Močovinový cyklus

Močovinový cyklus, také ornitinový cyklus, je metabolickým cyklem, který pomáhá tělu zbavovat se nadbytečného dusíku. Ten je zakomponován do močoviny a posléze v moči vyloučen ven. Močovinový cyklus slouží k ochraně organismu před toxickými účinky amoniaku (čpavku). Močovina, do které je amoniak zabudováván, je výrazně méně toxická. Močovinový cyklus probíhá hlavně v játrech, přičemž část cyklu se odehrává v mitochondrii a druhá část v cytoplazmě.

Souhrn močovinového cyklu lze zapsat:

HCO₃⁻ + NH₃ + Asp + 3ATP → CO(NH₂)₂ + fumarát + 2ADP +1AMP + 2P_i+ 1PP_i

Vylučování dusíku

Nadbytečný dusík organismy vylučují třemi způsoby^[1] - ve formě:

amoniaku (čpavku) – vodní živočichové – amoniak, který je primárním dusíkatým produktem při odbourávání aminokyselin, je neurotoxický a pro jeho účinné vylučování je zapotřebí velké množství vody a relativně pomalého metabolismu.
močoviny – savci – je minimálně toxická, pro její vylučování je zapotřebí relativně malého objemu vody (v porovnání s amoniakem)
kyseliny močové – plazi, ptáci, hmyz – je ve vodě málo rozpustná, při jejím vylučování dochází k minimálním ztrátám vody. Kyselina močová je i finálním produktem degradace purinových nukleotidů u některých živočichů

vylučované dusíkaté látky
amoniak (čpavek)
močovina (urea)
kyselina močová

Vznik amoniaku pro močovinový cyklus

Aminokyseliny získané ať už z potravy nebo degradací proteinů v buňce jsou buď znovu využity k syntéze proteinů, nebo odbourány za zisku energie. Prvním krokem pro jejich odbourání je deaminace – zbavení aminoskupiny. Aminoskupina je přeměněna v procesu transaminace na oxoskupinu (keto skupinu) a aminokyseliny jsou pak dále odbourávány příslušnými biochemickými dráhami.

Transaminací se nicméně amino skupina ve skutečnosti neodstraňuje, je pouze přenášena. K odstranění amino skupiny z molekuly pak slouží oxidační deaminace L-glutamátu (kyseliny glutamové), při které je aminoskupina oxidována na iminoskupinu, která poté spontánně hydrolyzuje za vzniku amoniaku a hydroxylové skupiny. Enzym, který tuto reakci katalyzuje se nazývá glutamátdehydrogenáza.

Průběh močovinového cyklu

Amoniak vzniklý při oxidační deaminaci je vázán při močovinovém cyklu do močoviny, čímž se zabrání jeho toxickému působení. Fixace amoniaku je zahájena v mitochondriálním matrix. V cytoplazmě se pak ke vznikající močovině přidá dusík z aspartátu (kyseliny asparagové) a dojde k uvolnění močoviny a regeneraci vstupních látek (ornitinu)

Místo amoniaku vzniklého oxidační deaminací glutamátu může sloužit jako zdroj dusíku pro syntézu karbamoylfosfátu také glutamin.

Mitochondrie

Amoniak je v mitochondriálním matrix fixován za spotřeby dvou molekul ATP do sloučeniny karbamoylfosfátu. Karbamoylfosfát pak je konjugován s ornitinem za vzniku citrulinu, který je pak přenesen pomocí specifického přenašeče do cytoplazmy.
Amoniak ve vzniklém karbamoylfosfátu je zdrojem jednoho z dusíků ve vznikající močovině.

Cytoplazma

Citrulin je po přenesení do cytoplazmy konjugován za spotřeby 2 ekvivalentů ATP s aspartátem – zdrojem druhého dusíku ve vznikající močovině – za vzniku argininosukcinátu.
Argininosukcinát je dále štěpen enzymem argininosukcinázou (argininosukcinát lyázou) za vzniku aminokyseliny argininu a fumarátu (který je dále v citrátovém cyklu přeměněn na oxalacetát, který lze transaminací převést zpět na aspartát).
Vzniklý arginin je enzymem arginázou hydrolyticky rozštěpen na močovinu a ornitin. Ornitin je přenesen do mitochodnriální matrix a celý cyklus se uzavře.

Enzymy močovinového cyklu

Seznam enzymů močovinového cyklu
název	zkratka	katalyzovaná reakce	lokalizace v buňce
karbamoylfosfát syntétáza	CPS1	NH₄⁺ + HCO₃⁻+2ATP → karbamoylfosfát + 2ADP+ P_i	mitochondrie
ornitin transkarbamoyláza	OTC	karbamoylfosfát + ornitin → citrulin + P_i	mitochondrie
argininosukcinát syntetáza	ASS	citrulin + aspartát + ATP → argininosukcinát + AMP + PP_i	cytoplazma
argininosukcináza (argininosukcinát lyáza	ASL	argininosukcinát → arginin a fumarát	cytoplazma
argináza	ARG1	arginin → močovina + ornitin	cytoplazma

Regulace močovinového cyklu

Vylučování nadbytečného dusíku musí být velmi přísně kontrolováno, protože i minimální nárůst koncentrace amoniaku je pro tělo velikou zátěží. Klíčovým bodem je aktivita enzymu karbamoylfosfát syntetázy, která je aktivována N-acetylglutamátem. N-acetylglutamát je syntetizován v jaterních mitochondriích z L-glutamátu a Acetyl-CoA. Nárůst koncentrace glutamátu (jako odpověď na zvýšenou degradaci aminokyselin) vede k nárůstu koncentrace N-acetylglutamátu. Tento regulační systém je ještě zesílen působením enzymu glutaminázy, který rozkládá L-glutamin na L-glutamát a amoniak, čímž způsobuje nárůst koncentrace glutamátu. Navíc tento enzym je aktivován svým vlastním produktem - amoniakem (příklad pozitivní zpětné vazby). Koncentrace glutaminu také kopíruje intenzitu rozkladu aminokyselin (glutamin je vedle glutamátu a aspartátu další aminokyselinou, která je schopná vyvazovat amoniak).^[2]

Rozklad močoviny

Působením bakterií (resp. jejich enzymu ureázy), dochází k rozkladu močoviny na amoniak a oxid uhličitý. Uvolněný amoniak pak způsobuje charakteristický dráždivý zápach odstáté moči. Amoniak může být použit rostlinami i bakteriemi na výstavbu aminokyselin, nebo je oxidován bakteriemi na molekulární dusík (N₂) (popř. dusičnany) ^[3].

Odkazy

Reference

↑ Postlethwalt JH,Hopson JL, "Modern Biology" (2006) Hort, Rinehart, Winston, ISBN 0-03-065178-6
↑ John T. Brosnan "Glutamate, at the Interface between Amino Acid and Carbohydrate Metabolism"J Nutr. 2000 Apr;130(4S Suppl):988S-90S.
↑ Prescott LM, Harley JP, Klein DA. "Microbiology", 3rd edition, 1996 Times Mirror Higher Education Group, Inc, ISBN 0-697-29390-4

Literatura

Voet D., Voet JG, Pratt CW, "Fundamentals of biochemistry, life at molecular level" 2nd edition, 2006 John Wiley and Sons (Asia) Pte Ltd, ISBN 0-471-74268-6
Lodish at al, "Molecular cell biology" 5th edition, 2004, W.H. Freeman and Company, ISBN 0-7167-4366-3