Аммиак в качестве конечного продукта азотистого обмена выводят рыбы и многие другие обитатели водной среды. Птицы и наземные рептилии сначала превращают его в мочевую кислоту, которая и подлежит экскреции. И только млекопитающие способны синтезировать мочевину, которая составляет у них основную массу азотсодержащих веществ, удаляемых из организма (у человека - до 80-90% выводимого азота).
Мочевина - довольно простое вещество, представляющее собой диамид угольной кислоты. Само строение молекулы (см. рис. 4-4) наводит на мысль о возможности ее синтеза из углекислоты и аммиака. Это и было подтверждено уже в ранних экспериментальных исследованиях, показавших заодно, что такой процесс протекает в печени (Салазкин С.С., 1897).
Потребовалось, однако, более 30 лет, чтобы выяснить детали биогенеза мочевины. Решающий вклад внесли немецкие исследователи Ганс Кребс и Курт Гензеляйт, которые в 1932 г. сформулировали представления о циклическом характере процесса. В истории биохимии это было первое описание метаболического цикла, и состоялось оно за 5 лет до открытия цикла три- карбоновых кислот, сделанного тоже Г. Кребсом.
Теперь твердо установлено, что первым этапом в биогенезе мочевины является взаимодействие между углекислотой и аммиаком, доставляемым в печень по системе воротной вены или образующимся в ней из глутамина под действием печеночной глутаминазы. Этот этап протекает в митохондриях и требует расходования двух молекул АТФ (рис. 9-13), а потому является необратимым. В результате образуется кар- бамоилфосфат. Отсюда и название митохондриального фермента - аммиак-зависимая карба- мошфосфат-синтетаза.
Второй этап — собственно циклический процесс, состоящий из 4 последовательных стадий.
Сначала под действием орнитин-карбамо- илтрансферазы происходит перенос карбамо- ильной группы на «дальнюю» аминогруппу аминокислоты орнитина (рис. 9-14,1),
Затем образовавшийся цитруллин транспортируется в цитоплазму, где под действием аргининосукцинат-синтетазы вступает в реакцию конденсации с молекулой аспартата (рис. 9-14, 2), превращаясь в аргининоянтарную кислоту (аргининосукцинат). Осуществляется это за счет энергии расщепления АТФ до АМФ и ФФ.
На третьей стадии продукт конденсации — агрининосукцинат — разделяется соответствующей лиазой на фумаровую кислоту и аргинин (рис. 9-14, 3). Протекает эта реакция тоже в цитоплазме (как и последующая).
Наконец, четвертая стадия цикла - гидролитическое отщепление мочевины от аргинина (рис. 9-14, 4). Соответствующий фермент цитоплазмы называют аргиназой. Второй продукт реакции - это орнитнн. Специальный переносчик доставляет его (в обмен на продукт первой стадии - цитруллин) в матрикс митохондрий. Здесь ориитин может взаимодействовать с новой молекулой карбамоилфосфата, открывая следующий оборот цикла (отсюда часто употребляемое название: орнитиновый цикл Креб- са-Гензеляйта).
Таким образом, один из двух атомов азота в составе мочевины происходит из аммиака, недостатка в котором клетки отнюдь не испытывают (даже наоборот - им приходится избавляться от него). А вот для включения второго азота нужна аспарагиновая кислота, ресурсы которой нельзя назвать безграничными.
Очевидно, необходим механизм регенерации аспартата, отдающего свою аминогруппу на синтез мочевины. Такой механизм существует. Он сводится к тому, что фумарат, образующийся на третьей стадии орнитинового цикла, может поступать в митохондрии, где реакциями ЦТК превращаться в малат и далее в щавелевоуксусную кислоту (см. рис. 5-23), которая посредством трансаминирования легко преобразуется в аспартат.
Отсюда следует, что орнитиновый цикл просто обязан работать в сопряжении с еще одним циклическим процессом, который можно назвать циклом регенерации аспарагиновой кислоты. Как показано на рис. 9-15, он включает в себя двухстадийное превращение фумара- та в малат и затем в оксалоацетат (ЩУК), который, вступая в реакции трансаминирования, обеспечивает тем самым эффективную регенерацию аспартата.
Следовательно, второй атом азота мочевины происходит не просто из аспартата, а из любой аминокислоты, способной передавать свою аминогруппу на ЩУК (непосредственно или через систему а-КГ<->глутамат). По существу, аспартат в паре с оксалоацетатом является лишь переносчиком а-аминогрупп с различных аминокислот на цикл синтеза мочевины. Решающее преимущество такого способа транспортировки заключается в том, что он позволяет обходиться без промежуточного появления аммиака, т.е., вдвое снижает нагрузку на системы временного обезвреживания этого токсичного вещества.
Как видно из приведенных уравнений, синтез молекулы мочевины потребляет 4 мак- роэргических связи (две молекулы АТФ превращаются в АДФ на первом этапе и одна молекула АТФ расщепляется до АМФ и ФФ на второй стадии второго этапа). Однако если учесть образование 2,5 молекул АТФ в результате малатдегидрогеназной стадии регенерации аспартата, то итоговые расходы при синтезе молекулы мочевины составляют лишь 1,5 молекулы АТФ, расщепляемые до АДФ и Фн. И обеспечивает эту экономию энергозатрат тоже цикл регенерации аспартата.
Регуляция мочевинообразования призвана обеспечивать постоянное соответствие скорости детоксикации аммиака переменчивому темпу катаболизма всего многообразия
аминокислот. Лимитирующим звеном биогенеза мочевины является фермент начального этапа - аммиак-зависимая карбамоилфосфат-син- тетаза. Аллостерические свойства ее уникальны в том, что она чувствительна не к субстратам или продуктам собственного метаболического пути, как это бывает обычно, а к совсем «постороннему» для нее веществу - N-ацетил- глутамату (рис. 9-16). Этот метаболит не просто является активатором карбамоилфосфат- синтетазы, но и совершенно необходим для проявления активности этого ключевого фермента.
Образование И-ацетил глутамата (из глу- тамата и ацетил-КоА) происходит в митохондриях гепатоцитов. Катализирует эту реакцию Ы~ацетилглутамат-синтетаза, которая тоже находится под метаболическим контролем. В частности, активирующее действие на нее оказывает аргинин. Следовательно, повышение его концентрации в гепатоцитах усиливает наработку Ы-ацетилглутамата, активация которым биогенеза мочевины способствует расщеплению аргинина с освобождением орнитина, необходимого для эффективной работы орни- тинового цикла.
Но есть и еще один регуляторный механизм. В нем участвует печеночная глутаминаза, которая активируется своим непосредственным продуктом - аммиаком. Это очень редкое для ферментов качество. В данном случае положительная обратная связь означает, что малейшая тенденция к повышению уровня свободного аммиака вызывает взрывообразное ускорение глутаминазной реакции. Как полагают, смысл происходящего при этом почти мгновенного расщепления имеющегося глутамина заключается в быстром освобождении глутамата для Ы-ацетилглутамат-синтетазы. Тем самым создаются условия для подъема внутримитохонд- риальной концентрации N -ацетил глутамата, а вызываемая им активация карбамоилфосфат- синтетазы приводит к результирующему эффекту удаления аммиака.
