Lernergebnisse
- Gebräuchliche Abfälle und Abfallsysteme identifizieren
Von den vier wichtigsten Makromolekülen in biologischen Systemen enthalten sowohl Proteine als auch Nukleinsäuren Stickstoff. Beim Abbau von stickstoffhaltigen Makromolekülen werden Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff entzogen und in Form von Kohlenhydraten und Fetten gespeichert. Überschüssiger Stickstoff wird aus dem Körper ausgeschieden. Stickstoffhaltige Abfälle neigen zur Bildung von giftigem Ammoniak, das den pH-Wert der Körperflüssigkeiten anhebt. Die Bildung von Ammoniak selbst erfordert Energie in Form von ATP und große Mengen an Wasser, um es aus einem biologischen System zu verdünnen. Tiere, die in Gewässern leben, neigen dazu, Ammoniak in das Wasser abzugeben. Tiere, die Ammoniak ausscheiden, werden als ammonotisch bezeichnet. Terrestrische Organismen haben andere Mechanismen entwickelt, um stickstoffhaltige Abfälle auszuscheiden. Die Tiere müssen Ammoniak entgiften, indem sie es in eine relativ ungiftige Form wie Harnstoff oder Harnsäure umwandeln. Säugetiere, einschließlich des Menschen, produzieren Harnstoff, während Reptilien und viele wirbellose Landtiere Harnsäure produzieren. Tiere, die Harnstoff als primären stickstoffhaltigen Abfallstoff absondern, werden als ureotische Tiere bezeichnet.
Terrestrische Tiere: Der Harnstoffzyklus
Der Harnstoffzyklus ist der wichtigste Mechanismus, mit dem Säugetiere Ammoniak in Harnstoff umwandeln. Harnstoff wird in der Leber hergestellt und mit dem Urin ausgeschieden. Die chemische Gesamtreaktion, durch die Ammoniak in Harnstoff umgewandelt wird, ist 2 NH3 (Ammoniak) + CO2 + 3 ATP + H2O → H2N-CO-NH2 (Harnstoff) + 2 ADP + 4 Pi + AMP.
Der Harnstoffzyklus nutzt fünf Zwischenschritte, die von fünf verschiedenen Enzymen katalysiert werden, um Ammoniak in Harnstoff umzuwandeln, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Aminosäure L-Ornithin wird in verschiedene Zwischenprodukte umgewandelt, bevor sie am Ende des Harnstoffzyklus regeneriert wird. Daher wird der Harnstoffzyklus auch als Ornithinzyklus bezeichnet. Das Enzym Ornithintranscarbamylase katalysiert einen wichtigen Schritt im Harnstoffzyklus, und sein Mangel kann zu einer Anhäufung toxischer Ammoniakwerte im Körper führen. Die ersten beiden Reaktionen finden in den Mitochondrien und die letzten drei Reaktionen im Zytosol statt. Die Harnstoffkonzentration im Blut, der so genannte Blut-Harnstoff-Stickstoff oder BUN, wird als Indikator für die Nierenfunktion verwendet.
Abbildung 1. Der Harnstoffzyklus wandelt Ammoniak in Harnstoff um.
Ausscheidung von stickstoffhaltigen Abfällen
Die Evolutionstheorie besagt, dass das Leben in einer aquatischen Umgebung begann. Es ist nicht überraschend, dass sich biochemische Prozesse wie der Harnstoffzyklus entwickelt haben, um sich an eine sich verändernde Umwelt anzupassen, als sich terrestrische Lebensformen entwickelten. Trockene Bedingungen führten wahrscheinlich zur Entwicklung des Harnsäurezyklus, um Wasser zu sparen.
Vögel und Reptilien: Harnsäure
Vögel, Reptilien und die meisten terrestrischen Arthropoden wandeln giftiges Ammoniak in Harnsäure oder die eng verwandte Verbindung Guanin (Guano) anstelle von Harnstoff um. Auch Säugetiere bilden beim Abbau von Nukleinsäuren etwas Harnsäure. Harnsäure ist eine Verbindung, die den in Nukleinsäuren vorkommenden Purinen ähnlich ist. Sie ist wasserunlöslich und neigt dazu, eine weiße Paste oder ein Pulver zu bilden; sie wird von Vögeln, Insekten und Reptilien ausgeschieden. Die Umwandlung von Ammoniak in Harnsäure erfordert mehr Energie und ist sehr viel komplexer als die Umwandlung von Ammoniak in Harnstoff (Abbildung 2).
Abbildung 2. Stickstoffhaltige Abfälle werden in verschiedenen Formen von verschiedenen Arten ausgeschieden. Dazu gehören (a) Ammoniak, (b) Harnstoff und (c) Harnsäure. (Credit a: Modifizierung der Arbeit von Eric Engbretson, USFWS; Credit b: Modifizierung der Arbeit von B. „Moose“ Peterson, USFWS; Credit c: Modifizierung der Arbeit von Dave Menke, USFWS)
Gicht
Säugetiere verwenden Harnsäurekristalle als Antioxidans in ihren Zellen. Zu viel Harnsäure neigt jedoch zur Bildung von Nierensteinen und kann auch eine schmerzhafte Erkrankung namens Gicht verursachen, bei der sich Harnsäurekristalle in den Gelenken ansammeln, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Wahl von Lebensmitteln, die die Menge an stickstoffhaltigen Basen in der Ernährung reduzieren, trägt dazu bei, das Risiko von Gicht zu verringern. So enthalten beispielsweise Tee, Kaffee und Schokolade purinähnliche Verbindungen, so genannte Xanthine, die von Menschen mit Gicht und Nierensteinen gemieden werden sollten.
Abbildung 3. Gicht verursacht die Entzündung, die bei dieser Person im linken Großzehengelenk zu sehen ist. (credit: „Gonzosft“/Wikimedia Commons)
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