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尿素循环

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尿素循环urea cycle),也称鸟氨酸循环ornithine cycle)是许多哺乳类动物的一个生物化学反应过程,由(NH3)生成尿素((NH2)2CO)。尿素循环将高毒性转化为尿素排泄[1]。这是人们第一个发现的代谢循环(汉斯·克雷布斯Hans Krebs)和Kurt Henseleit于1932年发现),比三羧酸循环的发现还早五年。

尿素循环学说是1932年,由汉斯·克雷布斯等人通过鼠肝切片体外试验结果提出的。后来为赖特纳等人完善。

哺乳动物中,尿素循环主要发生在肝脏中,而小范围发生在肾脏中。但在类和陆生蜥蜴中,转换得出的产物却是尿酸。鱼类并不需要转换氨,它们的身体直接与水接触,通过简单的扩散即可实现氨的清除。

尿素的生成场所是肝细胞hepatocyte)。循环一部分发生在线粒体内,另一部分发生在细胞质内,因此过程中需要转运

功能

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生物通常不能迅速方便的除去,必须将其转换为一些其他物质,如尿素尿酸,它们毒性更小。尿素循环反应将含的代谢产物,主要是将毒性较强的氨,转为较为无害的尿素或尿酸,前者会通过尿液排出。尿素循环的不足发生在某些遗传性疾病遗传性代谢缺陷),并且发生在肝功能衰竭。肝功能衰竭的结果是含氮废物,主要是氨的积累,从而导致肝性脑病

反应

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尿素循环包含五个反应:2个在线粒体中,3个在细胞质中。循环转换两个氨基(分别来自氨和天冬胺酸)和一个来自HCO3的碳原子,消耗四个“高能”磷酸键(3ATP水解成2ADP和1AMP),产生相对无毒的代谢产物尿素经尿排出体外。

鸟氨酸是这些碳和氮原子的载体。

尿素循环的反应
步骤 反应物 产物 催化酶 场所
1 NH3 + HCO3 + 2ATP 氨甲酰磷酸 + 2ADP + Pi CPS1 线粒体
2 氨甲酰磷酸 + 鸟氨酸 瓜氨酸 + Pi OTC 线粒体
3 瓜氨酸 + 天冬氨酸 + ATP 精氨基琥珀酸 + AMP + PPi ASS 细胞质
4 精氨基琥珀酸 Arg + 延胡索酸 ASL 细胞质
5 精氨酸 + H2O 鸟氨酸 + 尿素 ARG1 细胞质
尿素循环反应
尿素循环,循环一部分发生在线粒体内,另一部分发生在细胞质内。

因此,尿素循环的总方程式为:

因为延胡索(fumarate)是通过从天冬氨酸(aspartate)除去NH3(by means of reactions 3 and 4), 而且 PPi + H2O → 2 Pi,方程式可如下简化:

线粒体内的级联反应

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CPS I反应(通过氨基甲酰磷酸合成酶I催化):
  1. 碳酸氢盐会被磷酸化成为羧基磷酸,这也是它的激活过程(第一个消耗三磷酸腺苷反应)
  2. 羧基磷酸的磷酸基团分离后,氨基会加入,产物是氨基甲酸盐
  3. 氨基甲酸盐会被磷酸化激活(第二个消耗ATP反应)。

产物是氨基甲酰磷酸,它将作为循环胞浆部分的原料。但线粒体膜上并不存在将它运输到胞浆的转运蛋白,所以氨基甲酰磷酸会通过鸟氨酸-瓜氨酸的转化,达到离开线粒体到达胞浆的目的。

这两种氨基酸都是非蛋白质alpha-L-氨基酸。两者的区别正是一个氨基甲酸残基。氨基甲酰磷酸脱磷酸候会被转到鸟氨酸上,产物是瓜氨酸。催化的酶是氨甲酰基转移酶(Ornithin-Carbamoyl-Transferase)。

瓜氨酸会通过瓜氨酸转移酶到达胞浆。

胞浆内的级联反应

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瓜氨酸在胞浆会与天冬氨酸反应生成精氨基琥珀酸,催化的酶是精氨基琥珀酸合酶,反应消耗ATP。

精氨基琥珀酸分解成为延胡索酸精氨酸,催化的酶是精氨基琥珀酸裂解酶

在最后一步反应中,精氨酸酶催化精氨酸到鸟氨酸的反应。反应中消耗一分子水。

参考文献

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  1. ^ M., Cox, Michael. Lehninger principles of biochemistry. Freeman. 2013-01-01 [2017-07-02]. ISBN 9781429234146. OCLC 901647690. (原始内容存档于2020-05-26). 

外部链接

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