Орнитиновый цикл синтеза мочевины¶

Орнитиновый цикл (цикл мочевины, цикл Кребса — Хензелайта) — метаболический путь, в ходе которого в печени позвоночных животных происходит превращение токсичного аммиака в нейтральную мочевину, выводимую с мочой. Цикл представляет собой замкнутую последовательность реакций, в которой орнитин выполняет роль катализатора-переносчика: он вступает в цикл и выходит из него в неизменном виде. Открытие цикла в 1932 году стало первым примером описанного биохимического циклического процесса.

¶История открытия

В 1932 году немецкие биохимики Ханс Кребс и Курт Хензелайт предложили схему синтеза мочевины, основанную на опытах с срезами печени. Они обнаружили, что добавление орнитина, цитруллина или аргинина резко ускоряет образование мочевины, причём сами эти вещества не расходуются. Это позволило предположить существование замкнутого цикла. Позднее, в 1950-х годах, Сара Ратнер и её сотрудники выделили ферменты, катализирующие отдельные стадии, и подтвердили схему экспериментально. За работы по изучению обмена веществ Ханс Кребс был удостоен Нобелевской премии (1953), хотя она была присуждена за открытие цикла лимонной кислоты.

¶Локализация и биологическая роль

Синтез мочевины протекает преимущественно в клетках печени. У человека и других млекопитающих этот путь — главный механизм обезвреживания аммиака, образующегося при распаде аминокислот. Аммиак чрезвычайно токсичен для нервной системы, поэтому его концентрация в крови поддерживается на низком уровне. Нарушения орнитинового цикла приводят к гипер ammoniemии — накоплению аммиака, сопровождающемуся поражением мозга.

Реакции цикла распределены между двумя компартментами клетки: митохондриями и цитозолем. Это разделение требует наличия транспортных систем для переноса промежуточных продуктов через мембрану.

¶Последовательность реакций

Цикл включает пять основных реакций.

¶Первая стадия (митохондрии)

Аммиак в виде иона аммония конденсируется с карбамоилфосфатом, который образуется из аммиака, углекислого газа и АТФ при участии фермента карбамоилфосфатсинтетазы I. Затем карбамоилфосфат реагирует с орнитином, образуя цитруллин; реакцию катализирует орнитинкарбамоилтрансфераза. Цитруллин выходит в цитозоль.

¶Вторая стадия (цитозоль)

Цитруллин присоединяет вторую аминогруппу, источником которой служит аспартат. Образуется аргининосукцинат под действием аргининосукцинатсинтетазы. Далее аргининосукцинат расщепляется аргининосукцинатлиазой на аргинин и фумарат. Фумарат возвращается в цикл трикарбоновых кислот, связывая обмен аминокислот и углеводов.

¶Третья стадия (цитозоль)

Аргинин гидролизуется ферментом аргиназой с образованием мочевины и орнитина. Мочевина — конечный продукт, выводимый с мочой; орнитин возвращается в митохондрию и вступает в новый оборот.

¶Энергетические затраты

На синтез одной молекулы мочевины расходуется четыре макроэргических связи: две молекулы АТФ превращаются в АДФ на стадии образования карбамоилфосфата, а одна АТФ превращается в АМФ (что эквивалентно двум связям) при синтезе аргининосукцината. Столь высокая стоимость оправдана необходимостью обезвредить токсичный аммиак.

¶Связь с другими путями обмена

Орнитиновый цикл тесно сопряжён с циклом трикарбоновых кислот через фумарат и с обменом аминокислот через аспартат. Существует понятие «аспартат-аргининосукцинатного шунта», связывающего митохондриальный и цитозольный пулы восстановительных эквивалентов. Кроме того, промежуточные продукты цикла участвуют в синтезе креатина, полиаминов и оксида азота.

¶Нарушения у человека

Известен ряд наследственных энзимопатий, связанных с дефектами ферментов цикла. Наиболее часто встречается недостаточность орнитинкарбамоилтрансферазы, сцепленная с X-хромосомой. Клинические проявления включают рвоту, вялость, судороги и кому у новорождённых, а также задержку развития. Диагностика основана на определении концентрации аммиака и аминокислот в крови, а также на анализе мочи на органические кислоты. Лечение предполагает ограничение белка в диете, введение аргинина и цитруллина, применение препаратов, связывающих аммиак.

¶Сравнение с другими механизмами

У разных групп животных конечные продукты азотистого обмена различаются. Аммонотелические организмы (рыбы, многие беспозвоночные) выделяют аммиак непосредственно в воду. Уреотелические животные (млекопитающие, взрослые земноводные, хрящевые рыбы) синтезируют мочевину. Урикотелические организмы (птицы, рептилии, насекомые) выделяют мочевую кислоту, что экономит воду. Орнитиновый цикл характерен именно для уреотелических видов.

¶Значение в науке и медицине

Изучение цикла мочевины заложило основы представлений о компартментализации метаболизма и о роли циклов в обмене веществ. Методы оценки функции цикла применяются в клинической практике для диагностики печёночной недостаточности и наследственных болезней обмена. Понимание механизмов цикла используется при разработке лекарственных средств и диетических подходов для пациентов с гипер ammoniemией.

Источники: учебники биохимии (Ленинджер, Страйер), работы Х. Кребса и К. Хензелайта, материалы по наследственным болезням обмена веществ.