Источники аммиака и пути его обезвреживания
Азот поступает в организм преимущественно в составе аминокислот, биогенных аминов и нуклеотидов. В ходе их катаболизма образуется аммиак (NH₃) — ключевое азотсодержащее соединение, подлежащее обязательному обезвреживанию ввиду высокой нейротоксичности.
Основные пути выведения азота из организма:
- синтез мочевины в печени (орнитиновый цикл) — главный путь;
- синтез глутамина в мышцах, мозге и других тканях — универсальный временный путь обезвреживания;
- экскреция аммонийных солей почками (за счёт дезаминирования глутамина);
- образование глутамата в мозге и аланина (в мышцах и кишечнике) — транспортные формы азота.
Синтез глутамина как универсальный путь обезвреживания аммиака
Реакция протекает практически во всех тканях. Фермент глутаминсинтетаза катализирует присоединение молекулы NH₃ к γ-карбоксильной группе глутамата с образованием амидной группы:
Глутамат + NH₃ + АТФ → Глутамин + АДФ + Pi
Затрата одной макроэргической связи АТФ обеспечивает термодинамическую необратимость реакции. Образующийся глутамин служит нетоксичной транспортной формой аммиака: он переносится кровью в печень (для синтеза мочевины) и в почки (для образования аммонийных солей).
Транспорт азота в печень
Из мышц и кишечника азот переносится преимущественно в составе аланина. В тканях через реакции трансаминирования аминогруппа переносится на пируват, образующийся аланин поступает в кровь и далее в печень.
В гепатоцитах аланин вступает в трансаминирование с α-кетоглутаратом (фермент АЛТ), образуется глутамат. Глутамат подвергается окислительному дезаминированию ферментом глутаматдегидрогеназой с образованием α-кетоглутарата и свободного NH₃, который и поступает в орнитиновый цикл.
Орнитиновый цикл (цикл мочевины Кребса–Гензелейта)
Полный набор ферментов локализован только в печени. Первые две реакции протекают в матриксе митохондрий, последующие — в цитозоле.
- Синтез карбамоилфосфата. Фермент карбамоилфосфатсинтетаза I (митохондриальная) катализирует: NH₃ + CO₂ + 2 АТФ → карбамоилфосфат + 2 АДФ + Pi. Это первая регуляторная и наиболее энергоёмкая реакция.
- Образование цитруллина. Орнитинкарбамоилтрансфераза переносит карбамоильный остаток на орнитин; отщепляется неорганический фосфат, образуется цитруллин, который выходит в цитозоль.
- Синтез аргининосукцината. В цитозоле аргининосукцинатсинтетаза присоединяет к цитруллину второй атом азота из аспартата; затрачивается АТФ с образованием АМФ и пирофосфата.
- Расщепление аргининосукцината. Аргининосукцинатлиаза отщепляет фумарат, образуется аргинин.
- Гидролиз аргинина. Фермент аргиназа в присутствии H₂O расщепляет аргинин на мочевину и орнитин. Орнитин возвращается в митохондрию, цикл замыкается.
Таким образом, в одну молекулу мочевины включаются два атома азота: первый — из свободного аммиака (через карбамоилфосфат), второй — из аспартата.
Связь орнитинового цикла с ЦТК и регенерация аспартата
Образующийся фумарат поступает в цикл трикарбоновых кислот, где под действием фумаразы превращается в малат, а затем малатдегидрогеназой — в оксалоацетат. На оксалоацетат путём трансаминирования (АСТ) переносится аминогруппа с глутамата, регенерируется аспартат, вновь вступающий в орнитиновый цикл.
Биологический смысл цикла, таким образом, не сводится только к синтезу мочевины: он обеспечивает также рециркуляцию аспартата и сопряжение с ЦТК.
Регуляция синтеза мочевины
Регуляторными являются три фермента:
- карбамоилфосфатсинтетаза I;
- орнитинкарбамоилтрансфераза;
- аргиназа.
Аллостерическая активация. Карбамоилфосфатсинтетаза I активируется N-ацетилглутаматом, который образуется N-ацетилглутаматсинтазой при повышении концентрации аргинина — индикатора активной работы цикла.
Индукция ферментов. При длительной физической нагрузке, голодании, высокобелковой диете и усиленном катаболизме белков ферменты орнитинового цикла (карбамоилфосфатсинтетаза I, орнитинкарбамоилтрансфераза, аргиназа) индуцируются кортизолом. Параллельно индуцируются ферменты глюконеогенеза (фосфоенолпируваткарбоксикиназа), а также АЛТ и глутаматдегидрогеназа, обеспечивающие подачу аммиака и углеродных скелетов.
Аммонийные соли и роль глутамина в почках
Глутамин, поступающий в почки, дезаминируется глутаминазой с высвобождением NH₃, который связывает протоны с образованием иона NH₄⁺. Аммонийные соли экскретируются с мочой, что одновременно обеспечивает выведение азота и поддержание кислотно-щелочного равновесия.
Гипераммониемия
Нарушение работы любого из ферментов орнитинового цикла приводит к накоплению аммиака в крови — гипераммониемии. Аммиак токсичен прежде всего для ЦНС: он связывает α-кетоглутарат с образованием глутамата (далее глутамина), истощая ЦТК в нейронах и нарушая энергообеспечение мозга. Клинически гипераммониемия проявляется рвотой, судорогами, нарушением сознания вплоть до комы.
Ключевые моменты
- NH₃ — токсичный продукт катаболизма аминокислот; основные пути обезвреживания: синтез мочевины, глутамина и аммонийных солей.
- Глутаминсинтетаза с затратой АТФ присоединяет NH₃ к глутамату — универсальная реакция всех тканей.
- Полный орнитиновый цикл локализован только в печени; первые две реакции — в митохондриях, остальные — в цитозоле.
- Два атома азота мочевины происходят из свободного NH₃ и из аспартата; на цикл расходуется 4 макроэргические связи.
- Ключевые ферменты: карбамоилфосфатсинтетаза I, орнитинкарбамоилтрансфераза, аргининосукцинатсинтетаза, аргининосукцинатлиаза, аргиназа.
- Цикл сопряжён с ЦТК через фумарат и обеспечивает регенерацию аспартата.
- Главный аллостерический активатор — N-ацетилглутамат; индукторы ферментов — кортизол, высокобелковая диета, голодание.
- Дефект ферментов цикла вызывает гипераммониемию с тяжёлым поражением ЦНС.