Močovinový cyklus

1. Močovinový cyklus Jana Novotná

2. Oxidace aminokyseliny a tvorba močoviny Oxidace Odpad nebo opětovné využití

3. Zdroje amoniaku • Amoniak pochází z katabolismu aminokyselin a ty především z odbourávání proteinů – jak přijatých potravou, tak endogenních: • trávicí enzymy • proteiny pocházející z odloučených buněk povrchu GIT • svalové proteiny • hemoglobin • intracelulární proteiny (poškozené, nepotřebné)

4. Amoniak musí být odstraňován: • Amoniak je toxický, zejména pro CNS, protože reaguje s a-ketoglutarátem, a tak snižuje jeho dostupnost pro citrátový cyklus  kolaps CC a následně i syntézy ATP. • Při poškození jater nebo vrozené metabolické poruše, kdy stoupá koncentrace amoniaku, se může objevit třes, nezřetelná řeč, rozmazané vidění, koma a smrt. • Normální koncentrace amoniaku v krvi: 30-60 µM

5. 2 MOŽNOSTI • Opětovné využití • Močovinový cyklus Fumarát Oxaloacetát Přehled katabolismu aminokyselin u savců

6. Odstranění dusíku z aminokyselin

7. Odstranění dusíku z aminokyselin Krok 1: odstranění aminoskupiny Krok 2: přesun do jater Krok 3: vstup do mitochondrie Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovino- vého cyklu Krok 5: močovinový cyklus

8. Exkreční formy dusíku c) a) b) • přebytek NH4+ se vyloučí jako amoniak (bakterie, vodní obratlovci nebo larvy obojživelníků), • močovina (mnoho suchozemských obratlovců), • nebo kyselina močová (ptáci a suchozemští plazi) NH4+ amonný iont močovina kyselina močová

9. Krok 1. odstranění aminoskupiny • Přenos aminoskupiny aminokyseliny na a-ketokyselinu  původní AK se mění na a-ketokyselinu a naopak:

10. aminokyselina pyridoxalfosfát Schiffova báze • Transaminaci katalyzují transaminasy (aminotransferasy) s koenzymem pyridoxalfosfátem:

11. Krok 2: přesun aminoskupiny do jater Glutamátuvolníaminoskupinu jako amoniakv játrech. Aminoskupinaz mnoha a-amino-kyselinse shromažďuje v játrechve formě aminoskupinyL-glutamá-tu. Glutamát dehydrogenasa Jaterní glutamátdehydrogenasa savcůmá výjimečnou schopnost využívat jako kofaktorujak NAD+tak NADP+.

12. Látky dopravující dusík 1.Glutamát přenáší jednu aminoskupinu UVNITŘbuněk: transaminasy→ naa-ketoglutarát přenášejí aminoskupinu za vzniku glutamátu Glutamátdehydrogenase → opačná reakce 2. Glutamin přenáší dvě aminoskupinyMEZIbuňkami → uvolní je v játrech 3. Alanin přenáší aminoskupinu ze tkání (svalů) do jater

13. Přenos uvnitř buňky Přenos mezi buňkami V játrech

14. Transport aminodusíku při odbourávání svalových bílkovin Glukoso-alaninový cyklus Alanin vyplavený ze svalu a periferních tkání, je použit pro glukoneogenezi v játrech a glukóza je opětovně vychytávána svalem a periferními tkáněmi→pyruvát→ alanin atd. Aminodusík z alaninu je v játrech použit pro syntézu močoviny. (Obdoba cyklu Coriových). Obrázek převzat z učebnice: D. L. Nelson, M. M. Cox :LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Fifth edition

15. Zdroje NH3 pro močovinový cyklus • Oxidační deaminace Glu, nahromaděného transaminacemi a glutaminasovou reakcí; vzniká a-ketoglutarát a amoniak, který v játrech vstupuje do močovinového cyklu. • Glutaminasová reakce – uvolňuje amoniak, který v játrech vstupuje do močovinového cyklu (v ledvinách do moče). • Katabolismus Ser, Thr a His rovněž uvolňuje amoniak: Serin - threonin dehydratasa Serin →→ pyruvát + NH4+ Threonin →→ a-ketobutyrát + NH4+ • Amoniak produkují také střevní bakterie.

16. Shrnutí: • Nositelé dusíku glutamát, glutamin, alanin • 2 enzymymimojaterní, 2 enzymyuvnitřjater: • transaminasa (PLP) → a-ketoglutarát → glutamát • glutamátdehydrogenasa (bez PLP) → glutamát → a-ketoglutarát (v játrech) • glutaminsynthasa → glutamát → glutamin • glutaminasa → glutamin → glutamát (v játrech)

17. Krok 3: vstup dusíku do mitochondrie

18. Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu Regulace

19. Krok 5: močovinový cyklus aspartate Ornithine transcarbamoylase Argininosuccinate synthase Arginase 1 Argininosuccinate lyase

20. Oxaloacetát → aspartát OOA

21. Močovinový cyklus – opakování, sled reakcí • Karbamoylfosfát-jeho tvorba v mitochondriích je nezbytným předpokladem pro močovinový cyklus • (karbamoylfosfátsynthetasa) • Citrulin –tvorba zkarbamoylfosfátu a ornithinu • (ornithintranskarbamoylasa) • Aspartátposkytujedalší dusíkpro tvorbuargininosukci-nátuv cytosolu • (argininosukcinátsynthasa) • Tvotba argininu a fumarátu • (argininosukcinátlyasa) • Hydrolýza argininunamočovinu a ornithin • (arginasa)

