Risultati dell’apprendimento
- Identificare i rifiuti comuni e i sistemi di rifiuti
Delle quattro macromolecole principali nei sistemi biologici, sia le proteine che gli acidi nucleici contengono azoto. Durante il catabolismo, o scomposizione, delle macromolecole contenenti azoto, il carbonio, l’idrogeno e l’ossigeno vengono estratti e immagazzinati sotto forma di carboidrati e grassi. L’azoto in eccesso viene espulso dal corpo. I rifiuti azotati tendono a formare ammoniaca tossica, che alza il pH dei fluidi corporei. La formazione dell’ammoniaca stessa richiede energia sotto forma di ATP e grandi quantità di acqua per diluirla fuori da un sistema biologico. Gli animali che vivono in ambienti acquatici tendono a rilasciare ammoniaca nell’acqua. Gli animali che espellono ammoniaca sono detti ammonotelici. Gli organismi terrestri hanno evoluto altri meccanismi per espellere i rifiuti azotati. Gli animali devono disintossicare l’ammoniaca convertendola in una forma relativamente non tossica come l’urea o l’acido urico. I mammiferi, compreso l’uomo, producono urea, mentre i rettili e molti invertebrati terrestri producono acido urico. Gli animali che secernono urea come principale materiale di scarto azotato sono chiamati animali ureotelici.
Animali terrestri: Il ciclo dell’urea
Il ciclo dell’urea è il meccanismo principale con cui i mammiferi convertono l’ammoniaca in urea. L’urea è prodotta nel fegato ed escreta nelle urine. La reazione chimica complessiva con cui l’ammoniaca è convertita in urea è 2 NH3 (ammoniaca) + CO2 + 3 ATP + H2O → H2N-CO-NH2 (urea) + 2 ADP + 4 Pi + AMP.
Il ciclo dell’urea utilizza cinque passi intermedi, catalizzati da cinque diversi enzimi, per convertire l’ammoniaca in urea, come mostrato nella Figura 1. L’aminoacido L-ornitina viene convertito in diversi intermedi prima di essere rigenerato alla fine del ciclo dell’urea. Quindi, il ciclo dell’urea è anche chiamato ciclo dell’ornitina. L’enzima ornitina transcarbamilasi catalizza un passo chiave nel ciclo dell’urea e la sua carenza può portare all’accumulo di livelli tossici di ammoniaca nel corpo. Le prime due reazioni avvengono nei mitocondri e le ultime tre reazioni avvengono nel citosol. La concentrazione di urea nel sangue, chiamata azoto ureico nel sangue o BUN, è usata come indicatore della funzione renale.
Figura 1. Il ciclo dell’urea converte l’ammoniaca in urea.
Escrezione dei rifiuti azotati
La teoria dell’evoluzione propone che la vita sia iniziata in un ambiente acquatico. Non è sorprendente vedere che i percorsi biochimici come il ciclo dell’urea si sono evoluti per adattarsi ad un ambiente mutevole quando le forme di vita terrestri si sono evolute. Le condizioni aride hanno probabilmente portato all’evoluzione della via dell’acido urico come mezzo per conservare l’acqua.
Uccelli e rettili: Acido urico
Gli uccelli, i rettili e la maggior parte degli artropodi terrestri convertono l’ammoniaca tossica in acido urico o nel composto strettamente correlato guanina (guano) invece di urea. Anche i mammiferi formano un po’ di acido urico durante la scomposizione degli acidi nucleici. L’acido urico è un composto simile alle purine che si trovano negli acidi nucleici. È insolubile in acqua e tende a formare una pasta bianca o polvere; è escreto da uccelli, insetti e rettili. La conversione dell’ammoniaca in acido urico richiede più energia ed è molto più complessa della conversione dell’ammoniaca in urea Figura 2.
Figura 2. I rifiuti azotati sono escreti in forme diverse da specie diverse. Queste includono (a) ammoniaca, (b) urea e (c) acido urico. (credito a: modifica del lavoro di Eric Engbretson, USFWS; credito b: modifica del lavoro di B. “Moose” Peterson, USFWS; credito c: modifica del lavoro di Dave Menke, USFWS)
Gotta
I mammiferi usano cristalli di acido urico come antiossidante nelle loro cellule. Tuttavia, troppo acido urico tende a formare calcoli renali e può anche causare una condizione dolorosa chiamata gotta, dove i cristalli di acido urico si accumulano nelle articolazioni, come illustrato nella Figura 3. Le scelte alimentari che riducono la quantità di basi azotate nella dieta aiutano a ridurre il rischio di gotta. Per esempio, tè, caffè e cioccolato hanno composti simili alle purine, chiamati xantine, e dovrebbero essere evitati dalle persone con gotta e calcoli renali.
Figura 3. La gotta causa l’infiammazione visibile nell’articolazione dell’alluce sinistro di questa persona. (credit: “Gonzosft”/Wikimedia Commons)
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