'''Орнитиновият цикъл''' (или още '''цикъл на уреата''') е цикъл от [[биохимия|биохимични]] реакции, срещащ се при много животни, произвеждащи [[уреа]] (([[азот|N]][[водород|H]]<sub>2</sub>)<sub>2</sub>[[въглерод|C]][[кислород|O]]) като краен продукт от азотния метаболизъм. Това е и първият открит метаболитен цикъл ([[Ханс Адолф Кребс|Ханс Кребс]] и Курт Хенслайт, 1932 г.), пет години преди откриването на [[Цикъл на Кребс|цикъла на Кребс]]. При [[бозайник|бозайниците]], орнитиновият цикъл се осъществява най-вече в [[черен дроб|черния дроб]] и в по-малка степен в [[бъбрек|бъбреците]].
'''Орнитиновият цикъл''' (или още '''цикъл на уреята, Уреен цикъл''') е цикъл от [[биохимия|биохимични]] реакции, срещащ се при много животни, произвеждащи [[уреа]] (([[азот|N]][[водород|H]]<sub>2</sub>)<sub>2</sub>[[въглерод|C]][[кислород|O]]) като краен продукт от азотния метаболизъм. Това е и първият открит метаболитен цикъл ([[Ханс Адолф Кребс|Ханс Кребс]] и Курт Хенслайт, 1932 г.), пет години преди откриването на [[Цикъл на Кребс|цикъла на Кребс]]. При [[бозайник|бозайниците]], орнитиновият цикъл се осъществява най-вече в [[черен дроб|черния дроб]] и в по-малка степен в [[бъбрек|бъбреците]].
Уреен цикъл - биосинтезът на уреята протича на четири етапа: (1) трансаминиране, (2) окислително дезаминиране на глутамат, (3) транспорт на амоняк и (4) реакции на урейният цикъл. Експресията в черния дроб на РНКи за всички ензими от урейният цикъл се увеличават многократно при гладуване, вероятно вторично на повишеното протеиново разграждане за осигуряване на енергия.
1. Трансаминиране
Трансаминирането прехвърля α-амино азот от амино киселини на α-Кетоглутарат (ЦТК), свързан с образуването глутамат.
2. [[L-глумат дехидрогеназа|L-глумат дехидрогеназата]] заема централна позиция в азотният метаболизъм -
Прехвърлянето на амино азот към α-кетоглутарат образува L-глутамат. Чернодробната L-глутамат дехидрогеназа (ГДХ), която може да използва НАД<sup>+</sup>, или НАДФ<sup>+</sup>, освобождава този азот като амоняк. Преобразуването на α-амино азот до амоняк чрез съгласуваното действие на глутамат аминотрансферазата и GDH се нарича често „[[трансдеминиране]]“. Черно дробната ГДХ активност се инхибира алостерично от АТФ, ГТФ и НАДH и се активира от АДФ. Реакцията на ГДХ е свободно обратима, и също така функционира в биосинтезът на аминокиселини.
Аминокиселинните оксидази премахват азота като амоняк:
L-амино киселината оксидаза на черния дроб и бъбреците превръщат аминокиселината в α-имино киселина, която се разлага до α-кетокиселина с отделяне на амониев йон. Редуцираният [[флавин]] се реокислява от молекулярен кислород, образувайки водороден пероксид (H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>), който след това се разгражда на O<sub>2</sub> и H<sub>2</sub>O чрез [[каталаза]], ЕС 1.11.1.6.</blockquote>
== Интоксикацията с амоняк е опасна за живота ==
[[Амоняк|Амонякът]], произведен от ентерични бактерии и абсорбирани в порталното венозно кръвообръщение и амонякът, произведен от тъканите, се отстраняват бързо от циркулация от черния дроб и се превръща в [[урея]]. По този начин, обикновено, само следи (10-20 µg/dL) присъстват в периферната кръв. Това е от съществено значение, поради това че амонякът е токсичен за централната нервна система. Ако порталната кръв трябва да заобиколи черния дроб, амонякът в системното кръвообръщение може да достигне токсични нива. Това възниква при сериозно нарушена чернодробна функция или развитието на колатерални връзки между порталните и системните вени при [[цироза]]. Симптомите на [[амониева интоксикация]] включват [[тремор]], неясна реч, замъглено зрение, [[кома]] и в крайна сметка смърт. Амонякът може да бъде токсичен за мозъкът отчасти, защото реагира с [[α-кетоглутарат,]] за да образува [[глутамат]]. Резултиращато деплетиране на α-кетоглутарат, след това нарушава функцията на на трикарбоксилатният цикъл (ЦТК) в невроните. Хиперамонемията, която се наблюдава при напреднали чернодробни заболявания, води до загуба на съзнание, кома и гърчове в резултат на нарушена активност на цикъла на лимонената киселина, водещо до намалено образуване на АТФ. Амоняк изчерпва и междинните съединения на цикъла на лимонената киселина (чрез изтегляне на α-кетоглутарат за образуване на глутамат и глутамин) и също така инхибира окислително декарбоксилиране на α-кетоглутарат.
