Amino Acids: Sự Loại Bỏ Nitrogen (Nitơ) (Phần 3)

V. Chu trình urea

Urea, (NH₂)₂CO, là dạng loại bỏ chính của các nhóm amino có nguồn gốc từ các amino acids và chiếm khoảng 90% các thành phần chứa nitrogen của nước tiểu. Một nitrogen của các phân tử urea được cung cấp bởi amoniac tự do và nitrogen còn lại là bởi aspartate. (Chú ý: Glutamate là tiền thân cuối cùng của cả nitrogen amoniac [thông qua sự khử amino oxy hóa bởi GDH] và aspartate [thông qua sự chuyển nhóm amino của oxaloacetate bởi AST]). Carbon và oxygen của urea có nguồn gốc từ CO₂ (dưới dạng HCO₃^–). Urea được sản xuất bởi gan và sau đó được vận chuyển trong máu (nitrogen urea máu) đến các thận để bài tiết trong nước tiểu.

A. Các phản ứng

Hai phản ứng đầu tiên dẫn đến sự tổng hợp của urea xảy ra trong chất nền ty thể, ngược lại, các enzymes còn lại của chu trình thì nằm trong bào tương (Hình 14). (Chú ý: Quá trình tân tạo đường và tổng hợp heme thì cũng liên quan với cả chất nền ty thể và bào tương).

urea-1 — **Hình 14** – Các phản ứng của chu trình urea. (Chú ý: Một kênh đối vận vận chuyển citrulline và ornithine qua màng trong ty thể). ADP = adenosine diphosphate; AMP = adenosine monophosphate; PP_i = pyrophosphate; P_i = inorganic phosphate (phosphate vô cơ); NAD(H) = nicotinamide adenine dinucleotide; MD = malate dehydrogenase.

1. Sự hình thành carbamoyl phosphate: Sự hình thành của carbamoyl phosphate bởi carbamoyl phosphate synthetase I (CPS I) được điều khiển bởi sự phân tách của hai phân tử ATP. Amoniac tích hợp vào trong carbamoyl phosphate được cung cấp chủ yếu bởi sự khử amin oxy hóa của glutamate bời GDH ty thể (Hình 11, phần 2). Cuối cùng, nguyên tử nitrogen có nguồn gốc từ amoniac này trở thành một trong số các nitrogens của urea. CPS I cần N-acetylglutamate (NAG) như là một chất hoạt hóa dị lập thể dương (Hình 14). (Chú ý: Carbamoyl phosphate synthetase II tham gia vào trong sự sinh tổng hợp của pyrimidines. Nó không yêu cầu NAG, sử dụng glutamine như là nguồn nitrogen và diễn ra trong bào tương).

2. Sự hình thành citrulline: Phần carbamoyl của carbamoyl phosphate được chuyển đến ornithine bởi ornithine transcarbamylase (OTC) khi phosphate được giải phóng dưới dạng phosphate vô cơ. Sản phẩm của phản ứng, citrulline, được vận chuyển đến bào tương. (Chú ý: Ornithine và citrulline di chuyển qua màng trong ty thể thông qua một kênh đối vận. Các amino acids có tính base này thì không được tích hợp vào trong các proteins tế bào bởi vì không có các codons cho chúng). Ornithine được tái tạo theo mỗi chu trình của chu trình urea, rất giống với cách mà oxaloacetate được tái tạo bởi các phản ứng của chu trình tricarboxylic acid (TCA).

3. Sự hình thành argininosuccinate: Argininosuccinate synthetase kết hợp citrulline với aspartate để hình thành nên argininosuccinate. Nhóm α-amino của aspartate cung cấp nitrogen thứ hai mà cuối cùng được tích hợp vào trong urea. Sự hình thành của argininosuccinate được điều khiển bởi sự phân tách của ATP thành adenosine monophosphate và pyrophosphate. Đây là phân tử ATP thứ ba và cũng là phân tử ATP cuối cùng được tiêu thụ trong sự hình thành của urea.

