Синтез мочевины

В клетках растений существует ещё один дополнительный механизм обезвреживания избыточной аммонийной формы азота – связывание его в виде мочевины, которая синтезируется в реакциях орнитинового цикла, впервые изученного в 1932 г. в клетках животных Кребсом Н.А. и Хензелайтом К. Много мочевины накапливается в клетках растений, имеющих на корнях микоризу. Высокое содержание мочевины найдено в шампиньонах и дождевиках (до 10-13 % сухой массы).

В опытах было отмечено, что концентрация мочевины в клетках растений увеличивается при диссимиляции азотистых веществ, когда активируются процессы дезаминирования аминокислот и азотистых оснований, а также при выращивании растений на растворах аммонийных солей. Мочевина не токсична для клеток растений , так как является нормальным продуктом обмена веществ, который легко включается в биосинтетические реакции.

Первый этап в синтезе мочевины – образование макроэргического соединения карбамоилфосфатаиз гидрокарбоната и глутамина, являющегося источником аминной группировки, под действием ферментакарбамоилфосфатсинтазы(2.7.2.5). Реакция сопряжена с гидролизом двух молекул АТФ и активируется катионамиMg²⁺:

OО СООН

// Mg²⁺\\ |

HCO₃^¯+C–NH₂+ 2АТФ¾¾®С–О~(Р) + 2АДФ + Н₃РО₄+CH₂

| + Н₂О / |

CH₂ Н₂NCH₂

| карбамоил- |

CH₂фосфатCHNH₂

| |

CHNH₂COOH

| глутаминовая

СООН глутамин кислота

На следующем этапе с участием фермента орнитин-транскарбамоилазы(2.1.3.3) карбамоилфосфат вступает во взаимодействие с орнитином. Продукты этой реакции – цитруллин и неорганический фосфат:

CH₂NH₂ О CH₂NH

| \\ | \

CH₂ С–NH₂ CH₂ C= O

| + | ¾® | | + H₃PO₄

CH₂ O~(P) CH₂ NH₂

| карбамоил- |

CHNH₂ фосфат CHNH₂

| |

COOH COOH

орнитин цитруллин

Таким образом, уреидогруппа цитруллина образуется из карбонильной группы бикарбоната и амидной группы глутамина, которая синтезируется в результате связывания избыточного аммиака.

Далее цитруллин реагирует с аспарагиновой кислотой под действием фермента аргининосукцинатсинтетазы(6.3.4.5). В активировании уреидогруппы цитруллина принимают участие АТФ и катионыMg²⁺. В ходе этой реакции синтезируется аргининоянтарная кислота.

CH₂NH CH₂NH COOH CH₂NH COOH

| \ | \ | | \ |

CH₂ С=О COOH CH₂ C=N–CH CH₂ C=NH CH

| | | Mg²⁺ | | | | | ||

CH₂ NH₂ + CHNH₂ + АТФ ¾® CH₂ NH₂ CH ¾® CH₂ NH₂ + CH

| | ↓ | | | | |

CHNH₂ CH₂ АМФ CHNH₂ COOH CHNH₂ COOH

| | Н₄Р₂О₇ | | фумаровая

COOH COOH COOH COOH кислота

цитруллин аспарагиновая аргининоянтарная аргинин

кислота кислота

Затем аргининоянтарная кислота с участием фермента аргининосук-цинатлиазы(4.3.2.1) расщепляется на два продукта – аргинин и фумаровую кислоту. Последняя, присоединяя молекулу аммиака под действиемаспартатаммиаклиазы, превращается снова в аспарагиновую кислоту, способную взаимодействовать с новой молекулой цитруллина. А аргинин в орнитиновом цикле путём гидролитического расщепления превращается в орнитин и мочевину. Эту реакцию катализирует ферментаргиназа(3.5.3.1):

СН₂NH CH₂NH₂

| \ |

CH₂ C+NH CH₂ | | + H₂O ¾® | + CO(NH₂)₂

CH₂ NH₂ CH₂ мочевина | |

CHNH₂ CHNH₂

| |

COOH COOH

аргинин орнитин

Высвобождающийся при гидролизе аргинина орнитин снова включается в первую реакцию орнитинового цикла и синтез мочевины может продолжаться. Схематически связывание аммиака в реакциях орнитинового цикла можно представить в виде следующих превращений:

СH₂NH₂ CH₂NH CH₂NH СH₂NH₂

| | \ | \ | Н₂N

CH₂ +NH₃ + CO₂ CH₂ C=O +NH₃ CH₂ C=NH +H₂O CH₂ \

| ¾¾¾® | | ¾¾® | | ¾¾® | + C=O

CH₂ - H₂O CH₂ NH₂ - H₂O CH₂ NH₂ CH₂ /

| | | | Н₂N

CHNH₂ CHNH₂ CHNH₂ CHNH₂ мочевина

| | | |

COOH COOH СООН COOH

Орнитин цитруллин аргинин орнитин

У некоторых растений связывание избыточного аммиака не доходит до образования мочевины, у них наблюдается накопление промежуточных продуктов орнитинового цикла – цитруллина или аргинина. В прорастающих семенах хвойных растений и клубнях топинамбура содержится много аргинина, а в корневых клубеньках ольхи, пасоке берёзы и орешника – цитруллина. У этих растений аргинин и цитруллин по-видимому являются основными продуктами связывания избыточного аммиака и они играют важную роль в обмене азотистых веществ.