== Глутамин синтетазата фиксира амонякът като глутамин ==
Образуването на глутамин се катализира от митохондриална [[глутамин синтетаза]]. Поради това че синтезът на амидна връзка е свързан с хидролизата на АТФ до АДФ и Фн, реакцията силно облагоприятства синтезът на глутамин. По време на катализата, глутаматът атакува γ-фосфорилната група на АТФ, образувайки γ-глутамилфосфат и АДФ. След депротониране на NH<sub>4</sub><sup>+</sup>, NH<sub>3</sub> атакува у-глутамилфосфат, а глутаминът и Фн се освобождават. В допълнение към осигуряването на глутамин, играещ ролята на преносител на азот, въглерод и енергия между органите, глутамин синтетазата играе основна роля както при детоксикацията на амоняка, така и в киселинно-основната хомеостаза. Рядък дефицит в глутамин синтетазата при новородени води до тежко увреждане на мозъка, мултиорганна недостатъчност и смърт.
Съществуват две човешки изоформи на митохондриалната [[глутаминаза]], наречена чернодробен и бъбречен тип глутаминаза. Продукти от различни гени глутаминазите се различават по отношение на тяхната структура, кинетика и регулация. Чернодробните глутаминазни нива се повишават в отговор на високия прием на протеини, докато бъбречната тип глутаминаза се увеличава при [[метаболитна ацидоза]]. Хидролитичното освобождаване на амидния азот на глутамин като амоняк, катализирано от глутаминоза, силно облагоприятства образуването на глутамат. Една аналогична реакция се катализира от L-аспарагиназа (ЕС 3.5.1.1). Съгласуваното действие на глутамин синтетазата и глутаминазата катализират превръщането на свободния амониев йон и глутамин.
== Образуването и секрецията на амоняк поддържат киселинно –основният баланс ==
Екскрецията на амоняк в урината, продуциран от бъбречните тубуларни клетки улеснява запазването на катийонни и регулирането на киселинно-алкалния баланс. Амонячната продукция от вътреклетъчни бъбречни аминокиселини, особенно от [[глутамин]], се увеличава при [[метаболитна ацидоза]] и намалява при [[метаболитната алкалоза]].
== Уреята е основният краен продукт на азотният катаболизъм при хора ==
Синтезът на 1 мол [[урея]] изисква 3 mol АТФ, по 1 mol всеки от амониев йон и [[аспартат]] и използва пет ензима. От шестте участващи аминокиселини, [[N-ацетилглутамат]] функционира единствено като ензимен активатор. Останалите служат като преносители на атоми, които в крайна сметка се превръщат в урея. Основната метаболитна роля на [[орнитин]], [[цитрулин]] и [[аргининосукцинат]] при бозайници е синтезът на урея. Синтезът на урея е цикличен процес. Докато амониев йон, CO<sub>2</sub>, АТФ и аспартат се консумират, консумираният в реакция 2 орнитин се регенерира в реакция 5. По този начин, няма загуба или печалба на орнитин, цитрулин, аргининосукцинат или [[аргинин]]. Някои реакции на уреен синтез на протичат в матрикса на митохондриите, и другите реакции в цитозолът.
=== Карбамоил фосфат синтетаза I инициира урейният биосинтез ===
Кондензация на CO<sub>2</sub>, амоняк и АТФ до образуване на карбамоилфосфат се катализира от митохондриална [[карбамоилфосфатна синтетаза I]] (ЕС 6.3.4.16). Цитозолна форма на този ензим, [[карбамоилфосфат синтетаза II]], използва [[глутамин]], а не амоняк като донор на азот и функционира в биосинтезът на [[Пиримидин|пиримидини]]. Съгласуваните действия на глутаматдехидрогеназата и карбамоилфосфатна синтетаза I по този начин прехвърлят амино азотът на карбамоил фосфат, съединение с висок групов трансфериращ потенциал.
Карбамоилфосфат синтетаза I, '''скорост лимитиращият ензим''' на урейният цикъл, е активен само в присъствието на N-ацетилглутамат, алостечен активатор, повишавщ афинитета на синтетазата към АТФ. Синтезът на 1 мол карбамоил фосфат изисква 2 mol АТФ. Един АТФ служи като фосфатен донор за образуване на смесена киселинно анхидридна връзка на карбамоил фосфат. Вторият ATP осигурява движещата сила за синтез на амидната връзка на карбамоилфосфата. Останалите продукти са 2 mol АДф и 1 mol Фн (реакция 1). Реакцията продължава поетапно. Реакцията на бикарбонат с АТФ образува карбонил фосфат и АДФ. След това амонякът измества АДФ, образувайки карбамат и ортофосфат. Фосфорилиране на карбамат от втория АТФ след това образува карбамоил фосфат.
=== Карбамоил фосфат плюс Орнитин образуват Цитрулин ===
[[L-орнитин транскарбамоилазата]] (EC 2.1.3.3) катализира прехвърлянето на карбамоилова група от карбамоил фосфат до [[орнитин]], образувайки [[цитрулин]] и ортофосфат (реакция 2). Докато реакцията протича в митохондриалният матрикс, както образуването на орнитин, така и последващият метаболизъм на цитрулин се осъществяват в цитозола. Навлизането на орнитин в митохондриите и излизането на цитрулин от митохондриите следователно включва митохондриални вътрешни мембранни пермеази (транспортери).
