A karbamidciklus (más néven Krebs–Henseleit-ciklus, ureaciklus, vagy ornitinciklus) kizárólag a májban, a periportális hepatociták (májsejtek) mitokondriumában és citoplazmájában lejátszódó anyagcsere-folyamat, amely elsősorban azt a célt hivatott szolgálni, hogy a szervezetben termelődő mérgező ammóniát nem mérgező karbamid formájában eltávolítsa (ami végeredményben két molekula ammónia eliminációját jelenti). E metabolikus útvonal felfedezése 1932-ben Hans Krebs és orvostanhallgató munkatársa Kurt Henseleit nevéhez köthető. A ciklus másrészt az arginin aminosav de novo szintéziséhez szükséges.

Az ammónia toxicitása (mérgezőképessége) nem teljesen tisztázott, magas szintje a vérben hepaticus encephalopathiát okoz (aminek eredetét tekintve több különböző formája van). Az ammónia-mérgezés végső állapotában komatózus állapot lép fel, amit cerebralis oedema és megnövekedett intracranialis nyomás kísér. A feltételezések szerint az agy neuronjainak (idegsejtjeinek) ATP kimerülése áll az események hátterében. A magas szintű ammónia megnöveli az asztrocitákban a glutamin szintet a glutamát-dehidrogenáz és a glutamin-szintáz közreműködésével (a reakciókat lásd lejjebb), ami egy ozmotikusan aktív anyag, nő a sejten belüli ozmotikus nyomás. Emiatt a sejtek vizet vesznek fel, hogy fenntartsák az ozmotikus egyensúlyukat, aminek következtében a sejtek és így az agy is megduzzadnak, végül fellép a kóma. A glutamát szint csökkenésének lehetnek további hatásai az agyra, mivel a glutamát és származéka a GABA fontos neurotranszmitterek; az agy érzékenységét az ammóniára tükrözheti a neurotranszmitterek kimerülése valamint a sejt ozmotikus egyensúlyának változása. Ismeretes még a citoplazmatikus NADH szint emelkedés a malát-aszpartát inga gátlása miatt, és a piruvát-laktát átalakulás aktiválása, ami a citrátkör lassulását idézi elő.

Érdekesség, hogy emberen kívül más szárazföldi gerincesek és a cápák is karbamid formájában választják ki az ammóniát. A legtöbb víziállat ammóniumion formájában közvetlenül, míg a madarak és a hüllők húgysavként.

Bevezetés

Az ammónia egyrészt a májban termelődik különböző anyagcsereutak termékeként, vagy extrahepatikus (májon kívüli) szövetekből érkezik a májba. Az ammónia lehetséges forrásai:

aminosavbontás során az aminocsoportból (a fehérjéket főleg a májban és az izmokban bontjuk, de minden szövetben zajlik) purin és pirimidin nukleotidok lebontásából bélbaktériumok ammónia termelése a bélben lévő étrendi, szabad aminosavakból és a veséből odadiffundáló karbamidból (ureáz enzim), ami közvetlenül felszívódik és a v. portaen keresztül a májba jut (az ammónium ion nem tud felszívódni, a széklettel ürül) a bélhámsejtek (enterocyták) metabolizmusa következtében, melyben glutamint használnak fel energiaforrásul, szintén ammónia (valamint citrullin és alanin) képződik és a portális keringésbe jut a vese (proximális tubulusainak) glutamináz aktivitása kis mértékben hozzájárul a ciklus ammónia forrásához, de elsősorban hosszan tartó éhezés során, és a termelődött ammónia nagy része ammóniumsók formájában a vizelettel távozik (a reakcióhoz szükséges glutamin az izmokból származik) a monoamin-oxidázok ammóniát szabadítanak fel monoaminokból (pl.: adrenalinból, szerotoninból, hisztaminból)

A v. portaeval érkező ammónia az ureaszintézis kb. 33%-ának, míg a glutamin kb. 6-13%-ának prekurzora. Viszont az izom a legfőbb ammóniaforrás az emberben. Az izomszövetet elhagyó aminosavak kb. 90%-a glutamin és 10%-a alanin.

Extrahepatikus (májon kívüli) szövetekből az ammónia glutamin formájában érkezik a májba. A glutamináz enzim hatására glutamát és szabad ammónium ion keletkezik belőle a mitochondriális mátrixban. A glutamin pedig glutamátból és ammónium ionból szintetizálódik a glutamin-szintetáz enzim közreműködésével, egy ATP γ-helyzetű foszfátcsoportjának lehasítása közben (ATP → ADP + Pi).

