Метаболізм ліпідів

МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ: ОКИСЛЕННЯ ЖИРНИХ  КИСЛОТ ТА ГЛІЦЕРИНУ; КЕТОГЕНЕЗ. ПАТОЛОГІЯ ЛІПІДНОГО ОБМІНУ: ОЖИРІННЯ, АТЕРОСКЛЕРОЗ. ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ. ОБМІН АМІАКУ, БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ ТА ЙОГО ПОРУШЕННЯ.

 

Класифікація, хімічна структура і фізико-хімічні властивості ліпідів. Ліпіди поділяються на прості, складні і похідні ліпідів. Прості ліпіди — це ефіри спиртів і жирних кислот. Сюди відносять жири, воски, стериди та складні ефіри вітамінів А і D. Складні ліпіди містять, крім спирту і жирних кислот, ще додаткові компоненти. В організмі зустрічаються у вільному вигляді і компоненти ліпідів, зокрема жирні кислоти і холестерин. До похідних ліпідів можна відне­сти стероїдні гормони, жовчні кислоти і вітамін D₃ (похідні холестери­ну), простагландини, тромбоксани і лейкотрієни (похідні поліненасиче-ної арахідонової кислоти).

Травлення і всмоктування ліпідів

У процесі травлення в шлунково-кишковому тракті ліпіди зазна­ють ферментативного гідролізу до компонентів, які можуть вбиратися стінкою кишечника. У ротовій порожнині ліпіди не перетравлюються, оскільки у слині відсутні відповідні ферменти. Основним місцем травлення жирів та інших груп ліпідів є верхні відділи тонкого кишечника. У дванадцятипалу кишку виділяються жовч і сік підшлункової зало­зи.

Для забезпечення нормального травлення і всмоктування продуктів розпаду ліпідів має значення взаємодія чотирьох чинників:

1) секреція підшлунковою залозою гідролітичних ферментів, які каталізують розрив складноефірних зв'язків;

2)   надходження жовчних кислот, які емульгують жири і забезпечують всмоктування продуктів їх гідролізу;

3)   захоплення продуктів травлення ліпідів клітинами слизової оболонки кишечника;

4)   перетворення продуктів травлення у частинки для транспорту відклітин слизової у лімфатичні судини і далі — в кров.

Порушення будь-якого із цих процесів і ураження кишечника призводять до розладу всмоктування ліпідів.

ЛІПОПРОТЕЇНИ КРОВІ

Крім хіломікронів, у крові є й інші форми (класи) ліпопротеїнів, які служать транспортними засобами для перенесення кров'ю нерозчин­них чи малорозчинних у воді жирів, хо­лестерину і його ефірів. До основних класів ліпопротеїнів крові відносяться: ліпопротеїни високої густини (ЛВГ), або а-ліпопротеїни; низької густини (ЛНГ), або Р-ліпопротеїни; ліпопротеїни дуже низь­кої густини (ЛДНГ), або пре-|3-ліпопроте'їни; хіломікрони. Розділяють ліпопро­теїни крові методом центрифугування, оскільки вони розрізняються густиною, або методом електрофорезу. Під час електрофорезу при рН 8,6 ЛВГ переміщаються разом із а-глобулінами, ЛНГ — з b-глобулінами, ЛДНГ — перед фракцією b-глобулінів, а хіломікрони залишаються на місці нанесення проби. До складу всіх форм ліпопротеїнів крові входять білки, жири, фосфоліпіди, холестерин і його ефіри, але відношення цих компонентів для кожної форми різне. Будова ліпопротеїнів однотипна: всередині знаходяться нерозчинні у воді ліпіди (ефіри холестерину та триацилгліцерини), а у зовнішньому шарі — білки і фосфоліпіди. Функція кожного класу ліпопротеїнів крові специфічна. Хіломікрони транспортують жири, фосфоліпіди від кишечника до тканин. Інші ліпопротеїни служать для переносу їх від печінки до різних органів і тканин та навпаки.

Внутрішньоклітинний ліполіз

Гідроліз триацилглщеринів у жировій тканині каталізується трьома ліпазами: триацилгліцерин-, діацилгліцерин- і моноацилгліцеринліпазою. Стимулюється процес гідролізу жирів гормонами — адреналіном, глюкагоном, кортикостероїдами і гіпофізарними гормонами.

Активна триацилглщеринліпаза гідролізує триацилгліцерин на ді­ацилгліцерин і жирну кислоту. Далі дигліцеринліпаза і моногліцеринліпа-за розщеплюють діацилгліцерин через моноацилгліцерин до вільного гліце­рину і жирних кислот. Обидва продукти виходять шляхом дифузії із жир­них клітин у кров. Гліцерин у вільному вигляді, а жирні кислоти у формі нековалентних комплексів з альбумінами переносяться кров'ю до органів  тканин.