=== Цитрулин плюс Аспартат образуват Аргининосукцинат ===
[[Аргининосукцинат синтетаза]] (EC 6.3.4.5) свързват [[аспартат]] и [[цитрулин]] чрез амино групата на аспартат (реакция 3) и осигурява вторият азот на уреята. Реакцията изисква АТФ и включва междинно образуване на цитрулил-АМФ. Последващо изместване на АМФ от аспартат в последствие образуват аргининосукцинат.
=== Раграждането на Аргининосукцинат образува Аргинин & Фумарат ===
Разграждабето на [[аргининосукцинат]] се катализира от [[аргининосукцинат лиаза]] (ЕО 4.3.2.1). Реакцията протича със задържане и на трите азота в аргининът и освобождаване на аспартатния скелет като [[фумарат]] (реакция 4). Последващо добавяне на вода към фумарат образува [[L-малат]], чието последващо НАД<sup>+</sup> -зависимо окисление образува [[оксалоацетат]]. Тези две реакции са аналогични на реакциите от [[Цикъл на лимонената киселина|Цикъла на лимонената киселина]], но са катализирани от '''цитозолна''' фумараза и малат дехидрогеназа. [[Трансаминирането]] на оксалоацетатът от глутамат аминотрансферазата след това реформира [[аспартат]]. По този начин въглеродният скелет на аспартат-фумарат, действа като преносител на азот от глутамат в предшественик на уреята.
=== Раграждането на Аргинин освобождава Урея и реобразува Орнитин ===
Хидролитично раграждане на [[Гуанидо група|гуанидо групата]] на [[аргинин]], катализирано от черно дробната [[аргиназа]] (EC 3.5.3.1), освобождава урея (реакция 5). Другият продукт, [[орнитин]], повторно навлиза в чернодробните митохондрии и участва в допълнителни кръгове синтез на урея. Орнитинът и лизинът са мощни инхибитори на аргиназа и се конкурират с аргинин. Аргининът служи също като предшественик на мощния мускулен релаксант [[азотен окис]] (NO) в Ca<sup>2+</sup> -зависима реакция, катализирана от [[NO синтетаза]].
== Регулация ==
Карбамоил фосфат синтетаза I е пейсмейкърен ензим от Урейният цикъл. Активността на карбамоилфосфат синтетаза I се определя от N-ацетилглутамат, чието устойчиво състояние е продиктувано от баланса между скоростта на синтез от ацетил-КоА и глутамат и скоростта на хидролиза до ацетат и глутамат, реакции, катализирани от N-ацетилглутамат синтетаза (NAGS) и N-ацетилглутамат деацилаза (хидролаза), съответно.
Основните промени в диетата могат да увеличат концентрациите на отделните ензими на урейният цикъл от 10 до 20 пъти. Например, гладът повишава ензимните нива, вероятно да се справят с увеличената продукция на амоняк, който придружава усиленото гладуване, предизвиканото разграждането на протеин.
== Заболявания ==
Сравнително рeдки, но добре характеризирани и медицински унищожителни метаболитни нарушения, свързани с ензимите на урейният биосинтез илюстрират следните общи принципи на наследствените метаболитни заболявания. 1. Подобни или идентични клинични признаци и симптоми могат да съпътстват различни генетични мутации в ген, който кодира определен ензим или ензими, катализиращи последователни реакции в метаболитен път. 2. Рационалната терапия се основава на разбирането на съответните биохимично ензим катализирани реакции както в здрави, така и в увредени лица. 3. Идентифициране на междинни продукти и на спомагателни продукти, натрупващи се преди метаболитният блок осигурява основата за метаболизъм скрининг тестове, които могат да въвлекат реакцията,която е нарушена. 4. Окончателната диагноза включва количествен анализ на активността на ензим, за който се подозира, че е дефектен. 5. ДНК последователността на гена, който кодира даден мутантен ензим в сравнение с този на дивия тип ген за идентифициране на специфична мутация(и), които причиняват заболяването. 6. Експоненциалното увеличаване на ДНК секвенирането на човешки гени идентифицира дозина мутации в засегнатият ген, които са доброкачествени или са свързани със симптоми с различна тежест на дадено метаболитено заболяване.
Метаболитни заболявания се асоциират с всяка реакция на урейният цикъл
Пет добре документирани заболявания представят дефекти в биосинтезът на ензими от урейният цикъл. Молекулно-генетичният анализ определи точно локуси на мутации, свързани с всеки дефицит, всеки от които проявява значителна генетична и фенотипна вариабилност Нарушенията в цикълът на уреята се характеризират с хиперамонемия, енцефалопатия и респираторна алкалоза. Четири от петте метаболитни заболявания, дефицит на карбамоил фосфат синтетаза I, орнитин карбамоил трансфераза, аргининосукцинатна синтетаза и аргининосукцинат лиаза, водят до натрупване на прекурсори на урея, основно амоняк и глутамин. Амонячната интоксикация е най-тежка, когато метаболитният блок, възниква при реакции 1 или 2, ако цитрулин може да се синтезира, известно количество амоняк вече е отстранен чрез ковалентно свързване с органичен метаболит. Клиничните симптоми, общи за всички нарушения в Урейният цикъл, включват повръщане, избягване на високопротеинови храни, интермитентна атаксия, раздразнителност, летаргия и тежка умствена изостаналост. Най-драматичната клинична картина се наблюдава при новородени бебета, които първоначално изглеждат нормални (здрави), след това проявяват прогресивна летаргия, хипотермия и апнея поради високите плазми нива на амоняк. Клиничните особености и лечение на всичките пет заболявания са подобни. Значително подобрение и минимизиране на мозъчното увреждане може да придружава ниско-белтъчна диета, приемана като чести малки хранения за избягване рязкото повишаване на нивата на амоняк в кръвта. Целта на терапията с определена диета е да се осигури достатъчно протеин, аргинин и енергия за насърчаване растеж и развитие, като едновременно минимизират метаболитните смущения.