Az aminosavak lebontása és az α-aminocsoport eltávolítása két lépésben zajlik. transzamináció: a reverzibilis reakciót aminotranszferázok (transzaminázok) végzik, mely során az aminosav aminocsoportja α-ketoglutarátra kerül, amiből glutamát képződik, az aminosavakból pedig α-ketosavak keletkeznek. A Lys és a Thr kivételével minden aminosavnak megvan a saját aminotranszferáz enzime, és minden reakcióhoz koenzimként szükség van a B6-vitamin származékára, a piridoxál-foszfátra (PLP). Több mint 80 aminotranszferáz van, különböző izoenzimekkel a citoszólban és a mitokondriumban. A két leggyakoribb aminotranszferáz az aszpartát-aminotranszferáz (AST/ASAT/GOT), ami aminocsoportot visz át az aszpartátról α-ketoglutarátra, miközben oxálacetát (α-ketosav) és glutamát képződik; és az alanin-aminotranszferáz (ALT/ALAT/GPT), ami reverzibilisen transzaminálja az alanint piruváttá (α-ketosav). A szérum AST és ALT szint diagnosztikus jelentőségű, pl. vírus hepatitis (ALT > AST) és alkoholos hepatitis (AST > ALT) esetén szintjük megemelkedik. oxidatív de(z)amináció: az első lépésben keletkezett glutamát oxidatív deaminácója során az aminosavakból származó nitrogén (ami a glutamáton van) töltéssel rendelkező ammóniaként szabadul fel, amit a mitochondriális mátrixban található glutamát-dehidrogenáz reverzibilisen katalizál NAD+ vagy NADP+ és vizet felhasználva, miközben , NADH + H+ vagy NADPH + H+ (attól függően, hogy az enzim melyik molekulát használta szubsztrátként) és α-ketoglutarát keletkezik. Ez a lépés elsősorban a májban és a vesében zajlik. A glutamát-dehidrogenáz allosztérikus aktivátorai az ADP és a GDP, amik az alacsony energiaszintet jelzik (pl. éhezéskor), és segítik a nitrogénfelszabadulást az aminosavakból, lehetővé téve azok szénvázának felhasználást szőlőcukor szintézishez, szintén aktiválja az L-leucin; gátlója pedig a GTP.

Meg kell jegyezni, hogy a szerin és a treonin direkt, nem oxidatív módon deaminálódik dehidratázok által, miközben szabad ammónia keletkezik. A glicin, hisztidin, aszparagin és a cisztein aminosavak lebontása során is szabad ammónia képződik. Az 1. és a 2. reakciót együtt transzdezaminálásnak neveznek.

Az ammónium ion aminosavak, nukleotidok és biológiailag aktív aminok bioszintéziséhez is felhasználódik. A nitrogéneltávolítás (és így közvetve az ammóniaszint csökkentés) módja a kreatinin és húgysav ürítés is.

Karbamid bélyegkép|jobbra|A karbamid szerkezeti képlete A karbamid (urea), összegképlete CH4N2O, a szénsav diamidja, amely színtelen kristályokat alkot és vízben kitűnően oldódik. E tulajdonsága miatt a szervezet a fehérje-anyagcsere során keletkezett, az ember számára mérgező ammóniát karbamiddá alakítja, ami így - révén vízoldható - a véráramban haladva, a vesék által a vizeletbe kiválasztva ürül. Naponta kb. 25-30g karbamid távozik a vizelettel, a vérszérumban (fibrinogén mentes vérplazma) koncentrációja 3-9 mM (mmol/L). Megjegyzendő, hogy konvencionális egysége még a mg/dL. Megváltozott értéke vese- és májbetegségekre utal. A vizelet kellemetlen szagát okozhatják ureázzal rendelkező baktériumok, mivel az enzim hatására karbamidból ammónia keletkezik. Fertőzött vizelet pH-ja emiatt lúgos kémhatású.

Az ureáz által katalizált hidrolízis: CO(NH2)2 + H2O → CO2 + 2 NH3

A karbamid laboratóriumi vizsgálatok során használt rövidítése: KN, CN, BUN, SUN (karbamid nitrogén, carbamide nitrogen, blood urea nitrogen, serum urea nitrogen).Laboreredmények

Érdekesség, hogy egyes kozmetikumokban mint hidratáló használják az ureát.Krémmánia