Окиснення гліцерину

Гліцерин захоплюється переважно печінкою. Тут під дією гліцеролкінази він перетворюється у гліцерофосфат, який окиснюється до діоксіацетонфосфату гліцеролфосфатдегідрогеназою.

Діоксіацетонфосфат — проміжний продукт гідролізу і глюконеогенезу і тому може або окиснюватися в реакціях гліколізу і далі по загаль­ному шляху катаболізму до СО₂ і Н₂О, даючи при цьому енергію, або вступати у реакції глюконеогенезу, перетворюючись у глюкозу чи гліко­ген. При повному окисненні гліцерину в аеробних умовах до СО₂ і Н₂О енергетичний баланс складає 22 молекули АТФ. Із них 9 АТФ утворю­ються в дихальному ланцюзі з 3-х молекул НАДН₂. Одна молекула НАДН₂ — при окисненні гліцерофосфату, друга — з гліцеральдегідтрифосфату, а третя молекула НАДН₂ утворюється під час перетворення піровиног­радної кислоти в ацетил КоА. Окиснення останнього до СО₂ і Н₂О суп­роводжується виділенням 12 АТФ.

Окиснення жирних кислот

У загальних рисах окиснення жирних кислот відбувається таким чином. Жирні кислоти надходять у клітини, перетворюються в активні форми — ацил-КоА, тобто сполуку залишку жирної кислоти (ацилу) з коензимом А. За допомогою спеціального переносника — карнітину — ацильні групи проникають із цитоплазми в мітохондрії. Тут жирні кислоти зазнають ряду послідовних реакцій, які призводять до відщеплення від довгого вуглецевого ланцюга фрагмента із двох вуглеців, а саме ацетил-КоА. Багаторазове повторення таких реакцій призводить доповного розпаду жирної кислоти до ацетил-КоА Останній утилізується у циклі лимонної кислоти.

МЕТАБОЛІЗМ КЕТОНОВИХ ТІЛ

До кетонових тіл відносять ацетооцтову кислоту (ацетоацетат), Р-оксимасляну кислоту (b-оксибутират) і ацетон.Синтезуються вони в печінці із ацетил-КоА. Останній утворюється при розпаді вуглеводів, жир­них кислот і амінокислот, але переважно для синтезу кетонових тіл ви­користовується ацетил-КоД що утворюється із жирних кислот. Ацетоа­цетат і b-оксибутарат надходять із печінки у кров і транспортуються як водорозчинні сполуки до позапечінкових тканин. Там b-оксибутарат окис-нюється до ацетоацетату, який перетворюється в активну форму — аце-тоацетил-КоА У тканинах є 2 шляхи активації ацетоацетату. У першому ацетоацетат перетворюється в ацетоацетил-КоА в реакції з сукциніл-КоА У другому шляху ацетоацетил-КоА утворюється в реакції з КоА при участі АТФ та ферменту ацетоацетил-КоА-синтетази. Фер­менти активації відсутні у печінці і тому кетонові тіла в ній не утилі­зуються. Ацетоацетил-КоА розпадається на 2 молекули ацетил-КоА який окиснюється у циклі Кребса до СО₂ і Н₂О.

У нормі в печінці утворюється невелика кількість кетонових тіл, які дифундують у кров і швидко утилізуються периферичними тканинами. Концентрація кетонових тіл у крові — не більше ЗО мг/л. Окиснення кетонових тіл відбувається у серцевому і скелетних м'язах, нирках і навіть, при тривалому голодуванні, у мозку. Таким чином, біологічний зміст утво­рення кетонових тіл полягає в тому, що частина ацетил-КоА, який утво­рюється при b-окисненні жирних кислот у печінці, не окиснюється тут, а направляється у формі кетонових тіл в інші органи і тканини як додатко­ве джерело енергії. Знову, як і у випадку з глюкозою, печінка служить органом, що постачає в інші тканини й органи клітинне паливо.

При певних станах в організмі утворюється значна кількість кетоно­вих тіл і позапечінкові тканини не справляються з їх окисленням. Зрос­тає концентрація їх у крові (кетонемія), що зумовлює розвиток ацидозу. При надлишку кетонових тіл вони виводяться з сечею — кетонурія. Цей стан носить назву кетоз і має місце при тяжких формах цукрового діабе­ту, повному голодуванні, вживанні великої кількості алкоголю або жирної їжі, тривалої тяжкої фізичної праці. У цих випадках має місце або посиле­ний катаболізм жирів, або знижений катаболізм вуглеводів, або їх поєднання. Підвищеному вмісту кетонових тіл в організмі при діабеті й голоду­ванні сприяє знижена концентрація оксалоацетату, який утворюється із пірувату й амінокислот і може використовуватись для глюконеогенезу. При низькій внутрішньоклітинній концентрації оксалоацетату в цикл лимонної кислоти включається мало ацетил-КоА і, відповідно, у печінці посилюється синтез кетонових тіл, а в позапечінкових тканинах окиснення кетонових тіл не може відбуватись зі швидкістю, достатньою для повної їх утилізації.

