Транспорт та знешкодження амоніаку

Джерела амоніаку

Амоніак - це кінцевий продукт катаболізму амінокислот.
Взагалі, амоніак має формулу NH₃, однак майже відразу сюди прикріплюється протон гідрогену, і в результаті у нас утворюється NH₄⁺.І ось майже весь амоніак в нашому організмі має іонізовану форму.Тому далі я буду зображувати амоніак саме ось так.
Амоніак може утворюватись в результаті наступних реакцій:

• Дезамінування глутаміну під дією ферменту глутамінази(глутамін дезаміназа), в результаті у нас утворюється глутамат.Найінтенсивніше відбувається в печінці та нирках.
• Дезамінування глутамату під дією глутамат дегідрогенази.Цей процес відбувається найінтенсивніше в мітохондріях печінки та нирок, але не відбувається взагалі в скелетних м'язах(за рахунок відсутності данного ферменту).І кінцевим продуктом реакції у нас утворюється α-кетоглутарат.
• Розпад азотистих основ.Детальніше про цей процес Ви можете почитати ось тут.
• Розпад біогенних амінів(гістаміну, ГАМК, серотоніну, дофаміну) відбувається найінтенсивніше в клітинах нервової тканини, під дією ферменту моноамін оксидази, коферментом для якої слугує НАДФ⁺, який в результаті відновлюється до НАДФН.В результаті цієї реакції у нас утворюються відповідний альдегід та амоніак.
• Дезамінування аспарагіну під дією аспаргін дезаміни, в результаті утворюються аспартат та амоніак.Відбувається в печінці, однак порівняно з дезамінуванням глутаміну, то цей процес не такий і важливий.
• Мікрофлота ШКТ.В нашому товстому кишечнику живуть бактерії симбіонти, які стимулюють "бродіння" неперетравлених компонентів їжі(білки, нуклеотиди).Так ось, в результаті цих реакцій може також утворюватись певна кількість амоніаку.Потім цей амоніак потрапляє в ентероцити.

Цей амоніак токсичний для всіх наших тканин, тому його не можна тримати у такому вільному вигляді. Нам його потрібно нейтралізувати, і аж потім транспортувати до печінки.Для цього нам потрібно утворити транспортні форми амоніаку.Основними такими формами являються наступні амінокислоти: аланін, глутамін, аспарагін.

Транспорт амоніаку

Насамперед, навіщо взагалі транспортувати цей амоніак?
Амоніак утворюється в процесі життєдіяльності будь-яких клітин: м'язи, нейрони, ентероцити, епітелій, фібробласти - все що тільки може бути.
Наприклад, під час інтенсивної роботи м'язів, в останніх активуються реакції розпаду азотистих основ, в результаті чого у нас утворюється вільний амоніак, який токсичний для клітини, хоча б за рахунок того, що він порушує транспорт іонів між внутрішньоклітинним та міжклітинним середовищами.
Цей амоніак нам потрібно якось нейтралізувати, щоб він не міг нанести ніякої шкоди.
І ось у нас є декілька шляхів:

• Глутамін
• Аспарагін

Спочатку поглянемо на те, як утворюється глутамін.
Ми знаємо, що одним із проміжних продуктів циклу Кребса являється α-кетоглутарат.Ця речовина може провзаємодіяти з будь-якою амінокислотою(але якщо у випадку з м'язами, то це як правило амінокислоти з розгалуженим радикалом(BCAA)), тобто відбувається реакція трансамінування.Ми знаємо, що в процесі цієї реакції, речовини обмінюються своїми функціональними групами(амінокислота віддає аміногрупу, а кетокислота - кето-групу), в результаті у нас утворюється нова амінокислота - глутамат, а стара амінокислота перетворюється в кетокислоту.Нам не важливо, яка утворилась кетокислота, нам потрібен саме глутамат.
Є фермент, який має назву глутамін синтетази.Цей фермент бере і об'єднує глутамат з амоніаком(якого в клітині багато), але при цьому використовується енергія АТФ, в результаті чого ця молекула перетворюється в АДФ(ось тут запам'ятайте цей момент).І кінцевим продуктом реакції у нас утворюється глутамін.І далі глутамін тікає в кров і прямує до печінки.Якщо комусь цікаво, то глутамін найінтенсивніше утворюється при роботі м'язових волокон першого типу.

