41.4: Азотисті відходи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1670

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Порівняйте та порівняйте спосіб, яким водні тварини та наземні тварини можуть усунути токсичний аміак зі своїх систем
Порівняйте основний побічний продукт метаболізму аміаку у хребетних тварин з птахами, комахами та рептиліями

З чотирьох основних макромолекул в біологічних системах як білки, так і нуклеїнові кислоти містять азот. Під час катаболізму, або розпаду азотсодержащих макромолекул, вуглець, водень і кисень витягуються і зберігаються у вигляді вуглеводів і жирів. Надлишок азоту виводиться з організму. Азотисті відходи мають тенденцію до утворення токсичного аміаку, який підвищує рН рідин організму. Утворення аміаку саме по собі вимагає енергії у вигляді АТФ і великої кількості води для розведення його з біологічної системи. Тварини, які живуть у водному середовищі, мають тенденцію виділяти аміак у воду. Тварини, які виділяють аміак, кажуть, є амонотелічними. Наземні організми розробили інші механізми виведення азотистих відходів. Тварини повинні детоксикувати аміак шляхом перетворення його у відносно нетоксичну форму, таку як сечовина або сечова кислота. Ссавці, включаючи людину, виробляють сечовину, тоді як плазуни і багато наземних безхребетних виробляють сечову кислоту. Тварин, які виділяють сечовину як первинний азотистий відхід, називають уреотелічними тваринами.

Азотисті відходи у наземних тварин: цикл сечовини

Цикл сечовини є основним механізмом, за допомогою якого ссавці перетворюють аміак в сечовину. Сечовина виробляється в печінці і виводиться з сечею. Загальна хімічна реакція, за допомогою якої аміак перетворюється в сечовину, становить 2 NH ₃ (аміак) + СО ₂ + 3 АТФ + H ₂ O → H ₂ N-CO-NH ₂ (сечовина) + 2 ADP + 4 P _i + AMP.

Цикл сечовини використовує п'ять проміжних етапів, каталізованих п'ятьма різними ферментами, для перетворення аміаку в сечовину, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Амінокислота L-орнітин перетворюється в різні проміжні продукти перед регенерацією в кінці циклу сечовини. Отже, цикл сечовини також називають циклом орнітину. Фермент орнітинтранскарбамілаза каталізує ключовий етап циклу сечовини, і його дефіцит може призвести до накопичення токсичних рівнів аміаку в організмі. Перші дві реакції відбуваються в мітохондріях і останні три реакції відбуваються в цитозолі. Концентрація сечовини в крові, звана азотом сечовини крові або БАН, використовується як показник функції нирок.

Цикл сечовини починається в мітохондріоні, де бікарбонат (HCO3) поєднується з аміаком (NH3) для отримання карбамоїлфосфату. У процесі використовуються два АТФ. Орнітин транскарбамілаза додає карбамоїлфосфат до п'ятивуглецевої амінокислоти під назвою орнітин, щоб зробити L-цитрулін. L-цитрулін залишає мітохондріон, а фермент під назвою аргіносукцинат-синтетаза додає до нього чотиривуглецеву амінокислоту під назвою L-аспартат, щоб зробити аргіносукцинат. В процесі один АТФ перетворюється в AMP і PPI. Аргіносукцинат-ліаза видаляє чотиривуглецеву молекулу фумарату з аргіносукцинату, утворюючи шестивуглецеву амінокислоту L-аргінін. Аргіназа-1 видаляє молекулу сечовини з L-аргініну, утворюючи в процесі орнітин. Сечовина має один вуглець, подвійний зв'язаний з киснем і однозв'язаний з двома аміачними групами. Орнітин потрапляє в мітохондріон, завершуючи цикл. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Цикл сечовини перетворює аміак в сечовину.

Еволюційний зв'язок: виведення азотистих відходів

Теорія еволюції передбачає, що життя почалося у водному середовищі. Не дивно бачити, що біохімічні шляхи, такі як цикл сечовини, еволюціонували, щоб адаптуватися до мінливого середовища, коли еволюціонували земні форми життя. Посушливі умови, ймовірно, призвели до еволюції сечового кислотного шляху як засобу збереження води.