4. Sự phân tách argininosuccinate: Argininosuccinate được phân tách bởi argininosuccinate lyase để thu được arginine và fumarate. Arginine đóng vai trò như là tiền thân cuối cùng của urea. Fumarate được hydrate hóa thành malate, cung cấp một mối liên hệ với một số con đường chuyển hóa. Malate có thể được oxy hóa bởi malate dehydrogenase thành oxaloacetate, chất mà có thể được chuyển nhóm amino thành aspartate (Hình 8, phần 2) và đi vào trong chu trình urea (Hình 14). Ngoài ra, malate có thể được vận chuyển vào trong ty thể thông qua chất vận chuyển qua lại malate-aspartate (malate-aspartate shuttle), vào lại chu trình TCA và bị oxy hóa thành oxaloacetate, chất mà có thể được sử dụng cho quá trình tân tạo đường. (Chú ý: Sự oxy hóa malate tạo thành NADH cho sự phosphoryl hóa oxy hóa, bằng cách đó, giảm năng lượng tiêu tốn của chu trình urea).

5. Sự phân tách arginine thành ornithine và urea: Arginase-1 thủy phân arginine thành ornithine và urea và hầu như hoàn toàn diễn ra ở gan. Vì thế, chỉ gan có thể phân tách arginine, bằng cách đó, tổng hợp urea, ngược lại, các mô khác, như thân, có thể tổng hợp arginine từ citrulline. (Chú ý: Arginase-II trong các thận kiểm soát mức có sẵn của arginine cho sự tổng hợp nitric oxide).

6. Số phận của urea: Urea khuếch tán khỏi gan và được vận chuyển vào trong máu đến các thận, nơi mà nó được lọc và đươc bài tiết vào trong nước tiểu. Một phần của urea khuếch tán từ máu vào trong ruột và được phân tách thành CO₂ và amoniac bởi urease của vi khuẩn. Amoniac bị mất một phần trong phân và được tái hấp thu một phần vào trong máu. Ở những bệnh nhân bị suy thận, các mức urea huyết tương tăng lên, làm tăng sự vận chuyển của urea từ máu vào trong ruột. Hoạt động urease của ruột đối với urea trở thành một nguồn amoniac quan trọng về mặt lâm sàng, đóng góp vào tình trạng tăng ammonia máu (hyperammonemia) thường được quan sát thấy ở các bệnh nhân này. Sử dụng các kháng sinh đường uống để làm giảm số lượng vi khuẩn đường ruột chịu trách nhiệm cho sự sản xuất amoniac này.

B. Sự tỷ lượng nhìn chung

Bởi vì 4 liên kết phosphate cao năng được tiêu thụ trong sự tổng hợp của mỗi phân tử urea nên sự tổng hợp urea là quá trình không thể đảo ngược, với một ΔG âm nhiều. Một nitrogen của phân tử urea được cung cấp bởi amoniac tự do và nitroge còn lại được cung cấp bởi aspartate. Glutamate là tiền thân cuối cùng của cả nitrogen amoniac (thông qua sự khử amino oxy hóa bởi GDH) và aspartate (thông qua sự chuyển nhóm amino của oxaloacetate bởi AST). Trong thực tế, cả hai nguyên tử nitrogen của urea đều có nguồn gốc từ glutamate, mà tính đến cuối cùng, là nhờ thu được từ các amino acids khác nhau (Hình 15).

urea-2 — **Hình 15** – Dòng nitrogen từ amino acids đến urea. Các nhóm amino cho sự tổng hợp urea được thu nhận ở dạng amoniac (NH₃) và aspartate. NAD(H) = nicotinamide adenine dinucleotide; HCO₃^– = bicarbonate.

C. Sự điều hòa

NAG là một chất hoạt hóa thiết yếu đối với CPS I, bước giới hạn tốc độ trong chu trình urea. Nó làm tăng ái tính của CPS I đối với ATP. NAG được tổng hợp từ acetyl CoA và glutamate bởi N-acetylglutamate synthase (NAGS), như được thể hiện trong Hình 16, trong một phản ứng mà arginine đóng vai trò là một chất hoạt hóa. Chu trình cũng được điều hòa bởi sự có mặt sẵn của cơ chất (substrate availability) (sự điều hòa ngắn hạn) và sự cảm ứng enzyme (enzyme induction) (sự điều hòa dài hạn).