Reakciók

Karbamid 5 lépésben keletkezik: az első kettő reakció a sejtek mitokondriumának mátrixában, míg a többi a citoplazmában. Maga a ciklus valójában a 2. és az 5. reakció között van, ezért is nevezhetjük ornitinciklusnak, mivel az 5. reakcióban keletkezett ornitintermék a 2. reakcióban a szubsztrát. Két mitokondriális transzportfolyamat is van: egyrészt a citrullin kijuttatása az organellumból, másrészt az ornitin bejuttatása a membránon keresztül. Minden reakciót enzimek katalizálnak. Két enzim között egy szubsztrát vagy szabadon diffundálhat (mint egy teniszmérkőzés során a labda), vagy az egyik enzim közvetlenül "átadja" a másik enzimnek (mint a váltófutásnál a botot). A ciklus enzimei szorosan, egymással kötött formában fordulnak elő, vagyis az utóbbi folyamatok játszódnak le az enzimek között. A keletkezett karbamid szabadon a sejt plazmájából a vérbe diffundál. Mivel poláris és kis molekula, a diffúzió egyszerű, transzport fehérjét nem igényel.

Bár a teljes ciklus és annak minden eleme csak a májban játszódik le, egyes enzimek más szövetekben, szervekben is megtalálhatóak. Pl.: N-acetil-glutamát-szintáz és ornitin-transzkarbamoiláz a vékonybél hámsejtjeiben citrullin szintézist tesz lehetővé, az argininoszukcinát-szintetáz és argininoszukcináz a vesében arginint készít citrullinból, argináz pedig egyéb sejtekben ornitin szintézist tesz lehetővé, amelyből poliaminok keletkezhetnek. A nitrogén-monoxid főleg endotél sejtekben, makrofágokban és idegsejtekben képződik.

Karbamoil-foszfát-szintetáz I (CPS I)

Az első reakció során (ami a ciklus sebességmeghatározó lépése) a keletkezett ammóniumion (ld. Bevezetés), bikarbonát (hidrogén-karbonát ion) és ATP jelenlétében karbamoil-foszfáttá alakul, ami a karbamidsav foszforsavval alkotott vegyes anhidridjének tekinthető (nagy energiájú kötés alakul ki a karbamoilcsoport és a foszfátcsoport között, ami biztosítja a további reakció energiaigényét). Termékként van jelen ADP és egy inorganikus foszfát. A reakciót a karbamoil-foszfát-szintetáz I nevű enzim katalizálja, gyakran használt rövidítése a CPS I. A másik foszfátcsoport a karbamoil-foszfáton van. A reakció valójában három lépésből áll (ezek az ábrán nincsenek feltüntetve): a bikarbonát reagál egy ATP gamma-helyzetű (amelyik a legtávolabb van a központi cukormolekulától) foszfátcsoportjával, miközben ADP és karboxifoszfát keletkezik a karboxifoszfát az ammóniumionnal reagál, és inorganikus foszfát kilépése mellett karbamát keletkezik (a karbamidsav anionos formája) a karbamát a 2. ATP γ-foszfátcsoportjával kapcsolódva karbamoil-foszfátot képez, ADP kilépéssel Ez az egyetlen reakció, ami allosztérikus szabályozás alatt áll (ld. Szabályozás).

Megjegyzés, hogy az enzim valójában szabad NH3-t használ szubsztrátként, ezért a reakció egy proton leadással kezdődik.

(A CPS I izoenzime, CPS II citoplazmatikus enzim, amely az aminocsoportot glutamintól szerzi, és a pirimidinváz szintézisében vesz részt.)

750px|bélyegkép|none|A karbamoil-foszfát-szintetáz I által katalizált reakció

Ornitin-transzkarbamoiláz (OTC)

A ciklus 2. reakciójában, ami még a mitokondriumban zajlik, ornitin reagál a karbamoil-foszfáttal, miközben citrullin és Pi keletkezik. A reakciót az ornitin-transzkarbamoiláz katalizálja.

700px|bélyegkép|none|Az ornitin-transzkarbamoiláz által katalizált reakció

Argininoszukcinát-szintetáz (ASS)

A sejtplazmába jutott citrullin a 3. reakcióban az argininoszukcinát-szintetáz által aszpartáttal reagálva ATP jelenlétében argininoszukcináttá alakul. A reakció első lépésében az ATP α-helyzetű (vagyis a pentózhoz legközelebb lévő) foszfátcsoportjával reagál a citrullin, így egy citrullin-AMP köztitermék (citrullil-AMP) keletkezik. A második lépésben ez az intermedier az aminosav aminocsoportjával reagál, létrehozva az argininoszukcinátot és a szabad AMP-t. Az inorganikus pirofoszfát a citoplazmában lévő pirofoszfatáz enzim áldozatául esik, és két Pi-tá hasad. Az aszpartát szolgáltatja második ammóniát (az α-aminocsoportján keresztül) a karbamidnak.

850px|bélyegkép|none|Az argininoszukcinát-szintetáz által katalizált reakció

Argininoszukcináz (ASL)