Learning Outcomes
- Identify common waste and waste systems
Biology systemにおける4大高分子のうち、タンパク質と核酸はともに窒素を含んでいます。 窒素を含む高分子の異化、または分解の際に、炭素、水素、および酸素が抽出され、炭水化物および脂肪の形で貯蔵される。 余分な窒素は体外に排泄されます。 窒素を含む老廃物は有毒なアンモニアを形成しやすく、体液のpHを上昇させる。 アンモニアの生成には、ATPというエネルギーと、生体系から希釈するための大量の水が必要です。 水域に生息する動物は、アンモニアを水中に放出する傾向があります。 アンモニアを排泄する動物はアンモニア性であると言われている。 陸上生物は、窒素系廃棄物を排泄する他の機構を進化させてきた。 アンモニアを尿素や尿酸のような比較的無毒な形に変換して無毒化する必要がある。 ヒトを含む哺乳類は尿素を生成するが、爬虫類や多くの陸上無脊椎動物は尿酸を生成する。 尿素を主な窒素性廃棄物として分泌する動物を尿素性動物と呼ぶ。
Terrestrial Animals: 尿素サイクル
尿素サイクルは、哺乳類がアンモニアを尿素に変換する主要なメカニズムである。 尿素は肝臓で作られ、尿中に排泄される。 アンモニアが尿素に変換される全体の化学反応は、2 NH3（アンモニア）＋CO2＋3 ATP＋H2O→H2N-CO-NH2（尿素）＋2 ADP＋4 Pi＋AMP
図1のように、5種類の酵素が触媒となって、アンモニアを尿素に変換する中間段階が利用される。 アミノ酸のL-オルニチンは、尿素サイクルの最後に再生される前に、異なる中間体に変換される。 したがって、尿素サイクルはオルニチンサイクルとも呼ばれる。 オルニチントランスカルバミラーゼという酵素は、尿素サイクルの重要なステップを触媒しており、これが欠乏すると、体内に有毒なレベルのアンモニアが蓄積されることになる。 最初の2つの反応はミトコンドリアで起こり、最後の3つの反応は細胞質で起こる。 血液中の尿素濃度は血中尿素窒素またはBUNと呼ばれ、腎機能の指標として用いられている
図1. 尿素サイクルはアンモニアを尿素に変換する。
窒素系廃棄物の排泄
進化論は、生命が水生環境で始まったと提唱しています。 陸上生物が進化したとき、環境の変化に適応するために尿素サイクルのような生化学的経路が進化したことは驚くにはあたらない。 乾燥した環境では、水を節約する手段として尿酸経路が進化したのでしょう。
Birds and Reptiles: 尿酸
鳥類、爬虫類、およびほとんどの陸上節足動物は、有毒なアンモニアを尿素の代わりに尿酸または近縁化合物のグアニン（guano）に変換します。 哺乳類も核酸を分解する際に尿酸を生成することがある。 尿酸は核酸に含まれるプリン体と類似した化合物である。 水に溶けにくく、白色のペースト状または粉末になりやすく、鳥類、昆虫、爬虫類などから排泄される。 アンモニアから尿酸への変換は、アンモニアから尿素への変換よりも多くのエネルギーを必要とし、非常に複雑である図2.
Figure 2. 窒素系廃棄物は生物種によって異なる形態で排泄される。 これらは、（a）アンモニア、（b）尿素、（c）尿酸などである。 (credit a: Eric Engbretson, USFWSによる作業の改変; credit b: B. “Moose” Peterson, USFWSによる作業の改変; credit c: Dave Menke, USFWSによる作業の改変)
Gout
哺乳動物は細胞内で抗酸化剤として尿酸結晶を用いている。 しかし、尿酸が多すぎると腎臓結石を作りやすく、また図3のように関節に尿酸の結晶が溜まって痛風と呼ばれる症状を起こすことがあります。 食事に含まれる窒素塩基の量を減らすような食品を選ぶと、痛風のリスクを減らすことができます。 例えば、お茶やコーヒー、チョコレートにはキサンチンと呼ばれるプリン体類似の化合物が含まれており、痛風や腎臓結石のある人は避けた方がよい。 この人の左足の母趾の関節に見える炎症は、痛風が原因です。 (credit: “Gonzosft”/Wikimedia Commons)
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