Карбамоил фосфат синтетаза I N-ацетилглутаматът е от съществено значение за активността на карбамоилфосфата синтетаза I, ЕС 6.3.4.16 (реакция 1). Дефекти в карбамоил фосфат синтетазата I са отговорни за сравнително рядка (изчислени честота 1: 62 000) метаболитна болест, наречена „хиперамонемия тип 1.“
[[N-ацетилглутамат синтетаза]] N-ацетилглутамат синтетаза, EC 2.3.1.1 (NAGS), катализира образуването от ацетил-КоА и глутамат на [[N-ацетилглутамат|N-ацетилглутамата]], който е от съществено значение за активността на [[карбамоил фосфат синтетаза I]].
Докато клиничните и биохимичните особености на дефицит на NAGS са неразличими от тези, произтичащи от дефект в карбамоил фосфат синтетаза I, дефицитът в NAGS може да отговори на администриран N-ацетилглутамат.
Орнитин Пермеаза Хиперорнитинемия, хиперамонемия и хомоцитрулининурия (HHH) синдромът е резултат от мутация на ORNT1 гена, кодиращ митохондриална мембранна орнитин пермеаза. Невъзможността за импортиране на цитозолен орнитин в митохондриалния матрикс прави цикъла на уреята неоперабилен, с последваща хиперамонемия и хиперорнитинемия, поради съпътстващото натрупване на цитозолен орнитин. В отсъствието на неговият нормален акцептор (орнитин), митохондриален карбамоилфосфат карбамоилаза лизин до хомоцитрулин, което води до хомоцитрулининурия.
Орнитин транскарбомоилаза Х-хромозома свързаният дефицит, наречена „хиперамонемия тип 2“ отразява дефект в орнитин транскарбамоилаза (реакция 2). Майките също проявяват хиперамонемия и отвращение към храни с високо съдържание на протеини. Нивата на глутамин са повишени в кръвта, цереброспиналната течност и урина, вероятно в резултат на засилен глутаминов синтез в отговор на повишени нива на тъканен амоняк.
Аргининосукцинат синтетаза В допълнение към пациенти, с липсваща аргининосукцинат синтетазна активност (реакция 3), се съобщава за 25-кратно повишена Km за цитрулин. В получената цитрулинемия, плазменита и цереброспиналните нивата на цитрулин са повишени, и от 1 до 2 g цитрулин се екскретират дневно.
Аргининосукцинат лиаза Аргининосукцинатна ацидурия, придружена от повишени нива на аргининосукцинат в кръвта, цереброспиналната течност и урината, се свързва с ронлива, туфеста коса (трихорексис нодоза). Известни са типове както с ранното, така и с късното начало. Метаболитният дефект е в аргининосукцинат лиазата(реакция 4). Диагноза чрез измерване на еритроцитната аргининосукцинат лиазна активност може да се извършено върху кръв от пъпната връв или клетки от околоплодна течност.
Аргиназа Хипераргинемията е автозомно-рецесивен дефект в гена за аргиназа (реакция 5). За разлика от други нарушения в Урейниятцикъл, първите симптомите на хипераргининемия обикновено не се появяват до 2 до 4-годишна възраст. Нивата на аргинин в кръвта и цереброспиналната течност са повишени. Профилът на аминокиселините в урината, наподобяващ този на лизин-цистинурия могат да отразяват конкуренцията на аргинин с лизин и цистеин за реабсорбция в бъбречния канал.
Анализът на кръвта на новородени чрез тандемн мас-спектрометрията може да детектира метаболитни заболявания Метаболитни заболявания, причинени от отсъствието или функционалното увреждане на метаболитните ензими могат да бъдат пагубни. Ранна диетична интервенция, въпреки това, в много случаи може да подобри иначе неизбежните ужасяващи ефекти. Следователно ранното откриване на такива метаболитни заболявания е от първостепенно значение. От началото на скрининга на новородени в Съединените щати програми през 60-те години на миналия век, всички щати сега провеждат метаболитен скрининг на новородени бебета. Мощната и чувствителна техника на тандемната мас спектрометрия (MS)може за няколко минути да детектира над 40 аналитични значения при откриване на метаболитни нарушения. Повечето щати използват тандемна MS за скрининг на новородени, да детектират метаболитни нарушения, като органични ацидемии, аминоацидемии, нарушения в мастно киселинното окисление , и дефекти в ензимите на Урейният цикъл. Статия в Clinical Chemistry 2006 39: 315 разглежда теорията за тандемна MS, нейното приложение за откриване на метаболитни нарушения и ситуации, които могат да доведат до фалшиво позитивни и включват дълги таблици с откриваеми аналити и съответните метаболитни заболявания.
