Цикл мочевины, орнитиновый цикл или цикл Кребса-Гензеляйта — метаболический путь превращения токсичного аммиака, образующегося в процессе обмена аминокислот, в мочевину. Мочевина является конечным продуктом азотистого метаболизма в большинстве наземных животных, которые объединяются названием уреателични организмы (в противоположность амонотеличним, выделяющих аммиак, и урикотеличним, выделяющих мочевую кислоту). Цикл мочевины происходит почти исключительно в печени, откуда его конечный продукт — мочевина — транспортируется кровью в почки, где происходит ее экскреция с мочой. Организм человека выделяет около 10 кг мочевины в год.

Цикл мочевины был открыт 1932 Гансом Кребсом и Куртом Гензеляйтом (нем. Kurt Henseleit) и стал первым известным циклическим метаболическим путем. Позже индивидуальные реакции описали Сара Ратнер и Филипп Коэн. Цикл мочевины состоит из пяти реакций, две из которых протекает в матриксе митохондрий, а три — в цитозоле. Суммарное уравнение метаболического пути:

NH 3 + HCO-3 + Аспартат + 3 АТФ → Мочевина + Фумарат + 2 АДФ + 2 Ф н + АМФ + ФФ н.

Из двух атомов азота, входящих в состав мочевины, один происходит из аммиака, а другой — с аспартата. Атом углерода — с бикарбоната.

Реакции цикла мочевины

Цикл мочевины начинается в матриксе митохондрий печени. Вследствие окислительного деаминирование аминокислот (в основном L-глутамата) и расщепление глутамина до глутамата здесь образуется аммиак, часть ионов NH + 4 также поступают в печень воротной веной от кишечника, где они являются продуктом окисления аминокислот бактериями. Не в зависимости от происхождения аммиак в митохондриях сразу же используется для синтеза карбамоилфосфату вместе с углекислым газом в форме HCO-3, который вследствие дыхания. Реакция катализируется регуляторным ферментом карбамоилфосфатсинтетазою I, протекает в три стадии:

  1. Активация бикарбоната АТФ, в результате чего образуется карбоксифосфат и АДФ;
  2. Нуклеофильного атака NH 3 в карбоксифосфат, в котором он заменяет фосфатную группу, продуктами являются карбамат и фосфатный кислота
  3. Фосфорилирования карбамата второй молекулой АТФ с образованием карбамоилфосфату и АДФ.

Поскольку в реакции используются две молекулы АТФ она является необратимой и выступает лимитирующей стадией цикла мочевины. Для осуществления катализа карбамоилфосфатсинтетаза I млекопитающих требует наличия N-ацетилглутамату.

Карбамоилфосфат выступает активированным донором карбамоильнои группы, переносится на орнитин с образованием цитруллина ферментом орнитинтранскарбамоилазою. После этого цитруллин транспортируется в цитозоль. Здесь он вступает в реакцию конденсации с аспартатом (образующегося в митохондриях в процессе переаминирования и переносится в цитозоль), продуктом которой является аргининосукцинат. Катализирует взаимодействие между аминогруппой аспартата и карбонильной группой цитруллина аргининосукцинатсинтетаза (АСС). Энергией эту реакцию обеспечивает сопряженный гидролиз АТФ в АМФ и пирофосфту, который позже также подлежит расщеплению.

Аргининосукцинат расщепляется аргинносукциназою к свободному аргинина и фумарата. Последний транспотруеться к митохондрий, где пополняет пул метаболитов цикла Кребса, или используется для глюконеогенеза. В последний реакции цикла мочевины на аргинин действует фермент аргиназа, расщепляющий его к мочевины и орнитина. Орнитин переносится в матрикс митохондрий и вступает в следующий оборот цикла мочевины.

Митохондриальные и цитоплазматические ферменты цикла мочевины образуют кластеры, в которых продукт одной реакции непосредственно передается активном центра фермента, который катализирует следующую. Таким образом, как цитруллин, так и аргининосукцинат, аргинин и орнитин подлежат каналирования и не растворяется в цитозоле. В общий пул метаболитов высвобождается только мочевина.

Связь с другими метаболическими путями

Цикл мочевины связан с циклом трикарбоновых кислот общим метаболит — фумаратом. Поэтому эти метаболические пути иногда объединяют под названием бицикло Кребса (англ. Krebs bicycle — буквально велосипед Кребса). Однако каждый цикл может протекать отдельно от другого, а взаимодействие между ними зависит от транспорта промежуточных продуктов между митохондриями и цитозолем. Несколько ферментов ЦТК, такие как фумаразы и малатдегидрогеназа, присутствуют также и в цитозоле, поэтому фумарат, образованный в цикле мочевины может превращаться в малата. Далее малат или окснюеться к оксалоацетата, который вступает в глюконеогенез, или транспортируется в митохондрии и вступает в ЦТК.

