Cykl mocznikowy

Cykl mocznikowy jest sekwencją reakcji enzymatycznych, w toku których grupy aminowe aminokwasów ulegają przemianie w mocznik

Głównym produktem wydalania azotu u zwierząt ureotelicznych (tj. ssaki, dorosłe płazy, spodouste) jest mocznik.

Mocznik powstaje w następstwie reakcji enzymatycznych z dwutlenku węgla - CO2 oraz amoniaku - NH3. Mechanizm tworzenia się tego związku ma charakter cykliczny, kolejnymi ogniwami są ornityna cytrulina i arginina.

Głównym miejscem, gdzie zachodzi cykl mocznikowy jest wątroba. Przekształcenie L-ornityny do L-cytruliny i synteza karbamoilofosforanu zachodzi w matriks mitochondrialnej, a pozostałe reakcje w cytoplazmie.

W 1932r. Hans Krebs i Kurt Henseleit sformułowali mechanizm cyklu mocznikowego - cykl ten był pierwszym w pełni poznanym cyklem metabolicznym). Przedstawili również jego sumaryczną reakcję:

Proces w całości jest endoergiczny, wymaga dostarczenia energii (o wartości ok. 58 kJ/mol). Dlatego niezbędny jest udział ATP - adenozynotrójfosforanu i karbamoilofosforanu - CP. (do wytworzenia jednej cząsteczki mocznika potrzebna jest hydroliza 4 wiązań makroergicznych z ATP)

Wyróżniamy dwa mechanizmy biosyntezy karbamoilofosforanu:
- u bakterii - prowadzi przez karbaminian amonowy, zgodnie z reakcjami:
- u ssaków i roślin wyższych - w przemianie uczestniczy syntetaza karbamoilofosforanowa, katalizująca reakcję:

U ssaków niezbędnym kofaktorem reakcji jest N-acetyloglutaminian - jest on efektorem allosterycznym (modyfikatorem) dla enzymu.

Kolejne etapy cyklu mocznikowego
Karbamoilofosforan uczestniczy w przemianie ornityny w cytrulinę i w reakcji tej jest dawcą gr. karbamoilowej i energii. Enzymem, który katalizuje przemianę związków jest karbamoilotransferaza ornitynowa - enzym ten nie zawiera żadnych dodatkowych kofaktorów i wykazuje specyficzność substratową.

Karbamoilotransferaza ornitynowa
ornityna → cytrulina

Ta reakcja jest odwracalna:
fosforyzacja substratowa
Karbamoilofosforan ← cytrulina

Z cytruliny powstaje jej forma enolowa (cytrulina pozostaje z nią w równowadze), która przy udziale ATP oraz jonu magnezu - Mg2+ ulega kondensacji z asparaginianem i powstaje argininobursztynian, który rozpada się do fumaranu i argininy (jest to reakcja odwracalna).

Ta przemiana jest katalizowana przez enzymy:
- syntetazę argininobursztynianową - współdziała ona z jonami magnezu Mg2+ i ATP (katalizuje przemianę argininobursztynian).
- liazę L-argininobursztynianową - ona katalizuje rozpad argininy do mocznika i ornityny. Ta reakcja jest nieodwracalna. Wytworzenie ornityny zamyka cały obrót cyklu.

Enzym arginaza (ureohydrolaza arginianowa) w stosunku do L-argininy wykazuje specyficzność absolutną (s. absolutna, czyli dotyczy określonego substratu) i wymaga kofaktora jonów Mn2+.Ten enzym prowadzi do hydrolitycznego rozpadu argininy do mocznika i ornityna i przez wytworzenie ostatniej zamyka obrót cyklu. Reakcja ta jest nieodwracalna co świadczy o nieodwracalności cyklu.

Wynikiem obrotu całego cyklu z organizmu wydzielone zostają dwie cząsteczki NH3. Jedna z nich pobierana jest ze środowiska, zaś druga pochodzi w grupy aminowej asparaginianu. Związanie 2 cząsteczek amoniaku odbywa się kosztem 3 cząsteczek ATP (czyli widoczny duży nakład energii).

Proces zachodzi w mitochondrium ze względu na duże zapotrzebowanie w ATP oraz na udział
- asparaginianu powstałego z szczawiooctanu → są to produkty pośrednie cyklu kwasów
- glutaminianu powstałego z 2-oksoglutaranu → trikarboksylowych

U roślin centralny punkt cyklu to arginina - stanowiąca rezerwę azotową, również produkt, w którym wiąże się szkodliwy nadmiar amoniaku.

Dokładniej wszystko zamieszczone jest w załączniku.