ОБМІН ПРОСТИХ БІЛКІВ

Білки складають 18-20 % від загальної маси і близько 50 % сухої маси тіла людини. В організмі масою 70 кг є 12-15 кг білків. На відміну від ­вуглево­дів і жирів, в організмі немає резервних білків. У той же час білки відігра­ють надзвичайно важливі функції в організмі (пластична, каталітична, енерге­тична, деякі білки проявляють властивості гормонів, виконують захисну функцію і т. п.). Це означає, що білки дуже динамічні структури, в організм вони постійно надходять із харчовими продуктами, синтезуються, розкладаються, перетворюються в інші речовини. За добу в організмі людини оновлюється близько 400 г білків, тобто стільки розпадається до амінокислот і стільки ж синтезується. Частина амінокислот, утворених при розпаді білків, використовується для біосинтезу нових білків із поповненням енергії у вигляді АТФ або перетворюється в непептидні речовини (аміни, гем, тироксин, холін, таурин тощо). Це означає, що для поповнення втрачених під час метаболізму амінокислот організм повинен постійно одержувати білки з продуктами харчування. Під час травлення в шлунково-кишковому тракті білки розпадаються до амінокислот. Утворені амінокислоти використовуються для синтезу білків організму, а також небілкових азотових речовин.

Оскільки на частку білків і вільних амінокислот припадає більше 95 % всього азоту в організмі, то за азотовим балансом, тобто різницею між кількістю азоту, що надходить з їжею, і кількістю азоту, що виводиться з організму (переважно у вигляді сечовини), можна оцінювати загальний білковий обмін. Розрізняють три види азотового балансу.

В дорослої здорової людини при нормальному харчуванні спостерігається азотова рівновага (нульовий азотовий баланс), тобто кількість азоту, що надходить, дорівнює кількості, що виділяється з організму.

Позитивний азотовий баланс буває під час росту організму, вагітності, одужання після виснажливих захворювань. За цих умов кількість азоту, що надходить в організм, більша за кількість азоту, що виводиться з організму, тобто загальна білкова маса в організмі збільшується.

Негативний азотовий баланс вказує на збільшення кількості ­азоту, що виводиться з організму, порівняно з надходженням. Він спостерігається в похилому віці, при виснажливих захворюваннях, білковому або повному голодуванні. В цих випадках загальна маса білків в організмі зменшується.

На білковий обмін впливають: 1) вік; 2) фізіологічний стан організму, зокрема нервово-гормональний статус; 3) фізичне наванта­ження; 4) характер харчування (кількісний і якісний склад білків їжі, а також надходження з нею вуглеводів, ліпідів, вітамінів, мінеральних ­солей).

Біологічна цінність білків визначається їх амінокислотним складом і ступенем засвоєння (ефективністю розщеплення у шлунково-кишковому тракті і рівнем всмоктування амінокислот). В організмі людини із 20 амінокислот, що входять до складу білків, синтезуються 10 (замінні амінокислоти), не синтезуються 8 (незамінні амінокислоти), дві амінокислоти (гістидин і аргінін) синтезуються, але швидкість їх синтезу недостатня для забезпечення потреб організму, зокрема дітей під час інтенсивного росту (частково замінні). До незамінних амінокислот відносяться лізин, лейцин, ізолейцин, валін, треонін, метіонін, фенілаланін, триптофан. Замінні амінокислоти утворюються із проміжних продуктів вуглеводного обміну. Виключення із дієти навіть однієї з незамінних амінокислот швидко призводить до порушення синтезу білка, негативного азотового балансу. Вміст незамінних амінокислот визначає харчову (біологічну) цінність того чи іншого білка. Біологічна цінність білка тим більша, чим ближче його амінокислотний склад до середнього амінокислотного складу білків тіла людини. До білків з біологічною цінністю, що містять усі незамінні амінокислоти в оптимальних співвідношеннях і легко перетравлюються, відносяться білки курячого яйця, м'яса, риби, молока.

Травлення білків відбувається в шлунку і кишечнику. В шлунку розщепленню білків сприяють два чинники:

1) протеолітичні ферменти;

2) кисле середовище.