22. Bilance močovinového cyklu NH3 + CO2 + 2ATP → karbamoylfosfát + 2ADP + Pi karbamoylfosfát + ornithin → citrulin + Pi citrulin + ATP + aspartát → argininosukcinát + AMP + PPi argininosukcinát → arginin + fumarát arginin → močovina + ornithin Celkem:2NH3 + CO2 + 3ATP  močovina + 2ADP + AMP + PPi + 2Pi

23. Dusíková bilance Tkáňové proteiny Puriny, hem, atd. Energie Vyloučení jako močovina a NH4+ Hotovost aminokyselin Proteiny z potravy Množství dusíku přijatého v potravěje v rovnováze s vylučovánímjeho ekvivalentníhomnožství. Asi 80% vyloučeného dusíku je ve formě močoviny.

24. Regulace močovinového cyklu Aktivita je regulována na dvou úrovních: • potravou jsou primárně proteiny hodně močoviny (aminokyselinyse využijí jako zdroj energie) • Dlouhodobé hladovění  odbourávání svalových proteinů  hodně močoviny také • Rychlost syntézy čtyř enzymů močovinového cyklu a karbamoylfosfátsynthetasy I (CPS-I) v játrechje regulovánazměnamidanými požadavky naaktivitu močovinového cyklu.

25. Regulace močovinového cyklu • Velmi rychlese enzymy syntetizují • běhemhladovění • u diety s vysokým obsahem proteinů • Pomalu se enzymy syntetizují • u dostatečné stravy obsahující cukry a tuky • u bezproteinové diety

26. Regulace močovinového cyklu N-acetylglutamová kyselina – alosterickýaktivátorCPS-I • Vysoká koncentraceArg→ stimulace N-acetylace glutamátu acetyl-CoA

27. Deficience enzymů močovinového cyklu

28. Toxicita amoniaku Jaterní encefalopatie • Vysoká hladina amoniaku v krvi a jiných biologických tekutinách → difúze amoniaku do buněk, přes hematoencefalickou bariéru → zvýšená syntéza glutamátu z a-ketoglutarátu, zvýšená syntéza glutaminu. • vyčerpání a-ketoglutarátu z CNS → inhibice citrátového cyklu a produkce ATP. • Neurotransmitery – glutamát (excitační neurotr.) a GABA (inhibiční neurotr.), mohou přispívat k nežádoucím účinkům na CNS – bizarní chování.

29. Deficience N-acetylglutamátsynthasy: • Nedostatek nebo genetická mutace enzymu(autosomálně recesivní) → selhání močovinového cyklu. • Těžká novorozenecká porucha s fatálními následky, není-li zjištěna ihned po porodu. • Hyperamonemie a celková hyperaminoacidemie u novorozenců (játra nejsou schopná syntetizovat N-acetylglutamát). • Mezi časné příznaky patří apatie, zvracení a hluboké bezvědomí. • Léčba: podává sestrukturální analog N-karbamoyl-L-glutamát – aktivuje CPS-I, snižuje intenzitu poruchy.

30. Deficience karbamoylfosfátsynthetasy (CPS I): • autosomálně recesivní metabolickáporucha, spojená s rozvojem mentální retardacea vývojovým opožděním. • Hyperamonemieje pozorována u 0 – 50% množství syntetizované CPS-I v játrech oproti normálu. • Léčba: podává se benzoát a fenylacetát, vzniklý hippurát a Phe-Ac-Gln se vyloučí močí:

31. Deficience ornithintranskarbamoylasy (OTC): • Nejčastější, nejobvyklejší porucha močovinového cyklu, v důsledku zmutované a neúčinné formy enzymu. • Recesivní na X chromosom vázaná porucha, způsobená řadou různých mutací genu pro OTC – u mužů je porucha závažnější než u žen (muži jsou asymptomatickými heterozygoty). • Dochází k mentální retardaci a zpoždění vývoje. Deficience argininosukcinátsynthasy – citrulinemie (citrulinurie) • autosomálně recesivní metabolickáporucha, neschopnost kondenzace citrulinus aspartátem. • Hromadění citrulinuv krvi, ve velkém množství je citrulin vylučován do moči. • Citrulinemie typu I - obvykle se projevuje v prvních dnech života. • Citrulinemie typu II - příznaky a symptomy se obvykle projeví až v dospělosti a postižen je hlavně nervový systém. • Léčba – specifická náhrada argininem pro syntézu proteinů a tvorbu kreatinu a ornithinu.

32. Deficienceargininosukcinátlyasy (argininosukcinát acidurie) • Vzácné autosomálně recesivní onemocnění, argininosukcinátjevylučovánve velkém množství do moči. • Závažnost příznaků se značně liší, je proto těžké určit vhodnou terapii - vhodné je dietní omezení dusíku . Deficience arginasy (argininemie) • Vzácné autosomálně recesivní onemocnění, vzniká řadaabnormalit ve vývoji a funkci CNS. • Hromadění Arg v krvi a vylučováníArg a prekurzorůa produktůjeho metabolismu v moči. • Léčba – dieta s nízkým obsahem dusíku s obsahem esenciálních aminokyselin.

33. Hlavní zdroj pro přednášku: D. L. Nelson, M. M. Cox : LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Fifth edition