Обезвреживание аммиака в организме

Мочевая системаВ процессе превращения аминокислот в тканях образуются их конечные продукты обмена — оксид углерода, вода и аммиак. Вода используется организмом для обеспечения биохимических процессов. Оксид углерода частично выводится из организма с выдыхаемым воздухом, другая его часть утилизируется в процессах синтеза (например, при синтезе жирных кислот, пуриновых оснований и т.д.).

Аммиак, образующийся в результате дезаминирования аминокислот, является токсичным веществом, увеличение его концентрации в крови и других тканях оказывает неблагоприятное воздействие, особенно на нервную систему. Токсичность аммиака обусловлена тем, что он способствует восстановительному аминированию альфа-кетоглутаровой кислоты в митохондриях. Это приводит к удалению её из цикла Кребса и, как следствие, к падению тканевого дыхания и избыточнму образованию кетоновых тел из ацетил-КоА (ацетилкоэнзим А).

В процессе эволюции живые организмы выработали различные эффективные механизмы по обезвреживанию токсического действия аммиака, основными из которых являются: образование аминов глутамина или аспарагина, восстановительное аминирование, нейтрализация кислот, синтез мочевины.

Синтез глутамина или аспарагина имеет большое значение для организма. Он протекает в местах непосредственного образования аммиака (например, в печени, мозге), там же находится и фермент, катализирующий этот процесс — глутаминсинтетаза, относящийся к классу лигаз. Синтез амидов требует доставки энергии в виде АТФ, присутствия глутаминовой или аспарагиновой кислот, свободного аммиака и соответствующих специфических ферментов. Реакция синтеза амида связана с распадом АТФ.

Глутаминовая кислота COOH=CH2=CH2=CH (NH2)=COOH                 -NH3     —->  Глутамин  NH2-CH(COOH)-(CH2)2-CO-NH2

Аналогично образуется и аспарагин.

В результате взаимодействия аммиака с глутаминовой и аспарагиновой кислотами происходит его связывание и таким образом аммиак обезвреживается. Связанный  аммиак может быть использован в качестве источника азота (например, для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, мукополисахаридов ). Глутамин и аспарагин не только обезвреживают аммиак, но и выступают в качестве его транспортной формы. В связанном виде аммиак доставляется к месту окончательной утилизации — в печень, где из него синтезируется мочевина.

Синтез мочевины.

Одним из наиболее эффективных методов обезвреживания аммиака является синтез мочевины. Впервые схема синтеза мочевины была предложена российским биохимиком М. В. Ненцким, который считал, что мочевина образуется из двух молекул аммиака и одной молекулы угольной кислоты, но эта теория оказалась ошибочной.

В специальных опытах М.В. Залесского и С.С. Салазкина на животных (лаборатория акад. И.П. Павлова) было установлено, что если венозную кровь направить не в печень, а, минуя ее, в нижнюю полую вену, то наблюдается резкое увеличение содержания аммиака в крови и отравление. На основании этих результатов был сделан вывод, что печень является органом, в котором происходит обезвреживание аммиака в организме.

В работах X.А. Кребса и других исследователей было показано участие в данном процессе веществ и ферментов, катализирующих реакции синтеза мочевины. Английский биохимик Х.А. Кребс внес большой вклад в современную теорию синтеза мочевины. Он установил, что этот процесс носит циклический характер, и указал на роль в нем орнитина.

Предпосылкой для создания теории синтеза мочевины было выявление в печени аминокислоты орнитина и фермента аргиназы, расщепляющей аргинин на орнитин и мочевину. По теории Кребса, синтез мочевины начинается взаимодействием орнитина с аммиаком и оксидом карбогена. При этом образуется аминокислота цитруллин, которая взаимодействует с еще одной молекулой аммиака с выделением аргинина. Последний гидролизуется аргиназой на орнитин и мочевину. Орнитин в этих реакциях выполняет роль катализатора. За открытие этого цикла X. А. Кребс был удостоен Нобелевской премии.

Замкнутый цикл синтеза мочевины условно можно разделить на три этапа. На первом и втором этапах происходит связывание двух молекул аммиака в безвредное для организма соединение, на третьем этапе образуется мочевина.

Первый этап.

