Цикл мочевины

Цикл мочевины — это метаболический путь, протекающий главным образом в печени, который превращает токсичный аммиак, образующийся при распаде аминокислот, в мочевину — растворимое и гораздо менее токсичное соединение, выводимое почками. Это был первый описанный циклический метаболический путь, и он остается основным способом утилизации избыточного азота в организме.

Definition

Цикл мочевины — это частично митохондриальная, частично цитозольная серия реакций, которая объединяет аммиак и азот, полученный из аспартата, с диоксидом углерода для синтеза мочевины, регенерируя переносчик орнитин с каждым оборотом.

Scope

Эта статья охватывает пять основных ферментативных стадий цикла, его распределение между митохондриями и цитозолем, два источника азота, которые он включает, и механизмы его регуляции. Судьба аминогрупп до их вступления в цикл рассматривается в статье о катаболизме, а более широкие аспекты метаболизма аммиака — в статье об азоте.

Core questions

• Откуда берутся два атома азота в мочевине?
• Какие этапы происходят в митохондриях, а какие — в цитозоле?
• Как поток через цикл согласуется с азотной нагрузкой?

Key concepts

• Карбамоилфосфатсинтетаза I
• Орнитин-транскарбамилаза
• Аргининосукцинатсинтетаза и лиаза
• Аргиназа и регенерация орнитина
• N-ацетилглутамат как аллостерический активатор
• Митохондриально-цитозольная компартментация

Mechanisms

В митохондриях аммиак и бикарбонат конденсируются в карбамоилфосфат под действием карбамоилфосфатсинтетазы I — фермента, требующего аллостерического активатора N-ацетилглутамата. Затем орнитин-транскарбамилаза присоединяет карбамоилфосфат к орнитину, образуя цитруллин, который экспортируется в цитозоль. Там аргининосукцинатсинтетаза включает второй атом азота из аспартата для образования аргининосукцината, который аргининосукцинатлиаза расщепляет на аргинин и фумарат. Аргиназа, наконец, гидролизует аргинин до мочевины и орнитина, и регенерированный орнитин снова поступает в митохондрии, чтобы начать новый оборот. Таким образом, один атом азота мочевины поступает из свободного аммиака, а другой — из аспартата, в то время как углерод поступает из бикарбоната. Поток регулируется как наличием N-ацетилглутамата, который отражает общую азотную нагрузку, так и долгосрочными изменениями в количестве ферментов.

Clinical relevance

Наследственные дефициты ферментов цикла мочевины нарушают утилизацию азота и могут привести к накоплению аммиака, и цикл играет центральную роль в защите организма от токсичности аммиака. Эта статья описывает метаболический путь и методы его изучения; диагностика и лечение нарушений цикла мочевины следуют консенсусным рекомендациям специалистов и не рассматриваются здесь как индивидуальные советы.

Epidemiology

Нарушения цикла мочевины являются редкими врожденными ошибками метаболизма; консенсусные рекомендации обобщают их общую частоту и клиническое распознавание, в то время как подробные оценки содержатся в специализированных клинических источниках.

Evidence & guidelines

Биохимия является общепризнанным знанием из учебников; для клинических нарушений цикла были опубликованы и пересмотрены международные консенсусные рекомендации (Haeberle et al., 2012; 2019), на которые данная статья ссылается только для указания источников клинических стандартов.

History

Ганс Кребс и Курт Хензеляйт описали орнитиновый цикл образования мочевины в 1932 году, что стало первым признанным метаболическим циклом. Последующая работа, в частности Сары Ратнер, охарактеризовала стадии с участием аргининосукцината и завершила ферментативную карту пути.

Key figures

• Hans Krebs
• Kurt Henseleit
• Sarah Ratner

Seminal works

• morris-2002
• haeberle-2019

Frequently asked questions

Почему организм превращает аммиак в мочевину?

Аммиак токсичен, особенно для нервной системы, поэтому превращение его в мочевину, которая растворима и гораздо менее токсична, позволяет безопасно транспортировать избыточный азот в крови и выводить его почками.

Где в клетке происходит цикл мочевины?

Он разделен между двумя компартментами: первые этапы происходят в митохондриальном матриксе клеток печени, а остальные этапы — в цитозоле, при этом промежуточные продукты перемещаются между ними.