Могат ли метаболитните разстройства да бъдат отстранени от ген или модификация на протеини Въпреки резултатите в животински модели, използващи аденовирусен вектор за лечение цитрулинемия, понастоящем генната терапия не осигурява ефективно решение за човешки субекти. Въпреки това, директната CRISPR / Cas9 базирана модификация на дефектен ензим може да възстанови функционалната ензимна активност на култивираните човешки плурипотентни стволови клетки.<ref>{{Цитат книга|last=Rodwell VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil PA.|first=|title=Harpers’ Illustrated Biochemistry, 31 st Edition|year=|month=|publisher=|location=|isbn=|pages=}}</ref>
<br />
== Източници ==
{{clear}}
{{clear}}
Версия от 17:45, 9 май 2020
За информацията в тази статия или раздел не са посочени източници. Въпросната информация може да е непълна, неточна или изцяло невярна. Имайте предвид, че това може да стане причина за изтриването на цялата статия или раздел.
Орнитиновият цикъл (или още цикъл на уреята, Уреен цикъл) е цикъл от биохимични реакции, срещащ се при много животни, произвеждащи уреа ((NH2)2CO) като краен продукт от азотния метаболизъм. Това е и първият открит метаболитен цикъл (Ханс Кребс и Курт Хенслайт, 1932 г.), пет години преди откриването на цикъла на Кребс. При бозайниците, орнитиновият цикъл се осъществява най-вече в черния дроб и в по-малка степен в бъбреците.
Функция
При организмите, които не могат бързо и ефективно да отстраняват образувания амоняк, се налага да го преобразуват в някакво друго съединение, като уреа или пикочна киселина, които са много по-слабо токсични. Нарушаването на орнитиновия цикъл се наблюдава при някои генетични аберации (вродени аномалии на метаболизма) и чернодробна недостатъчност. Резултат от чернодробната недостатъчност е акумулирането на азотни продукти, основно амоняк, което води до чернодробна кома.
Реакции
Орнитиновият цикъл се състои от пет реакции: две протичащи в митохондриите и три в цитозола. Сумарно цикълът конвертира две аминогрупи, една от NH4+ и една от аспарагинова киселина, и въглерод от HCO3− до относително слабо токсичния краен продукт уреа. Цикълът е ендергоничен и се извършва за сметка на четири мактоергични фосфатни връзки (3 АТФ се хидролизират до 2 АДФ и един АМФ). Орнитинит е преносител на три въглеродни и азотни атома.
Уреен цикъл - биосинтезът на уреята протича на четири етапа: (1) трансаминиране, (2) окислително дезаминиране на глутамат, (3) транспорт на амоняк и (4) реакции на урейният цикъл. Експресията в черния дроб на РНКи за всички ензими от урейният цикъл се увеличават многократно при гладуване, вероятно вторично на повишеното протеиново разграждане за осигуряване на енергия.
1. Трансаминиране
Трансаминирането прехвърля α-амино азот от амино киселини на α-Кетоглутарат (ЦТК), свързан с образуването глутамат.
Прехвърлянето на амино азот към α-кетоглутарат образува L-глутамат. Чернодробната L-глутамат дехидрогеназа (ГДХ), която може да използва НАД+, или НАДФ+, освобождава този азот като амоняк. Преобразуването на α-амино азот до амоняк чрез съгласуваното действие на глутамат аминотрансферазата и GDH се нарича често „трансдеминиране“. Черно дробната ГДХ активност се инхибира алостерично от АТФ, ГТФ и НАДH и се активира от АДФ. Реакцията на ГДХ е свободно обратима, и също така функционира в биосинтезът на аминокиселини.
Аминокиселинните оксидази премахват азота като амоняк:
L-амино киселината оксидаза на черния дроб и бъбреците превръщат аминокиселината в α-имино киселина, която се разлага до α-кетокиселина с отделяне на амониев йон. Редуцираният флавин се реокислява от молекулярен кислород, образувайки водороден пероксид (H2O2), който след това се разгражда на O2 и H2O чрез каталаза, ЕС 1.11.1.6.
Интоксикацията с амоняк е опасна за живота
Амонякът, произведен от ентерични бактерии и абсорбирани в порталното венозно кръвообръщение и амонякът, произведен от тъканите, се отстраняват бързо от циркулация от черния дроб и се превръща в урея. По този начин, обикновено, само следи (10-20 µg/dL) присъстват в периферната кръв. Това е от съществено значение, поради това че амонякът е токсичен за централната нервна система. Ако порталната кръв трябва да заобиколи черния дроб, амонякът в системното кръвообръщение може да достигне токсични нива. Това възниква при сериозно нарушена чернодробна функция или развитието на колатерални връзки между порталните и системните вени при цироза. Симптомите на амониева интоксикация включват тремор, неясна реч, замъглено зрение, кома и в крайна сметка смърт. Амонякът може да бъде токсичен за мозъкът отчасти, защото реагира с α-кетоглутарат, за да образува глутамат. Резултиращато деплетиране на α-кетоглутарат, след това нарушава функцията на на трикарбоксилатният цикъл (ЦТК) в невроните. Хиперамонемията, която се наблюдава при напреднали чернодробни заболявания, води до загуба на съзнание, кома и гърчове в резултат на нарушена активност на цикъла на лимонената киселина, водещо до намалено образуване на АТФ. Амоняк изчерпва и междинните съединения на цикъла на лимонената киселина (чрез изтегляне на α-кетоглутарат за образуване на глутамат и глутамин) и също така инхибира окислително декарбоксилиране на α-кетоглутарат.