За счет энергии АТФ из молекулы аммиака и оксида карбогена синтезируется карбомоилфосфат. Затем происходит конденсация карбомоилфосфата с орнитином, в результате которой синтезируется цитруллин. При этом высвобождается неорганический фосфат. Синтез цитруллина обеспечивается за счет энергии, аккумулированной в карбомоилфосфате.

NH3 + CO2 + АТФ  —>  карбомоилфосфат  H2N-CO-O-PO3H2 + АДФ

Таким образом, в цитруллине зафиксирована одна молекула аммиака.

карбомоилфосфат H2N-CO-O-PO3H2 + орнитин  H2N (CH2)ЗСН (NH2) COOH  —> цитруллин H2NCONH (CH2)3CH (NH2) COOH + ФК

Второй этап.

Происходит связывание еще одной молекулы аммиака в глутаминовую кислоту путем восстановительного аминирования с aльфа-кетоглутаровой кислотой. Глутаминовая кислота передает зафиксированную молекулу аммиака в виде NH2-группы на щавелевоуксусную кислоту, превращается в аспарагиновую кислоту (процесс  переаминирования):

альфа-кетоглутаровая кислота НООС(СН2)2С(О)СООН + NH3 + 2H+ — H2O  —>  глутаминовая кислота COOH=CH2=CH2=CH (NH2)=COOH  +  щавелевоуксусная кислота  CO2H—COCH2CO2H      —>  аспарагиновая кислота HOOCCH2CH(NH2)COOH +  альфа-кетоглутаровая кислота НООС(СН2)2С(О)СООН

Третий этап.

На этом этапе осуществляется синтез мочевины. Цитруллин, взаимодействуя с аминогруппой аспарагиновой кислоты, образует аргинин-янтарную  кислоту (аргининосукцинат). В этом процессе используется энергия еще одной молекулы АТФ.

Цитруллин  H2NCONH (CH2)3CH(NH2)COOH + аспарагиновая кислота HOOCCH2CH(NH2)COOH  +  АТФ  —>  аргинин-янтарная кислота  HNC=N-CH(COOH)(CH2COOH)NH(CH2)3CH(NH2)COOH  +  АДФ + Н3РО4    —>   фумаровая кислота  HO2CCH=CHCO2H

Аргинин-янтарная кислота расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту. Фумаровая кислота включается в углеводный обмен, превращаясь в яблочную, которая путем  дегидрирования переходит в щавелевоуксусную.

аргинин-янтарная кислота  HNC=N-CH(COOH)(CH2COOH)NH(CH2)3CH(NH2)COOH  —>  аргинин HN=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH   +  фумаровая кислота HO2CCH=CHCO2H

Щавелевоуксусная кислота может присоединять к себе аммиак и снова превращаться в аспарагиновую кислоту или, подвергаясь декарбоксилированию, в пировиноградную, а затем в коэнзим А, который используется в различных реакциях биосинтеза или окисляется до СО2 и Н2О.

Аргинин, образовавшийся под действием аргиназы, гидролитически расщепляется на орнитин и мочевину. Освободившийся орнитин может снова вступить в реакцию с новой молекулой карбомоилфосфата и процесс повторяется.

Подсчитано, что в состоянии азотистого равновесия организм взрослого человека потребляет и соответственно выделяет 15 г азота; из экскретированного с мочой азота на долю мочевины приходится около 85%, креатинина – 5%, аммонийных солей – 3%, мочевой кислоты – 1%, других его форм – 6%.

аргинин  HN=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH  + Н2О   —>  орнитин H2N (CH2)ЗСН (NH2) COOH  +  мочевина  H2NCONH2

Мочевина – безвредное соединение, синтез его происходит в печени, нарушение функции которой ведёт к замедлению процесса, снижению содержания мочевины в крови и уменьшению выделения её с мочой.

«Обезвреживание аммиака  в организме» — это четвёртая статья из цикла «Обмен белков в организме человека». Первая статья – «Расщепление белков в пищеварительном тракте». Вторая статья «Обезвреживание продуктов гниения белков в кишечнике». Третья статья «Обмен аминокислот в тканях»

2 thoughts on “Обезвреживание аммиака в организме

  1. Глутамин, кроме того, используется почками в качестве резервного источника аммиака, необходимого для нейтрализации кислых продуктов обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от потери с мочой ионов Na

  2. Глутамин, кроме того, используется почками в качестве резервного источника аммиака, необходимого для нейтрализации кислых продуктов обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от потери с мочой ионов Na