Learning Outcomes
- Identify common wastes and waste systems
Of the four major macromolecules in biological systems, both proteins and nucleic acids contain nitrogen. Podczas katabolizmu lub rozpadu makrocząsteczek zawierających azot, węgiel, wodór i tlen są ekstrahowane i przechowywane w postaci węglowodanów i tłuszczów. Nadmiar azotu jest wydalany z organizmu. Odpady azotowe mają tendencję do tworzenia toksycznego amoniaku, który podnosi pH płynów ustrojowych. Samo tworzenie się amoniaku wymaga energii w postaci ATP i dużych ilości wody, aby rozcieńczyć go z systemu biologicznego. Zwierzęta, które żyją w środowisku wodnym mają tendencję do uwalniania amoniaku do wody. Zwierzęta, które wydalają amoniak, są określane jako amonoteliczne. Organizmy lądowe wykształciły inne mechanizmy wydalania odpadów azotowych. Zwierzęta muszą detoksykować amoniak poprzez przekształcanie go w stosunkowo nietoksyczną formę, taką jak mocznik lub kwas moczowy. Ssaki, w tym ludzie, produkują mocznik, podczas gdy gady i wiele bezkręgowców lądowych produkuje kwas moczowy. Zwierzęta, które wydzielają mocznik jako podstawowy azotowy materiał odpadowy, nazywane są zwierzętami ureotelicznymi.
Zwierzęta lądowe: The Urea Cycle
Cykl mocznikowy jest podstawowym mechanizmem, przez który ssaki przekształcają amoniak w mocznik. Mocznik jest wytwarzany w wątrobie i wydalany z moczem. Ogólna reakcja chemiczna, w której amoniak jest przekształcany w mocznik, to 2 NH3 (amoniak) + CO2 + 3 ATP + H2O → H2N-CO-NH2 (mocznik) + 2 ADP + 4 Pi + AMP.
Cykl mocznikowy wykorzystuje pięć etapów pośrednich, katalizowanych przez pięć różnych enzymów, w celu przekształcenia amoniaku w mocznik, jak pokazano na rysunku 1. Aminokwas L-ornityna zostaje przekształcony w różne produkty pośrednie, zanim zostanie zregenerowany na końcu cyklu mocznikowego. Dlatego też cykl mocznikowy jest również określany jako cykl ornitynowy. Enzym transkarbamylaza ornityny katalizuje kluczowy etap w cyklu mocznikowym, a jego niedobór może prowadzić do nagromadzenia toksycznych poziomów amoniaku w organizmie. Dwie pierwsze reakcje zachodzą w mitochondriach, a trzy ostatnie w cytozolu. Stężenie mocznika we krwi, zwane azotem mocznikowym we krwi lub BUN, jest wykorzystywane jako wskaźnik funkcji nerek.
Rysunek 1. Cykl mocznikowy przekształca amoniak w mocznik.
Wydalanie odpadów azotowych
Teoria ewolucji proponuje, że życie rozpoczęło się w środowisku wodnym. To nie jest zaskakujące, aby zobaczyć, że biochemiczne szlaki jak cykl mocznikowy ewoluowały, aby dostosować się do zmieniającego się środowiska, gdy formy życia lądowego ewoluowały. Suche warunki prawdopodobnie doprowadziły do ewolucji szlaku kwasu moczowego jako sposobu na zachowanie wody.
Ptaki i gady: Uric Acid
Ptaki, gady i większość stawonogów lądowych przekształcają toksyczny amoniak do kwasu moczowego lub blisko spokrewnionego związku guaniny (guano) zamiast mocznika. Ssaki również tworzą trochę kwasu moczowego podczas rozkładu kwasów nukleinowych. Kwas moczowy jest związkiem podobnym do puryn występujących w kwasach nukleinowych. Jest on nierozpuszczalny w wodzie i ma tendencję do tworzenia białej pasty lub proszku; jest wydalany przez ptaki, owady i gady. Konwersja amoniaku do kwasu moczowego wymaga więcej energii i jest znacznie bardziej złożona niż konwersja amoniaku do mocznika Rysunek 2.
Rysunek 2. Odpady azotowe są wydalane w różnych postaciach przez różne gatunki. Są to (a) amoniak, (b) mocznik i (c) kwas moczowy. (credit a: modyfikacja pracy Eric Engbretson, USFWS; credit b: modyfikacja pracy B. „Moose” Peterson, USFWS; credit c: modyfikacja pracy Dave Menke, USFWS)
Gout
Smaki używają kryształów kwasu moczowego jako przeciwutleniacza w swoich komórkach. Jednakże, zbyt duża ilość kwasu moczowego ma tendencję do tworzenia kamieni nerkowych i może również powodować bolesny stan zwany podagrą, w którym kryształy kwasu moczowego gromadzą się w stawach, jak pokazano na rysunku 3. Wybór produktów spożywczych, które zmniejszają ilość zasad azotowych w diecie, pomaga zmniejszyć ryzyko wystąpienia podagry. Na przykład, herbata, kawa i czekolada zawierają związki purynopodobne, zwane ksantynami, i powinny być unikane przez osoby z podagrą i kamicą nerkową.
Rycina 3. Podagra powoduje stan zapalny widoczny w lewym stawie dużego palca u tej osoby. (credit: „Gonzosft”/Wikimedia Commons)
Try It
Przypisz się!
Popraw tę stronęDowiedz się więcej