Глутамин синтетазата фиксира амонякът като глутамин
Образуването на глутамин се катализира от митохондриална глутамин синтетаза. Поради това че синтезът на амидна връзка е свързан с хидролизата на АТФ до АДФ и Фн, реакцията силно облагоприятства синтезът на глутамин. По време на катализата, глутаматът атакува γ-фосфорилната група на АТФ, образувайки γ-глутамилфосфат и АДФ. След депротониране на NH4+, NH3 атакува у-глутамилфосфат, а глутаминът и Фн се освобождават. В допълнение към осигуряването на глутамин, играещ ролята на преносител на азот, въглерод и енергия между органите, глутамин синтетазата играе основна роля както при детоксикацията на амоняка, така и в киселинно-основната хомеостаза. Рядък дефицит в глутамин синтетазата при новородени води до тежко увреждане на мозъка, мултиорганна недостатъчност и смърт.
Съществуват две човешки изоформи на митохондриалната глутаминаза, наречена чернодробен и бъбречен тип глутаминаза. Продукти от различни гени глутаминазите се различават по отношение на тяхната структура, кинетика и регулация. Чернодробните глутаминазни нива се повишават в отговор на високия прием на протеини, докато бъбречната тип глутаминаза се увеличава при метаболитна ацидоза. Хидролитичното освобождаване на амидния азот на глутамин като амоняк, катализирано от глутаминоза, силно облагоприятства образуването на глутамат. Една аналогична реакция се катализира от L-аспарагиназа (ЕС 3.5.1.1). Съгласуваното действие на глутамин синтетазата и глутаминазата катализират превръщането на свободния амониев йон и глутамин.
Образуването и секрецията на амоняк поддържат киселинно –основният баланс
Екскрецията на амоняк в урината, продуциран от бъбречните тубуларни клетки улеснява запазването на катийонни и регулирането на киселинно-алкалния баланс. Амонячната продукция от вътреклетъчни бъбречни аминокиселини, особенно от глутамин, се увеличава при метаболитна ацидоза и намалява при метаболитната алкалоза.
Уреята е основният краен продукт на азотният катаболизъм при хора
Синтезът на 1 мол урея изисква 3 mol АТФ, по 1 mol всеки от амониев йон и аспартат и използва пет ензима. От шестте участващи аминокиселини, N-ацетилглутамат функционира единствено като ензимен активатор. Останалите служат като преносители на атоми, които в крайна сметка се превръщат в урея. Основната метаболитна роля на орнитин, цитрулин и аргининосукцинат при бозайници е синтезът на урея. Синтезът на урея е цикличен процес. Докато амониев йон, CO2, АТФ и аспартат се консумират, консумираният в реакция 2 орнитин се регенерира в реакция 5. По този начин, няма загуба или печалба на орнитин, цитрулин, аргининосукцинат или аргинин. Някои реакции на уреен синтез на протичат в матрикса на митохондриите, и другите реакции в цитозолът.
Карбамоил фосфат синтетаза I инициира урейният биосинтез
Кондензация на CO2, амоняк и АТФ до образуване на карбамоилфосфат се катализира от митохондриална карбамоилфосфатна синтетаза I (ЕС 6.3.4.16). Цитозолна форма на този ензим, карбамоилфосфат синтетаза II, използва глутамин, а не амоняк като донор на азот и функционира в биосинтезът на пиримидини. Съгласуваните действия на глутаматдехидрогеназата и карбамоилфосфатна синтетаза I по този начин прехвърлят амино азотът на карбамоил фосфат, съединение с висок групов трансфериращ потенциал.
Карбамоилфосфат синтетаза I, скорост лимитиращият ензим на урейният цикъл, е активен само в присъствието на N-ацетилглутамат, алостечен активатор, повишавщ афинитета на синтетазата към АТФ. Синтезът на 1 мол карбамоил фосфат изисква 2 mol АТФ. Един АТФ служи като фосфатен донор за образуване на смесена киселинно анхидридна връзка на карбамоил фосфат. Вторият ATP осигурява движещата сила за синтез на амидната връзка на карбамоилфосфата. Останалите продукти са 2 mol АДф и 1 mol Фн (реакция 1). Реакцията продължава поетапно. Реакцията на бикарбонат с АТФ образува карбонил фосфат и АДФ. След това амонякът измества АДФ, образувайки карбамат и ортофосфат. Фосфорилиране на карбамат от втория АТФ след това образува карбамоил фосфат.
Карбамоил фосфат плюс Орнитин образуват Цитрулин
L-орнитин транскарбамоилазата (EC 2.1.3.3) катализира прехвърлянето на карбамоилова група от карбамоил фосфат до орнитин, образувайки цитрулин и ортофосфат (реакция 2). Докато реакцията протича в митохондриалният матрикс, както образуването на орнитин, така и последващият метаболизъм на цитрулин се осъществяват в цитозола. Навлизането на орнитин в митохондриите и излизането на цитрулин от митохондриите следователно включва митохондриални вътрешни мембранни пермеази (транспортери).