Основним ферментом шлунка є пепсин, оптимальне значення рН якого знаходиться в межах 1,5-2,5. Кисле рН у шлунку створюється завдяки соляній кислоті. Соляна кислота в шлунку стимулює перетворення неактивного пепсиногену в активний пепсин, створює оптимальне рН для його дії, викликає набухання білків. Крім того, вона запобігає розвитку в шлунку мікрофлори, стимулює вироблення секретину та прискорює всмоктування заліза. При гастритах і зменшенні кислотності шлункового соку гнилісні процеси в шлунку можуть бути причиною неприємного запаху з рота у хворих.

Пепсин виділяється основними клітинами залоз шлунка в неактивній формі, у вигляді проферменту (попередника пепсину) – пепсиногену. Останній під впливом соляної кислоти перетворюється в активний протеолітичний фермент – пепсин. Перетворення пепсиногену в пепсин може відбуватися і під впливом самого пепсину, тобто автокаталітично.

Шлунковий сік – безбарвна, прозора, слабоопалесціювальна рідина з питомою густиною 1,002 – 1,007 г/см³ та сильнокислою реакцією (рН 1,5 – 2,5), до складу якої входить вода  (99 – 99,5%), ферменти (пепсин, гастриксин тощо), муцин, гідрохлоридна кислота  та інші речовини.

Надзвичайно важливе клінічне значення має вивчення кислотоутворювальної функції шлунка, яке складається з двох аспектів: а) визначення концентрації вільної  гідрохлоридної кислоти і загальної кислотності; б) отримання інформації про дебіт-годину гідрохлоридної кислоти.

 Травні соки кишечника містять протеолітичні ферменти підшлункової залози і власне кишечника. Підшлункова залоза секретує профермен­ти: трипсиноген, хімотрипсиноген, проеластазу. Сік підшлункової ­залози являє собою слабколужну рідину (рН 7,2-7,8) завдяки вмісту гідрокарбонату натрію.

Під впливом ферменту кишечника ентерокінази (ентеропептидази) трипсиноген перетворюється в трипсин. Всі інші проферменти переходять в активну форму під впливом трипсину. Трипсин, хімотрипсин і еластаза як ендопептидази походять від одного попередника. У травленні білків у тонкому кишечнику активна участь належить і екзопептидазам: карбоксипептидазам, що синтезуються в підшлунковій залозі й активуються трипсином. Розрізняють карбоксипептидази А і В. Вони відщеплюють від поліпептидів С-кінцеві амінокислоти. Карбоксипептидаза А (містить іон цинку) відщеплює від поліпептидного ланцюга крайні ароматичні амінокислоти, а карбоксипептидаза В відщеплює лужні амінокислоти (аргінін, лізин).

 Амінокислоти швидко всмоктуються в мікроворсинках тонкого кишечника. Але при наявності фруктози і галактози всмоктування їх спо­вільнюється. Всмоктування амінокислот – активний процес і вимагає енергії АТФ, за механізмом подібне до всмоктування глюкози і тому залежить від транспорту в клітини натрію.

В основі патології травлення білків знаходяться нестача травних ферментів і відповідних їм коферментів та порушення процесів всмоктування в кишечнику. Нестача соляної кислоти і пепсину в шлунку істотно не відбивається на травленні білків, оскільки в кишечнику є достатньо протеолітичних ферментів, що компенсують її. Однак дефіцит соляної кислоти призводить до розвитку мікробної флори та гниття у шлунку. При нестачі протеаз підшлункової залози спостерігаються неперетравлення білків, виділення їх з калом та відносне білкове голодування. Непере­травлені білки зазнають змін під дією мікрофлори товстого кишечника – гниття, що супроводжується утворенням отруйних речовин.

 Неперетравлені білки та АК, які не всмокталися, надходять у товстий кишечник, де під впливом ферментів мікрофлори утворюють продукти, не характерні для обміну амінокислот в організмі людини і навіть отруйні. Інтенсивність процесу в нормі невелика, але може значно зростати при порушенні діяльності кишечника. Цей процес називається гниттям білків.

 

Метаболізм амінокислот

 В органах і тканинах знаходиться невелика кількість вільних АК. Після всмоктування амінокислоти потрапляють через портальну систему в печінку, яка є головним органом обміну амінокислот в організмі. Периферичні тканини з різною ефективністю поглинають циркулюючі в крові амінокислоти. Крім амінокислот їжі, фонд вільних амінокислот в організмі поповнюється за рахунок розпаду тканинних білків і синтезу замінних амінокислот.

Синтез і розпад білків в організмі дорослої людини відбуваються з різною швидкістю. Так, у дорослої людини масою 70 кг за добу синтезується і розпадається близько 400 г білка. Ці дані свідчать про високу швидкість оновлен­ня білків тіла. За рахунок окиснення амінокислот покривається 10-15 % потреби організму в енергії.