Азотисті відходи у птахів та рептилій: Сечова кислота

Птахи, рептилії та більшість наземних членистоногих перетворюють токсичний аміак у сечову кислоту або тісно пов'язану сполуку гуанін (гуано) замість сечовини. Ссавці також утворюють деяку кількість сечової кислоти при розщепленні нуклеїнових кислот. Сечова кислота - це з'єднання, схоже на пурини, що містяться в нуклеїнових кислотах. Він нерозчинний у воді і має тенденцію утворювати білу пасту або порошок; він виводиться птахами, комахами та рептиліями. Перетворення аміаку в сечову кислоту вимагає більше енергії і є набагато складнішим, ніж перетворення аміаку в сечовину Рисунок\(\PageIndex{2}\).

Частина А показує фото прісноводної риби і стверджує, що багато безхребетних і водних видів виділяють аміак. Хімічна структура аміаку - NH3. Частина B показує фотографію деревного щура і стверджує, що ссавці, багато дорослих земноводних та деякі морські види виділяють сечовину. Показано хімічну структуру сечовини. Сечовина має дві групи NH2, прикріплені до центрального вуглецю. Кисень також подвійно пов'язаний з цим центральним вуглецем. Частина С показує фото голуба і говорить про те, що комахи, наземні равлики, птахи і багато плазунів виділяють сечову кислоту. Показана хімічна будова сечової кислоти. Сечова кислота має шестичленне вуглецеве кільце, прикріплене до п'ятичленного кільця. Кожне кільце має дві групи NH, вбудовані в нього. Кисень подвійно пов'язаний з кожним кільцем. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Азотисті відходи виводяться в різних формах різними видами. До них відносяться (а) аміак, (б) сечовина і (в) сечова кислота. (Кредит а: модифікація роботи Еріка Енгбретсона, USFWS; кредит б: модифікація роботи Б. «Лось» Петерсон, USFWS; кредит c: модифікація роботи Дейва Менке, USFWS)

Щоденне з'єднання: Подагра

Ссавці використовують кристали сечової кислоти як антиоксидант у своїх клітині. Однак занадто багато сечової кислоти має тенденцію до утворення каменів у нирках, а також може спричинити хворобливий стан, який називається подагрою, коли кристали сечової кислоти накопичуються в суглобах, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Вибір їжі, що зменшує кількість азотистих основ в раціоні, сприяє зниженню ризику подагри. Наприклад, чай, кава та шоколад мають пуриноподібні сполуки, звані ксантинами, і їх слід уникати людям з подагрою та каменями в нирках.

На фото зображений опухлий і червоний палець ноги. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Подагра викликає запалення, видиме в лівому суглобі великого пальця ноги цієї людини. (кредит: «Гонзофт» /Вікісховище)

Резюме

Аміак - це відходи, що утворюються в результаті метаболізму азотовмісних сполук, таких як білки та нуклеїнові кислоти. Хоча водні тварини можуть легко виділяти аміак у своє водне оточення, наземні тварини розробили спеціальні механізми для усунення токсичного аміаку зі своїх систем. Сечовина є основним побічним продуктом метаболізму аміаку у хребетних тварин. Сечова кислота є основним побічним продуктом обміну аміаку у птахів, наземних членистоногих і плазунів.

Глосарій

нашатирний спирт: з'єднання з одного атома азоту і трьох атомів водню

амонотелічний: описує тварину, яка виділяє аміак як первинний відходи

антиоксидант: засіб, що запобігає руйнуванню клітин активними формами кисню

азоту сечовини крові (BUN): оцінка сечовини в крові і показник функції нирок

цикл сечовини: шлях, за допомогою якого аміак перетворюється в сечовину

уреотелічних: описує тварин, які виділяють сечовину як первинні азотисті відходи

сечова кислота: побічний продукт обміну аміаку у птахів, комах та рептилій