Цитрулин плюс Аспартат образуват Аргининосукцинат
Аргининосукцинат синтетаза (EC 6.3.4.5) свързват аспартат и цитрулин чрез амино групата на аспартат (реакция 3) и осигурява вторият азот на уреята. Реакцията изисква АТФ и включва междинно образуване на цитрулил-АМФ. Последващо изместване на АМФ от аспартат в последствие образуват аргининосукцинат.
Раграждането на Аргининосукцинат образува Аргинин & Фумарат
Разграждабето на аргининосукцинат се катализира от аргининосукцинат лиаза (ЕО 4.3.2.1). Реакцията протича със задържане и на трите азота в аргининът и освобождаване на аспартатния скелет като фумарат (реакция 4). Последващо добавяне на вода към фумарат образува L-малат, чието последващо НАД+ -зависимо окисление образува оксалоацетат. Тези две реакции са аналогични на реакциите от Цикъла на лимонената киселина, но са катализирани от цитозолна фумараза и малат дехидрогеназа. Трансаминирането на оксалоацетатът от глутамат аминотрансферазата след това реформира аспартат. По този начин въглеродният скелет на аспартат-фумарат, действа като преносител на азот от глутамат в предшественик на уреята.
Раграждането на Аргинин освобождава Урея и реобразува Орнитин
Хидролитично раграждане на гуанидо групата на аргинин, катализирано от черно дробната аргиназа (EC 3.5.3.1), освобождава урея (реакция 5). Другият продукт, орнитин, повторно навлиза в чернодробните митохондрии и участва в допълнителни кръгове синтез на урея. Орнитинът и лизинът са мощни инхибитори на аргиназа и се конкурират с аргинин. Аргининът служи също като предшественик на мощния мускулен релаксант азотен окис (NO) в Ca2+ -зависима реакция, катализирана от NO синтетаза.
Регулация
Карбамоил фосфат синтетаза I е пейсмейкърен ензим от Урейният цикъл. Активността на карбамоилфосфат синтетаза I се определя от N-ацетилглутамат, чието устойчиво състояние е продиктувано от баланса между скоростта на синтез от ацетил-КоА и глутамат и скоростта на хидролиза до ацетат и глутамат, реакции, катализирани от N-ацетилглутамат синтетаза (NAGS) и N-ацетилглутамат деацилаза (хидролаза), съответно.
Основните промени в диетата могат да увеличат концентрациите на отделните ензими на урейният цикъл от 10 до 20 пъти. Например, гладът повишава ензимните нива, вероятно да се справят с увеличената продукция на амоняк, който придружава усиленото гладуване, предизвиканото разграждането на протеин.
Заболявания
Сравнително рeдки, но добре характеризирани и медицински унищожителни метаболитни нарушения, свързани с ензимите на урейният биосинтез илюстрират следните общи принципи на наследствените метаболитни заболявания. 1. Подобни или идентични клинични признаци и симптоми могат да съпътстват различни генетични мутации в ген, който кодира определен ензим или ензими, катализиращи последователни реакции в метаболитен път. 2. Рационалната терапия се основава на разбирането на съответните биохимично ензим катализирани реакции както в здрави, така и в увредени лица. 3. Идентифициране на междинни продукти и на спомагателни продукти, натрупващи се преди метаболитният блок осигурява основата за метаболизъм скрининг тестове, които могат да въвлекат реакцията,която е нарушена. 4. Окончателната диагноза включва количествен анализ на активността на ензим, за който се подозира, че е дефектен. 5. ДНК последователността на гена, който кодира даден мутантен ензим в сравнение с този на дивия тип ген за идентифициране на специфична мутация(и), които причиняват заболяването. 6. Експоненциалното увеличаване на ДНК секвенирането на човешки гени идентифицира дозина мутации в засегнатият ген, които са доброкачествени или са свързани със симптоми с различна тежест на дадено метаболитено заболяване.
Метаболитни заболявания се асоциират с всяка реакция на урейният цикъл
Пет добре документирани заболявания представят дефекти в биосинтезът на ензими от урейният цикъл. Молекулно-генетичният анализ определи точно локуси на мутации, свързани с всеки дефицит, всеки от които проявява значителна генетична и фенотипна вариабилност Нарушенията в цикълът на уреята се характеризират с хиперамонемия, енцефалопатия и респираторна алкалоза. Четири от петте метаболитни заболявания, дефицит на карбамоил фосфат синтетаза I, орнитин карбамоил трансфераза, аргининосукцинатна синтетаза и аргининосукцинат лиаза, водят до натрупване на прекурсори на урея, основно амоняк и глутамин. Амонячната интоксикация е най-тежка, когато метаболитният блок, възниква при реакции 1 или 2, ако цитрулин може да се синтезира, известно количество амоняк вече е отстранен чрез ковалентно свързване с органичен метаболит. Клиничните симптоми, общи за всички нарушения в Урейният цикъл, включват повръщане, избягване на високопротеинови храни, интермитентна атаксия, раздразнителност, летаргия и тежка умствена изостаналост. Най-драматичната клинична картина се наблюдава при новородени бебета, които първоначално изглеждат нормални (здрави), след това проявяват прогресивна летаргия, хипотермия и апнея поради високите плазми нива на амоняк. Клиничните особености и лечение на всичките пет заболявания са подобни. Значително подобрение и минимизиране на мозъчното увреждане може да придружава ниско-белтъчна диета, приемана като чести малки хранения за избягване рязкото повишаване на нивата на амоняк в кръвта. Целта на терапията с определена диета е да се осигури достатъчно протеин, аргинин и енергия за насърчаване растеж и развитие, като едновременно минимизират метаболитните смущения.