Дезамінування амінокислот

Процес відщеплення аміногрупи від амінокислоти з утворенням вільного аміаку називається дезамінуванням і може здійснюватись різними шляхами, характерними для різних видів живих організмів. Єдиним високоефективним ферментом, що діє на амінокислоту L‑ряду в організмі вищих тварин і людини, є глутаматдегідрогеназа.

Окиснювальне дезамінування глутамінової кислоти відбувається в мітохондріях печінки (а також інших органів) з утворенням аміаку, НАДН+Н⁺ і альфа-кетоглутарової кислоти, яка може бути використана у циклі лимонної кислоти. Ця реакція є основним джерелом аміаку в організмі людини. Глутаматдегідрогеназа каталізує й зворотний процес, тобто відновне амінування a-кетоглутарату з утворенням глутамату. У зворотній реакції замість НАД бере участь НАДФ, що забезпечує незалежний перебіг цих двох процесів – окиснювального дезамінування глутамату і відновного амінування альфа-кетоглутарату. Обидва ці процеси тісно пов'язані з трансамінуванням амінокислот, що розглядається нижче. Таким чином, в організмі людини з належною ефективністю відбувається пряме дезамінування глутамінової кислоти, а з меншою ефективністю – серину, треоніну, цистеїну і гістидину. Відщеплення аміногрупи від більшості  альфа-амінокислот відбувається в процесі трансамінування.

У ході реакції трансамінування аміногрупа від альфа-амінокислоти переноситься на альфа-кетокислоту, що призводить до утворення нової альфа-кетокислоти (утворюється із вихідної альфа-амінокислоти) і нової альфа-амінокислоти ­(утворюється із вихідної альфа-кетокислоти). Ця реакція є зворотною, і напрямок перетворення залежить від концентрації субстратів. Майже у всіх реакціях трансамінування приймають участь глутамат і відповідний йому альфа-кетоглутарат:

альфа-амінокислота + альфа-кетоглутарат  альфа-кетокислота + глутамат

Ферменти, що каталізують процес трансамінування, називаються амі­но­трансферазами, або трансаміназами. Найбільш активними є аланін- і аспартатамінотрансфераза. Механізм дії всіх амінотрансфераз однаковий. Всі вони містять міцно зв'язану простетичну групу, якою служить похідне вітаміну В₆ – піридоксальфосфат.

Реального дезамінування (відщеплення аміаку) в реакціях трансамінування не відбувається, оскільки дезамінування альфа-амінокислоти супроводжується амінуванням альфа-кетоглутарової кислоти. Таким чином, аміно­групи від різних кислот збираються у формі глутамату. Під дією високоактивної глутаматдегідрогенази відбувається реальне дезамінування глутамату із виділенням аміаку. Поєднання трансамінування з окиснювальним дезамінуванням глутамату називають непрямим дезамінуванням амінокислот (трансдезамінуванням). Таким шляхом різні амінокислоти вступають у реакцію катаболізму з утворенням альфа-кетокислоти, відновленого НАД і аміаку. Доля альфа-кетокислоти й аміаку розглядається далі.

Трансамінування і окиснювальне дезамінування глутамату, як за­значалось вище, є зворотними процесами. Це забезпечує можливість синтезу амінокислот із відповідних альфа-кетокислот і аміаку. Поєднання відновного амінування альфа-кетоглутарату з трансамінуванням називають трансреамінуванням. В організмі людини цим шляхом синтезуються замінні амінокислоти, відповідні яким альфа-кетокислоти утворюються із вуглеводів. Зокрема, аланін і аспартат синтезуються в результаті трансамінування відповідно із пірувату й оксалоацетату.

Альфа-кетокислоти, відповідні незамінним амінокислотам, в організмі людини не утворюються із вуглеводів чи ліпідів, тому власне незамінні амінокислоти не синтезуються, а повинні надходити з їжею. Зазначимо, що їжа людини не містить значних кількостей альфа-кетокислот, відповідних незамінним амінокислотам.

Глутамінова кислота виконує основні функції в обміні амінокислот. Вона приймає аміногрупи від тих амінокислот, що знаходяться в організмі людини в надлишку, і віддає на утворення тих замінних амінокислот, яких недостатньо. Наприклад, ­якщо їжа містить багато аспартату, але мало аланіну, то дві поєднані реакції трансамінування забезпечують перерозподіл аміногруп. При катаболізмі амінокислот глутаматдегідрогеназа виконує головну роль, каталізуючи звільнення у вигляді аміаку аміногруп, що надходять від інших амінокислот. Крім того, з глутамінової кислоти синтезується ряд замінних амінокислот.