Тепер стосовно аспарагіну.
Кінцевим продуктом циклу Кребса являється оксалоацетат.Ця речовина виходить з матриксу мітохондрії в цитоплазму.Тут знову ж таки є якась амінокислота.За аналогією з минулим прикладом, відбувається реакція трансамінування, в результаті чого оксалоацетат перетворюється в аспартат.Можна було б аспартат випхати в кров, але в цьому сенс мінімальний.Нам потрібно на цей аспартат почепити амоніак, який просто плаває в цитоплазмі.Це можна зробити за допомогою ферменту аспарагін синтетази.Знову ж таки, цей фермент бере аспартат та амоніак і об'єднує їх з утворення аспарагіну, як джерело енергії використовує молекулу АТФ, однак відщеплює від неї два фосфатних залишки, тобто, утворюється АМФ.
При синтезі глутаміну АТФ перетворювалось в АДФ(розривався один макроергічний зв'язок), а при синтезі аспарагіну, АТФ перетворювалось в АМФ(розривається два макроергічних зв'язки).Коротше кажучи, клітині не вигідно утворювати аспарагін.Тому, вклад аспарагіну, як транспортної форми амоніаку - незначний.

Цикл Корі

Скоріш за все, цей процес більш пов'язаний з волокнами скелетних м'язів другого типу.
В результаті гліколізу, глюкоза перетворюється в піруват.
В клітину потрапляють амінокислоти.І як уже заведено, у нас відбувається реакція трансамінування.Тобто, піруват перетворюється в аланін, а про кетокислоту можна забути.
Ось цей аланін виходить в кров(впринципі, аланін також можна вважати однієї із форм транспорту амоніаку) і навалює в печінку.
В гепатоцитах відбувається повністю зворотня реакція: аланін взаємодіє з кетокислотою(найчастіше це кетоглутарат, неочікувано, правда?), тобто, відбувається реакція трансамінування - утворюється піруват та амінокислота.Цей піруват вступає в глюконеогенез - утворюється глюкоза.До речі, це відбувається ЛИШЕ В ПЕЧІНЦІ.
Ця глюкоза тікає з печінки, потрапляє в кров і навалює назад в м'язи: в м'язах знову відбувається гліколіз - утворюється піруват - відбувається трансамінування - аланін прямує в печінку...
І ось це має назву глюкозо-аланінового циклу, або ж циклу Корі.

Орнітиновий цикл

Ось в печінку прийшли глутамін та аспарагін.Тут відбуваються реакції дезамінування цих амінокислот(дивись самий перший розділ) - вивільняється амоніак.
І ось цей амоніак нам потрібно перетворити в сечовину.І не плутайте сечовину і сечову кислоту - це разні вєщі.
Для утворення сечовини у нас існує орнітиновий цикл.

Спочатку все відбувається в матриксі мітохондрії:
нам потрібні амоніак, вуглекислий газ, дві молекули АТФ та фермент.Фермент називається карбомоїлфосфат синтетазою І(якшо ти не скажеш карбомоїл фосфат синтетаза ОДИН, то прєпод тобі поставить ДВА).
Цей фермент бере і об'єднує амоніак з вуглекислим газом, при цьому використовується дві молекули АТФ.Один фосфатний залишок просто відщеплюється і плаває десь там, а інший фосфатний залишок прикріплюється до новоутвореної молекули.В результаті реакції, кінцевим продуктом являється карбомоїл фосфат та дві молекули АДФ.