Карбамоил фосфат синтетаза I N-ацетилглутаматът е от съществено значение за активността на карбамоилфосфата синтетаза I, ЕС 6.3.4.16 (реакция 1). Дефекти в карбамоил фосфат синтетазата I са отговорни за сравнително рядка (изчислени честота 1: 62 000) метаболитна болест, наречена „хиперамонемия тип 1.“
Докато клиничните и биохимичните особености на дефицит на NAGS са неразличими от тези, произтичащи от дефект в карбамоил фосфат синтетаза I, дефицитът в NAGS може да отговори на администриран N-ацетилглутамат.
Орнитин Пермеаза Хиперорнитинемия, хиперамонемия и хомоцитрулининурия (HHH) синдромът е резултат от мутация на ORNT1 гена, кодиращ митохондриална мембранна орнитин пермеаза. Невъзможността за импортиране на цитозолен орнитин в митохондриалния матрикс прави цикъла на уреята неоперабилен, с последваща хиперамонемия и хиперорнитинемия, поради съпътстващото натрупване на цитозолен орнитин. В отсъствието на неговият нормален акцептор (орнитин), митохондриален карбамоилфосфат карбамоилаза лизин до хомоцитрулин, което води до хомоцитрулининурия.
Орнитин транскарбомоилаза Х-хромозома свързаният дефицит, наречена „хиперамонемия тип 2“ отразява дефект в орнитин транскарбамоилаза (реакция 2). Майките също проявяват хиперамонемия и отвращение към храни с високо съдържание на протеини. Нивата на глутамин са повишени в кръвта, цереброспиналната течност и урина, вероятно в резултат на засилен глутаминов синтез в отговор на повишени нива на тъканен амоняк.
Аргининосукцинат синтетаза В допълнение към пациенти, с липсваща аргининосукцинат синтетазна активност (реакция 3), се съобщава за 25-кратно повишена Km за цитрулин. В получената цитрулинемия, плазменита и цереброспиналните нивата на цитрулин са повишени, и от 1 до 2 g цитрулин се екскретират дневно.
Аргининосукцинат лиаза Аргининосукцинатна ацидурия, придружена от повишени нива на аргининосукцинат в кръвта, цереброспиналната течност и урината, се свързва с ронлива, туфеста коса (трихорексис нодоза). Известни са типове както с ранното, така и с късното начало. Метаболитният дефект е в аргининосукцинат лиазата(реакция 4). Диагноза чрез измерване на еритроцитната аргининосукцинат лиазна активност може да се извършено върху кръв от пъпната връв или клетки от околоплодна течност.
Аргиназа Хипераргинемията е автозомно-рецесивен дефект в гена за аргиназа (реакция 5). За разлика от други нарушения в Урейниятцикъл, първите симптомите на хипераргининемия обикновено не се появяват до 2 до 4-годишна възраст. Нивата на аргинин в кръвта и цереброспиналната течност са повишени. Профилът на аминокиселините в урината, наподобяващ този на лизин-цистинурия могат да отразяват конкуренцията на аргинин с лизин и цистеин за реабсорбция в бъбречния канал.
Анализът на кръвта на новородени чрез тандемн мас-спектрометрията може да детектира метаболитни заболявания Метаболитни заболявания, причинени от отсъствието или функционалното увреждане на метаболитните ензими могат да бъдат пагубни. Ранна диетична интервенция, въпреки това, в много случаи може да подобри иначе неизбежните ужасяващи ефекти. Следователно ранното откриване на такива метаболитни заболявания е от първостепенно значение. От началото на скрининга на новородени в Съединените щати програми през 60-те години на миналия век, всички щати сега провеждат метаболитен скрининг на новородени бебета. Мощната и чувствителна техника на тандемната мас спектрометрия (MS)може за няколко минути да детектира над 40 аналитични значения при откриване на метаболитни нарушения. Повечето щати използват тандемна MS за скрининг на новородени, да детектират метаболитни нарушения, като органични ацидемии, аминоацидемии, нарушения в мастно киселинното окисление , и дефекти в ензимите на Урейният цикъл. Статия в Clinical Chemistry 2006 39: 315 разглежда теорията за тандемна MS, нейното приложение за откриване на метаболитни нарушения и ситуации, които могат да доведат до фалшиво позитивни и включват дълги таблици с откриваеми аналити и съответните метаболитни заболявания.
Могат ли метаболитните разстройства да бъдат отстранени от ген или модификация на протеини Въпреки резултатите в животински модели, използващи аденовирусен вектор за лечение цитрулинемия, понастоящем генната терапия не осигурява ефективно решение за човешки субекти. Въпреки това, директната CRISPR / Cas9 базирана модификация на дефектен ензим може да възстанови функционалната ензимна активност на култивираните човешки плурипотентни стволови клетки.[1]
Източници
↑Rodwell VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil PA. Harpers’ Illustrated Biochemistry, 31 st Edition.