Послаблення процесів транс- і дезамінування амінокислот відбувається при гіповітамінозах (РР, В₂, В₆), гіпоксії, ураженнях печінки. Це спричиняє зростання вмісту амінокислот у плазмі (гіпераміноацидемія) і при перевищенні реабсорбційної здатності  клітин ниркових канальців – екс­крецію амінокислот із сечею (аміноацидурія). Порушення оптимального співвідношення амінокислот в організмі гальмує білковий синтез.

Декарбоксилювання амінокислот

В організмі людини і тварин під дією ферментів декарбоксилаз від деяких амінокислот відщеплюється карбоксильна група у вигляді СО₂. У результаті реакції утворюються аміни з важливими біологічними функціями. Прикладами біогенних амінів є гістамін (із гістидину), гама-аміномасляна кислота (із глутамату), дофамін (із 3,4-діоксифенілаланіну), серотонін (із 5-окситриптофану). Структура і функції їх розглядаються далі. Декарбо­ксилази амінокислот, як і амінотрансферази, містять як простетичну ­групу піридоксальфосфат. Механізм реакції включає утворення проміжного комплексу між амінокислотою і піридоксальфосфатом (шифові основи) з наступним розривом зв'язку С-СООН і звільненням СО₂. Таким чином, піридоксальфосфат виконує каталітичну роль у реакціях декарбоксилювання і трансамінування, а направляються реакції у відповідному напрямку апоферментами декарбоксилаз і амінотрансфераз. Реакції декарбоксилювання незворотні. Біогенні аміни інактивуються в реакціях окиснювального дезамінування під дією моноамінооксидаз (МAO), коферментом яких є ФАД.

Метаболізм аміаку. Синтез сечовини

 Аміак утворюється у результаті дезамінування амінокислот, амідів, амінів, а також нуклеотидів. Основним джерелом аміаку є окиснення глутамату глутаматдегідрогеназою, що відбувається практично у всіх тканинах організму. Рівень аміаку у крові в нормі не перевищує 50 мкмоль/л. Токсичність аміаку зумовлена рядом факторів.

Аміак – токсична речовина. У високих  концентраціях він пошкоджує головним чином  нервові   клітини.   

Причини токсичності аміаку: Аміак зв’язує a-кетоглутарат (відновлювальне амінування). У цьому випадку a-кетоглутарат виводиться з пулу амінокислот, що призводить до гальмування   реакцій, в яких він використовується:

ü            ЦТК (виникає гіпоенергетичний стан);

ü                                 обмін амінокислот (порушується трансамінування).

ü                           Аміак підсилює синтез глутаміну  у нервовій тканині, що призводить до підвищення  осмотичного тиску з подальшим виникненням набряку мозку.

При накопиченні катіона амонію порушується транспорт  катіонів Na+, К+  через мембрани, що погіршає  проведення нервових  імпульсів.

У тканинах і рідинах організму аміак переважно знаходиться  у вигляді катіона амонію (NН₄⁺), що погано проникає через мембрани. Але у рівновазі з NН₄⁺ знаходиться близько 1 % вільного аміаку, що легко проходить через мембрани. У мітохондріях аміак взаємодіє з альфа‑кетоглутаратом у зворотній глутаматдегідрогеназній реакції, даючи глутамат. Високий вміст аміаку стимулює відтік альфа-кетоглутарату із циклу лимонної кислоти, а отже, зниження мітохондріального окиснення і синтезу АТФ, до чого найбільш чутливі клітини мозку, які забезпечуються енергією майже повністю за рахунок аеробного розпаду глюкози.

Кінцевими продуктами обміну аміаку є сечовина та солі амонію, котрі утворюються у печінці та нирках, відповідно, та виводяться із організму  у складі сечі. Але аміак утворюється в усіх тканинах і органах, особливо при важкому фізичному навантаженні, нервовому  збудженню.возбуждении. Тому  доставка аміаку до місць його  остаточного знешкодження (печінка та нирки)  здійснюється за допомогою транспортних форм.

У мозку дія глутамінсинтетази поєднується з дією глутаматдегідрогенази, що функціонує переважно у напрямку синтезу глутамату із альфа-кетоглутарату:Із мозку глутамін вільно дифундує в кров чи спинномозкову рідину, усуваючи при цьому дві молекули токсичного аміаку. Глутамінсинтетаза активна і в печінці. Тут вона підтримує внутрішньоклітинну концентрацію аміаку на рівні, що не досягає меж токсичності. У печінці й нирках глутамін під дією глутамінази гідролізується до глутамату і вільного аміаку:

Із кишечника та м’язів аміак виводиться у вигляді  аланіну (глюкозо-аланіновий цикл). У транспорті аміаку із м'язів до печінки бере участь нейтральна ­амінокислота – аланін. При інтенсивній м'язовій роботі частина амінокислот шляхом глюконеогенезу перетворюється у глюкозу. За цих умов  у м’язах утворюється значна кількість аміаку. Аміак взаємодіє з альфа-кетоглутаратом, утворюється глутамат. Останній взаємодіє із піруватом, вміст якого за рахунок посилення гліколізу під час роботи підвищується. Відбувається реакція переамінування між піруватом і глутаматом. Аланін переноситься з кров'ю до печінки, де під дією аланінамінотрансферази передає аміногрупу альфа-кетоглутарату, а далі з глутамату в глутаматдегідрогеназній реакції звільняється аміак. Із пірувату в печінці ресинтезується глюкоза, яка знову днадходить у м'язи.  Працюючі м’язи отримують частину енерггії за рахунок розпаду амінокислот. Аміногрупи від різних  амінокислот включаються у глутамат завдяки реакції трансамінування.  Далі глутамат трансамінується з піруватом, який утворюється у працюючих  м’язах із глюкози в результаті гліколізу. Внаслідок цієї реакції утворюється аланін, який «несе в собі» аміногрупи       із білків м’язів і вуглецевий скелет із глюкози. 

Аланін, що утворився, транспортується з током крові у печінку,  де вступає в реакцію непрямого дезамінування. Із аміаку, що утворився, синтезується сечовина, а піруват перетворюється  у  глюкозу  - джерело енергії  для м’язів.

Циклічний процес синтезу сечовини відкритий Г. Кребсом і К. Хенселайтом у 1932 році. У циклі беруть участь дві амінокислоти, які не входять до складу білків (орнітин і цитрулін), і дві амінокислоти, що містяться у білках (аргінін і аспартат). Кребс і Хенселайт відкрили, що швидкість синтезу сечовини різко зростає, коли у середовище додають орнітин, аргінін чи цитрулін. На основі цих фактів Кребс запропонував схему синтезу сечовини. Цикл складається із 5 реакцій, кожна з яких каталізується окремим ферментом.Орнітиновий цикл, або цикл Кребса –Хензелайта, або цикл синтезу сечовини – це головний процес знешкодження аміаку у організмі людини.

 У першій реакції із аміаку і діоксиду вуглецю за участю 2 молекул АТФ утворюється макроергічна сполука карбамоїлфосфат. Цю реакцію, що відбувається в матриксі мітохондрій, каталізує карбамоїлфосфатсинтетаза І, регуляторний фермент синтезу сечовини. Активатором ферменту служить N-ацетилглутамат, утворення якого гальмується аргініном. Таким чином, регуляція синтезу карбамоїлфосфату здійснюється за механізмом зворотного зв'язку. Локалізована в цитоплазмі карбамоїлфосфатсинтетаза ІІ каталізує реакцію утворення карбамоїлфосфату не з вільного аміаку, а із глутаміну. Цей фермент постачає карбамоїлфосфат для синтезу піримідинів.

У другій реакції циклу орнітин-карбамоїлтрансфераза каталізує перенесення карбамоїльної групи на орнітин з утворенням цитруліну.

У ході АТФ-залежної реакції цитрулін конденсується з аспарагіновою кислотою, яка служить другим донором аміногрупи з утворенням аргініносукцинату, який далі розщеплюється на аргінін і фумарат. Перший фермент – аргініносукцинатсинтетаза, другий – аргініносукцинатліаза.

На останній стадії циклу фермент аргіназа, який міститься тільки у печінці, каталізує гідроліз аргініну на сечовину й орнітин. Орнітин може запускати новий оберт циклу утворення сечовини. Таким чином, роль орнітину в цьому циклі аналогічна до ролі оксалоацетату в циклі лимонної кислоти.

Цикл утворення сечовини і цикл лимонної кислоти тісно взаємозв'язані. Так, надходження СО₂ і АТФ, необхідних для утворення сечовини, забезпечується роботою циклу лимонної кислоти. Фумарова кислота, яка утворюється при розщепленні аргініносукцинату, за участю ферментів циклу лимонної кислоти перетворюється через малат в оксалоацетат, а останній у реакції трансамінування з глутаматом знову дає аспартат.

Безпосередніми джерелами атомів азоту молекули сечовини є аміак і аспартат. Обидва вони можуть бути отримані з глутамату: аміак – шляхом окиснювального дезамінування, ­аспартат – трансамінування.

Аспартат, необхідний для синтезу сечовини, утворюється у печінці з використанням вуглецевого скелету  оксалоацетату та  аміногрупи  аланіну: .

Одночасно  фумарат, який утворився  у орнітиновому циклі, перетворюється у  оксалоацетат внаслідок  двох реакцій ЦТК, тобто відбувається  регенерація аспартату із фумарату.

