конденсироваться с ацетил-КоА, образуя цитрат.

Реакции, завершающиеся образованием аргинина, свойственны всем организмам, но только уреотелические животные обладают достаточным количеством аргиназы, обеспечивающей гидролиз аргинина с образованием мочевины и орнитина. Кстати, какое-то количество мочевины синтезируется также клетками почечных канальцев, головного мозга, кожи и др. Суммарное уравнение цикла мочевины имеет вид:

2NН4+ + НСО3- + ЗАТР + 2Н2О + аспартат →

Мочевина + фумарат + 2АDР + 2Рi + АМР + РiРi + Н+.

Образовавшаяся таким образом мочевина диффундирует из цитозоля печени в кровь и через почки выводится из организма с мочой.

Выделяя вместо аммиака мочевину, уреотелические животные оплачивают это преимущество, теряя до 15% энергии тех аминокислот, которые служат источником этой мочевины. Механизм регулирования цикла мочевины у низших и высших позвоночных в целом одинаков; основное отличие заключается в том, какой из существующих механизмов используют отдельные виды наиболее часто. Ключевыми регуляторами цикла мочевины являются N-ацетилглутамат и орнитин. Являясь активатором КФС-1, N-ацетилглутамат обеспечивает синтез карбамоилфосфата, а орнитин - вместе с карбамоилфосфатом - образование цитруллина.

Концентрация N-ацетилглутамата контролируется в основном двумя путями: путем активирования ацетил глутаматсинтетазы или ацетилглутаматлиазы. Первый участвует в синтезе N-ацетилглутамата, а второй - в его гидролизе.

Биосинтез мочевины регулируется также механизмом регулирования на уровне трансляции, т. е. синтеза ферментов, участвующих в цикле мочевины.

При повышении содержания белка в пище активность цикла мочевины возрастает.

Функция цикла мочевины. Цикл мочевины выполняет очень важную роль в предотвращении защелачивания внутренней среды организма путем протонирования бикарбоната НСO3- - переноса 2 протонов водорода от NН4+ на НСO3- по схеме:

НСO3- + 2NН4+ ↔ (NН2)2СO + 2Н2O + Н+

НСO3- + Н+ ↔ СO2 + Н2O

2НСO3- + 2NН4+ ↔ (NН2)2СO + СO2 + Н2O

Учитывая, что в цикле мочевины затрачиваются 4 моля АТР, его можно рассматривать как энергозависимый протонный насос, переносящий протоны от NН4+ на НСO3-. Благодаря такому механизму оба конечных продукта катаболизма белков (мочевина и углекислый газ) легко удаляются из организма - мочевина с мочой, а углекислый газ - с выдыхаемым воздухом (через легкие). Особенно актуальным этот механизм является для нежвачных животных, потребляющих в основном растительную пищу (зимнеспящие животные). У таких травоядных образуются излишние количества НСO3- которые удаляются из организма в виде СO2 именно благодаря циклу мочевины.

Кроме того, мочевина может служить дополнительным источником азота для синтеза белка у животных, обладающих способностью вторичной переработки мочевины путем ее расщепления на NН4+ и СO2 с помощью уреазы. Однако ткани животных не могут синтезировать уреазу. На такое способны только микроорганизмы пищеварительного тракта. Наличие специфических микроорганизмов симбионтов позволяет некоторым животным избежать накопления чрезмерных количеств мочевины в организме и таким образом предотвратить связанные с этим потери воды. Наиболее активно используют мочевину повторно жвачные животные (КРС, верблюд) благодаря рубцовой микрофлоре по схеме:

Печень → кровь → межклеточная жидкость → слюнные железы → слюна → содержимое рубца.

Способность вторичной переработки мочевины позволяет некоторым животным поддерживать свой водный баланс в условиях питания кормами, бедными белками, а также нехватки воды - зимнеспящие виды, а также обитатели пустыни (например, верблюд). Что касается верблюда, то это один из механизмов адаптации, сформировавшийся у верблюда во избежание потери воды. Он не выделяет или почти не выделяет мочевину с мочой, так как она подвергается повторной переработке, что позволяет сохранению воды в организме и снимает нагрузку на почки. Если бы не было такого механизма, то все большее число кетокислот (чаще всего α-кетоглутарат и оксалоацетат) связывались бы с аммиаком и расходовались бы на его временную нейтрализацию, без регенерации обратно в кетоформу. Это привело бы рано или поздно к торможению цикла Кребса и развитию тканевой гипоксии прежде всего в органах, производящих больше всего аммиака, в частности в ЦНС. Именно это и наблюдается при срыве образования мочевины в печени и проявляется нарастающей тканевой гипоксией мозга.

Урикотелические животные. Птицы, змеи и ящерицы выделяют аминный азот главным образом в виде мочевой кислоты. Мочевая кислота является также главным конечным продуктом обмена пуринов у приматов, птиц и рептилий.

Основой мочевой кислоты является пуриновое ядро. Мы уже знаем, откуда берутся атомы углерода и азота для синтеза пуринов. Процесс синтеза пуринов и мочевой кислоты требует значительных энергетических затрат. Но это расплата за удобства. Правда, в виде мочевой кислоты выводится не только аминный азот. Фактически в виде мочевой кислоты из организма выводятся продукты катаболизма пуриновых нуклеотидов. При катаболизме аденилатов первоначально происходит их дезаминирование с образованием инозина, который затем подвергается гидролизу с образованием гипоксантина и D-рибозы. Гипоксантин далее окисляется до ксантина, который под действием ксантиноксидазы превращается в мочевую кислоту. Что касается гуанилатов, то сначала из них образуется гуанозин, потом гуанин, а затем уже при его гидролизе - ксантин.