Далі, на внутрішній мембрані мітохондрії у нас є спеціальний білок транспортер, який пропускає орнітин з цитоплазми клітини в матрикс мітохондрії.
Ви зараз будете в шоці, але орнітин - це амінокислота, яку ми ще раніше не зустрічали(і чомусь в телеграм каналі її також немає).Пояснюю на пальцях: в природі дуже багато амінокислот(більше, чим IQ у автора), але для синтезу білків людського організму ми використовуємо ЛИШЕ 20.Інші амінокислоти Є в нашому організмі, але вони не підходять для синтезу білків.
Так ось, цей орнітин потрапляє в матрикс мітохондрії, тут є фермент орнітин карбомоїл трансфераза, який просто бере і відщеплює фосфатну групу від карбомоїлфосфату, і ось це що утворилось просто бере і прикріплює до орнітину - утворюється цитрулін.
Далі, для нашого цитруліну є спеціальний канал на внутрішній мембрані мітохондрії, через який він просто тікає в цитоплазму.І ось тепер, всі подальші реакції будуть відбуватись в цитоплазмі клітини.

Цитрулін об'єднується з аспартатом(ми вже поговорили, як він утворюється) - утворюється аргініносукцинат.Цю реакція каталізує фермент аргініносукцинат синтетаза.Навіть горшок зрозуміє, що якщо фермент синтетаза, то тут нам потрібна енергія АТФ - утворюється АДФ.Продукт реакції має таку назву, бо одна частина схожа на аргінін, а інша - на сукцинат(на картинці буде видно, якшо картинка взагалі буде).
Далі відбувається все доволі логічно: фермент аргініносукцинат ліаза бере і відщеплює ось цей "залишок сукцинату", але у вигляді фумарату.При цьому не використовується ніяка енергія, бо фермент із класу ліаз.Кінцевим продуктом реакції у нас утворюється аргінін.
Далі, від цього аргініну відщеплюється його "верхня частинка" - утворюється сечовина.Ось цю реакцію каталізує фермент аргіназа.І кінцевим продуктом реакції у нас утворюється орнітин.І ось цей орнітин може знову бути використаний для синтезу цитруліну.Тому це називається орнітиновим циклом.

Виведення амоніаку

Далі сечовина просто прямує в кров, фільтрується нирками і виводиться разом з сечею.
Однак є ще один варіант виведення амоніаку: амонійні солі.
Глутамін або аспарагін прямують в нирки, де відбуваються реакції їх розпаду - вивільняється амоніак.
Цей амоніак за допомогою систем антипорту потрапляє в просвіт збірних трубочок(або дистальних звивистих канальців, приблизно десь тут).Тут у нас є різні аніони: хлор, лактат, оксалати, фосфати, сульфати і так далі.Цей амоніак об'єднується з цими аніонами, в результаті утворюються амонійні солі, які далі просто виводяться з сечею.Цей спосіб позбавлення від амоніаку грає зовсім НЕ ключову роль(приблизно 10% амоніаку виводиться таким чином), але все ж таки я вирішив про нього розповісти.

Токсичність амоніаку

По-перше, для синтезу глутамату нам потрібен α-кетоглутарат та амоніак.Якщо в нас буде дуже багато амоніаку, то синтез глутамату буде відбуватись інтенсивніше(за рахунок доступності субстратів), відповідно, зменшиться кількість α-кетоглутарату, що призведе до порушення продукції енергії клітинами.
По-друге, амоніак в своїх великих концентраціях може викликати підвищення pH крові(алкалоз), що також призводить до такої ситуації, що гемоглобін дуже тісно зв'язується з киснем і не хоче його віддавати клітинам - виникає гіпоксія.
По-третє, при накопичені ІОНІВ амонію в клітині, останній починає пригнічувати роботу іонних насосів(Na/K АТФази, наприклад).
По-шосте, чим більше амоніаку, тим більше глутаміну.Глутамін має здатність притягувати воду в клітини, що призводить до набряку.