Біосинтез сечовини потребує великих витрат енергії.  Вона постачається за рахунок розриву чотирьох макроергічних зв’язків трьох молекул АТФ: двох макроергічних зв’язків при синтезі карбамоїлфосфату  і двох - при синтезі  аргініносукцинату.

 А завдяки трансамінуванню з альфа‑кетоглутаратом усі амінокислоти здатні віддати аміногрупи в сечовину, кінцевий продукт катаболізму амінокислот в організмі людини. Сечовина є нейтральною нетоксичною водорозчинною сполукою. Вона доставляється кров'ю у нирки і виходить із сечею. За добу з орга­нізму людини виділяється в середньому 30 г сечовини, що складає 80‑90 % усього азоту в сечі. При коливанні кількості білка в їжі підтримка азотової рівноваги досягається шляхом зміни швидкості утворення сечовини. Так, при багатій білками їжі в печінці підвищується активність аміно­трансфераз і зростає кількість ферментів орнітинового циклу. Підвищений розпад білків тіла також супроводжується збільшенням синтезу й секреції сечовини.

При захворюваннях печінки здатність організму знешкоджувати токсичний аміак шляхом утворення нетоксичної сечовини знижується, в крові зростає вміст аміаку (гіперамоніємія), може розвинутись печінкова кома. Зустрічаються вроджені гіперамоніємії внаслідок генетичного дефекту ферментів циклу утворення сечовини. При дефектах перших двох ферментів циклу (карбамоїлфосфатсинтетази і орнітинкарбамоїлтрансферази) у крові зростає концентрація аміаку, а при дефектах інших трьох ферментів – аміаку й проміжних продуктів циклу. Проміжні продукти (цитрулін, аргініносукцинат, аргінін) виводяться із сечею і можуть бути виявлені при аналізі сечі. Активність дефектних ферментів може бути знижена різною мірою, аж до повної відсутності. Відповідно,  різними за величиною  будуть гіперамоніємія, накопичення проміжних продуктів і зниження вмісту сечовини в сечі. У деяких випадках може настати смерть протягом перших місяців життя. Якщо дитина виживає, то спостерігається відставання у розумовому розвитку. Обмеження споживання білка з їжею в ранньому дитинстві до мінімальної кількості, достатньої для підтримки росту й розвитку, дозволяє зменшити можливість уражень мозку. Діагноз уроджених порушень встановлюють шляхом визначення вмісту аміаку і проміжних продуктів орнітинового циклу в крові та сечі, а також шляхом визначення активності ферментів у біоптатах печінки. Іноді тривалі головні болі служать єдиним симптомом, що свідчить про підвищення в крові рівня аміаку, зумовлене дефіцитом ферментів, необхідних для синтезу сечовини, або ураженням печінки.

Утворення сечовини в печінці знижується при підвищенні кислотності в організмі (ацидозі), оскільки в таких випадках частина аміаку використовується на нейтралізацію кислотних продуктів і виділяється у вигляді солей амонію. Невелика кількість цих солей виділяється із сечею як нормальний продукт обміну (близько 0,5 г на добу). При ацидозі клітини нирок захоплюють із циркулюючої крові глутамін, зростає активність глутамінази і при гідролізі глутаміну звільняється аміак.

Нейтральні молекули аміаку вільно дифундують із клітин епітелію канальців нирок у сечу, де взаємодіють із іонами водню, утворюючи катіони амонію. Останні не здатні вільно проникати через мембрани, завдяки чому вони утворюють амонійні солі з фосфатами та аніонами органічних кислот, які виводяться із сечею. Одночасно цей процес дозволяє економити запаси в організмі іонів натрію, які при відсутності іонів амонію виводились би з аніонами кислоти. Адаптивному збільшенню утворення амо­нійних солей у відповідь на ацидоз сприяють також підвищений синтез глутаміну в печінці й надходження його в кров, підвищення захоплення глутаміну клітинами нирок, підвищений синтез у нирках глутамінази. При тяжких формах цукрового діабету вміст амонійних солей у сечі зростає в 10 разів і більше.

Основна кількість аміаку утворюється із амінокислот. Зворотний процес, тобто зв'язування аміаку з альфа-кетоглутаратом у реакції відновного амінування і наступне трансамінування може забезпечити синтез глутамату й інших за­мін­­них амінокислот, але в орга­нізмі людини по­тік азоту від амінокислот до аміаку значно переважає протилежний потік. Глутамін виконує функ­цію тра­нс­портної форми аміаку. Утворення й виділення солей амонію служать одним із механізмів регуляції кислотно-лужної рівноваги в організмі. Основний кінцевий продукт азотового обміну в людини, а також ссавців – сечовина.