Аспартат, что образуется в митохондриях в реакции переаминирования между оксалоацетат и глутаматом, может переноситься в цитозоль, где он выступает донором азота в реакции синтеза аргининосукцинату. Эти реакции объединяют под названием аспартат-аргининосукцинатний шунт, что обеспечивает связь между отдельными метаболическими путями, по которым превращаются аминогруппы и карбоновые скелеты аминокислот.

Всего для протекания цикла мочевины необходим эквивалент четырех молекул АТФ. Однако на этом пути также происходит преобразование оксалоацетата к фумарата через аспартат, позже оксалоацетат регенерируется, что сопровождается восстановлением одной молекулы НАД +. Каждая молекула НАДH может давать 2,5 АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Таким образом общая энергетическая цена цикла мочевины снижается. Остальные энергии поставляется окислением ацетил-КоА, образованным с карбоновых скелетов аминокислот.

Регулирования активности цикла мочевины

Активность протекания цикла мочевины контролируется на двух уровнях: кратковременное приспособление к изменяющимся потребностям организма происходит благодаря аллостерический регуляции, а длительное — путем изменения экспрессии генов, кодирующих ферменты этого метаболического пути.

Первый фермент цикла мочевины — карбамоилфосфатсинтетаза I — есть аллостерическим ферментом и активируется под воздействием N-ацетилглутамату. Последний синтезируется N-ацетилглутаматсинтазою с ацетил-КоА и глутамата. В микроорганизмов и растений из этой реакции начинается путь de novo синтеза аргинина с глутамата, однако у млекопитающих не хватает других ферментов этого пути, из-за чего активность N-ацетилглутаматсинтазы имеет исключительно регуляторную роль. Концентрация N-ацетилглутамату зависит от уровня ацетил-КоА и глутамата, а также аргинина, активирующий N-ацетилглутаматсинтазу. Глутамат имеет особое значение для ускорения протекания цикла мочевины, поскольку его концентрация повышается в условиях интенсивного катаболизма аминокислот, при которых он образуется в реакциях переаминирования. Другие ферменты цикла мочевины регулируются концентрациями собственных субстратов.

Уровень экспрессии генов всех пяти ферментов цикла мочевины существенно возрастает в гепатоцитах, в условиях, когда расщепление аминокислот в организме происходит с высокой скоростью. Например, при употреблении богатой белками диеты или во время голодания, когда запасы углеводов и липидов уже не могут обеспечивать энергетические потребности организма. У животных, питаются в достаточном количестве пищей богатую небелковые энергетические субстраты, уровень ферментов цикла мочевины в печени снижен.

Наследственные дефекты ферментов цикла мочевины

Наследственные дефекты в гене любого из ферментов цикла мочевины влечет повышенную концентрацию аммония в крови (гипераммониемия), также в организме может накапливаться один из промежуточных метаболитов этого пути, в зависимости от того, какой именно фермент поврежден. Некоторые из этих заболеваний проявляются на первый-второй день после рождения в форме летаргии и периодического рвота. Без лечения впоследствии может наступить кома и необратимые повреждения головного мозга.

Пациенты с дефектами ферментов цикла мочевины не могут переносить диеты богатой белками, однако безбелковая диета не является опцией, поскольку организм требует источника незаменимых аминокислот. Лечение зависит от того, какой именно элемент пути поврежден. Например негативные эффекты недостатка аргининосукциназы можно преодолеть употреблением большого количества аргинина в сочетании с диетой с небольшим количеством белков. В печени аргинин расщепляется до мочевины и орнитина, последний присоединяет карбамоилфосфат, превращаясь в цитруллин. А тот в свою очередь подлежит конденсации с аспартатом, продукт этой реакции — аргининосукцинат выводится из организма. Итак при таких условиях формой выделения азота из организма являются в первую очередь аргининосукцинат.

Другой подход используется при лечении недостатка карбамоилфосфатсинтазы и орнитинтранскарбамоилазы. Во время этих нарушений избыточный азот накапливается в виде глицина и глутамата. Избавиться от него помогает бедная белками диета с высоким содержанием бензоата и фенилацетат (или фенилбутирату). Бензоат активируется в бензоил-КоА, после чего взаимодействует с глицином с образованием гипурату. Похожим преобразованием подлежит фенилацетат, который сначала активируется в фенилацетил-КоА, а спустя соединяется с глутамином формируя фенилацетилглутамин. Оба конъюгаты (гипурат и фенилацетилглутамин) выводятся из организма с мочой, и служат заменителями мочевины как формы вывода избытка азота.