Hos krypdyr, fugler og insekter blir overskudd av nitrogen utskilt som urinsyre.
Første trinn i ureasyklus er assimilering av ammonium sammen med hydrogenkarbonat (HCO3-) fra cellerespirsjonen inn i karbamoylfosfat katalysert av enzymet karbamoylfosfat syntetase I. Reaksjonen skjer i mitkondriene i leverceller (hepatocytter):
NH4+ + HCO3- + 2ATP → karbamoylfosfat + 2ADP + Pi
Karbamoylfosfat syntetase II er et isoenzym i cytosol, men dette enzymet har til oppgave å delta i biosyntesen av pyrimidiner.
Neste trinn i ureasyklus er også lokalisert til matriks i mitokondriene, en reaksjon mellom aminosyren ornitin og karbamoylfosfat som danner aminosyren citrullin, katalysert av ornithin transkarbamoylase. Pi er uorganisk fosfat:
karbamoylfosfat + ornitin → citrullin + Pi
Citrullin blir fraktet ut i cytosol i levercellene hvor resten av reaksjonene i ureasyklus er lokalisert. Ornitin er eksempel på en ikke-proteinaminosyre, altså ikke en av de 20 aminosyrene som inngår i protein. Ornitin hører med til glutamatfamilien av aminosyrer og blir laget fra aminosyren glutamat. Ornitin har lignende funksjon som oksalacetat i sitronsyresuklus.
Citrullin reagerer med ATP og danner et intermediat citrullyl-AMP og som derette reagerer med aminosyren aspartat og danner argininosuccinat, katalysert av argininosuccinat syntetase:
citrullin + ATP + aspartat → argininosuccinat + AMP + PPi
Aspartat blir brukt som aminodonor til det andre aminogruppen i urea. Argininosuccinat avgir fumarat og danner aminosyren L-arginin, katalysert av argininosuccinase:
argininosuccinat → arginin + fumarat
Enzymet arginase bruker mangan (Mn2+) som kofaktor og spalter arginin til urea og ornitin
arginin + H2O → urea + ornitin
Arginase er det siste enzymet i ureasyklus og finnes i alle livsformer. Pattedyr har forskjellige isoenzymer av arginase. Arginase I finnes i leverceller (hepatocytter) og deltar i ureasyklus. Arginase II finnes i mitokondriene og deltar i regulering av mengden arginin og ornitin. Arginin blir også brukt til å lage signalmolekylet nitrogenmonoksid (NO). Arginase II og nitrogenoksid (NO) syntase i glatt muskelvev konkurrerer begge om arginin som substrat.
Ornitin blir fraktet fra cytosol inn i mitokondriene hvor det på nytt kan inngå i syklusen.
Enzymet glutamat dehydrogenase i lever hos pattedyr har spesielle reguleringsegenskaper og katalyserer en oksidativ deaminering som danner α-ketoglutarat (2-oksoglutarat), samt ammonium som deretter går inn i ureasyklus:
glutamat + NAD(P)+ + H2O ⇔ α-ketoglutarat + NH4+ + NAD(P)H
Genereralt har aminosyrene glutamat og glutamin en viktig funksjon av transport av ammonium til lever, koblet til enzymene glutamin syntetase,
L-glutamat + ATP + NH4+ ⇔ L-glutamin + ADP + Pi
samt glutaminase i lever:
L-glutamin + H2O ⇔ L- glutamat + NH4+
Aminosyren L-alanin deltar i transport av ammonium fra nedbrytning av aminosyrer til lever (glukose-alaninsyklus). Pyruvat fra nedbrytning av glukose i musklene gir pyruvat som via enzymet alanin aminotransferase transamineres til aminosyren alanin. Alanin blir fraktet til lever. Alanin omsettes der tilbake til glutamat som deretter kan frigi ammonium
pyruvat + glutamat ⇔ α-ketoglutarat + alanin
Dyr er heterotrofe og kan benytte aminosyrene i protein som energikilde, med ammonium som giftig biprodukt. Plantene har derimot ammoniumassimilasjon som inkorporerer redusert nitrogen i form av ammonium inn i organiske forbindelser for å bygge opp planten.
Kobling ureasyklus til andre omsetningsveier
Det er en nær kobling mellom sitronsyresyklus og ureasyklus siden disse har flere felles metabolitter. Aminosyren aspartat inngår i ureasyklus og aspartat aminotransferase gir kobling til sitronsyresyklus via oksaleddiksyre. Det samme gjelder koblingen glutamat og 2-oksoglutarat (α-ketoglutarat) i transamineringsreaksjoner. I ureasyklus blir det produsert fumarat , som også er intermediat i sitronsyresyklus. Det er flere transportører i den indre mitokondriemembranen som kobler sammen metabolittene i cytosol med mitokondriematrisk. Det er dessuten en malat-aspartatskyttel som deltar i kobling mellom omsetningsveiene. Analogi til en skyttel: I en vev skyves skyttelen med tråd fram og tilbake i trådrenningen, og tråden fra skyttelen blir presset sammen med skyvebommen. Malat dehydrogenase og fumarase har isoenzymer både i mitokondrier og cytosol. Fumarat i cytosol fra ureasyklus kan derved omsettes til malat (eplesyre) katalysert av fumarase (fumarat dehydratase):
fumarat + H2O ⇔ malat
Enzymet malat dehydrogenase kan utføre motsatt reaksjon i cytosol sammenlignet med sitronsyresyklus:
oksaloacetat + NADH+ H+ ⇔ malat + NAD+
Aspartat er koblet til oksaloacetat via enzymet aspartat aminotransferase, som fletter syklusene sammen i et fleksibelt system, sammen med transportørene i indre mitokondriemembran (aspartat-glutamat transpotør, glutamat-H+ transportør, malat-2-oksoglutarat transportør).
Regulering av ureasyklus
Aktiviteten i ureasyklus blir styrt av mengden protein som inngår i maten til pattedyret. Høyt proteininnhold og nukleinsyrer i kosten gir stort behov for en aktiv ureasyklus. Reguleringen skjer både på gennivå i mengde enzym som blir laget, men også regulering av enzymaktiviteter Karbamolylfosfat syntetase I er et allosterisk reguleringsenzym og blir aktivert av N-acetyl-glutamat. N-acetylglutamat blir laget av enzymet N-acetylglutamat syntase, som blir aktivert av aminosyren arginin.
N-acetylglutamat syntase katalyserer en reaksjon mellom acetyl-CoA og glutamat:
glutamat + acetyl-CoA ⇔ N-acetylglutamat + CoA-SH
Urea hos planter
De fleste av aminosyrene som inngår i ureasyklus er funnet i planter, selv om de har en noe annen funksjon. Planter tilpasset å vokse på sur jord eller i sump med dårlig oksygentilgang kan bruke urea som nitrogenkilde. Urea kan tas opp av plantene direkte, eller som ammonium når urea blir spaltet i jorden av mikroorganismer. Ureagjødsel blir brukt til å gjødsle granskog, eller rismarker. Aminosyren arginin inneholder mye nitrogen, og kan bli brukt som transportform av nitrogen i plantene, sammen med glutamin og asparagin. Arginin blir spaltet av enzymet arginase til urea og ornitin. Arginin er en proteinaminosyre, men kan også brukes til å lage polyaminer.
Litteratur
Wikipedia