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Allgemeines
Beim Abbau von Aminosäuren wird die Aminogruppe vom Kohlenstoffgerüst getrennt. Während die Oxidation des Kohlenstoffgerüsts Energie liefert, verbraucht die Entgiftung des Ammoniaks im Harnstoffzyklus Energie.
Der einleitende Schritt des Aminosäureabbaus besteht meist in der Entfernung der α-Aminogruppe durch Desaminierung oder Transaminierung. Der Aminostickstoff des Aminosäureabbaus wird in Form von Ammoniak (NH3) frei, das bei physiologischem pH-Wert nahezu vollständig als Ammoniumion vorliegt (NH4+). Freies Ammoniak ist für die Zellen allerdings giftig und wird daher von extrahepatischen Geweben in die nicht toxischen Aminosäuren Glutamin oder Alanin umgesetzt. Diese werden dann in das Blut abgegeben und zum Darm, zur Leber und zu den Nieren transportiert:
Glutamin: Glutamin entsteht in einer zweistufigen, ATP-abhängigen Reaktion, katalysiert von der Glutaminsynthetase, aus Glutamat und Ammoniak. Glutamat wird zuvor in der Glutamatdehydrogenase-Reaktion aus Ammoniak und α-Ketoglutarat unter Oxidation von NADH + H+ gebildet. (Merke: Die Glutamatdehydrogenase-Reaktion ist die einzige Reaktion im Säugetier, in der Ammoniak de novo in das Kohlenstoffgerüst einer vorbestehenden Verbindung eingebaut werden kann. Sie ist reversibel, Ammoniak kann auch unter Bildung von NADH + H+ aus Glutamat freigesetzt werden. Einen Alternativweg stellt die Glutaminsynthethase-Reaktion dar).
Glutamin wird nach seiner Freisetzung ins Blut vor allem von der Niere aufgenommen. Dort wird der Amidstickstoff von der Glutaminase in einer hydrolytischen Desaminierung entfernt. Das gebildete Ammoniak wird teilweise mit dem Urin ausgeschieden: Es diffundiert als ungeladenes Gas durch die apikale Membran der Tubuluszellen. Durch den gleichzeitigen aktiven Transport von Protonen durch die apikale Membran in den Urin wird es im Urin protoniert und kann daher nicht mehr in die Zelle zurückdiffundieren. Teilweise gelangt Ammoniak aber auch mit dem Blut zur Leber.
Glutamin wird auch vom Gewebe der Darmwand aufgenommen, wo es ebenfalls von der Glutaminase gespalten wird. Die Zellen verwerten das Glutamat im eigenen Stoffwechsel. Das NH3 gelangt mit dem von den Darmbakterien produzierten NH3 mit dem Pfortaderblut zur Leber, die es aufnimmt und dem Harnstoffzyklus zuführt.Alanin: Es wird in der Postresorptionsphase sowie vor allem bei starker körperlicher Arbeit im Muskel produziert. Alanin entsteht durch Transaminierung aus Pyruvat und Glutamat, eine Reaktion, die von der Alanintransaminase (ALT) katalysiert wird. Wiederum kann Ammoniak, das z.B. bei der Desaminierung anderer Aminosäuren entsteht, in der Glutamatdehydrogenase-Reaktion zur Synthese von Glutamat verwendet werden. Alanin wird zur Gluconeogenese in die Leber transportiert. Es ist die wichtigste glucogene Aminosäure in der Postresorptionsphase. Alanin wird durch Transminierung der Aminogruppe auf α-Ketoglutarat zu Pyruvat, wobei Glutamat entsteht, dessen Aminogruppe über die Glutamatdehydrogenase-Reaktion in den Harnstoffzyklus eingeschleust werden kann. Statt als Ausgangssubstrat für die Gluconeogenese kann Pyruvat natürlich auch zur Energiegewinnung im Citratzyklus oxidiert werden.
Glutamin und Alanin haben im Blut die höchste Konzentration aller Aminosäuren.
Harnstoffzyklus
Die Leber ist der wichtigste Ort des Aminosäureabbaus. Sie ist auch der Ort, an dem das für den Körper toxische Ammoniak endgültig fixiert und ausscheidungsfähig gemacht wird. Dazu verfügt die Leber über alle nötigen Enzyme für die Umwandlung von Ammoniak in Harnstoff. Dieser ist sehr gut wasserlöslich, wird im Blut zur Niere transportiert und in den Harn ausgeschieden. Harnstoff ist das wichtigste Ausscheidungsprodukt des Stickstoffstoffwechsels im Urin. Diese Umwandlung geschieht im Harnstoffzyklus (oder auch Ornithinzyklus), der hauptsächlich in den Hepatozyten, in geringem Maße aber auch in der Niere abläuft. Der Harnstoffzyklus findet in zwei verschiedenen Zellkompartimenten der Hepatozyten statt. Die ersten beiden Reaktionen laufen in der mitochondrialen Matrix ab, die übrigen im Zytosol.
Harnstoff enthält 2 Aminogruppen. Nur eine der beiden Aminogruppen wird aus Ammoniak gebildet. Das Ammoniak wird über Carbamoylphosphat in den Zyklus geschleust. Die zweite Aminogruppe wird von Aspartat geliefert. Die Carbonylgruppe wird von Hydrogencarbonat (Bicarbonat, HCO3–) beigesteuert.
Reaktionen des Harnstoffzyklus
Diese Reaktion ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Harnstoffsynthese. Sie besteht in der Kondensation von NH4+ und HCO3– zu Carbamoylphosphat unter Verbrauch von 2 ATP. Enzym dieser Reaktion ist die Carbamoylphosphatsynthetase I (CPS I). Die CPS I kann durch N-Acetylglutamat allosterisch aktiviert werden (s.u.).
Es gibt auch eine Carbamoylphosphatsynthetase II (CPS II). Diese befindet sich allerdings im Zytosol und nicht im Mitochondrium. Sie ist an der Pyrimidinsynthese beteiligt und verwendet Glutamin als Stickstoffdonator.
Das Carbamoylphosphat tritt nun als Carbamoylgruppendonator in den eigentlichen Harnstoffzyklus ein.
Die Carbamoylgruppe wird von der Ornithintranscarbamoylase (Ornithincarbamoyltransferase) unter Phosphatabspaltung auf Ornithin übertragen. Es entsteht Citrullin.
Ornithin + Carbamoylphosphat → Citrullin + Pi
Das Citrullin verlässt das Mitochondrium über den Ornithin/Citrullin-Antiporter, der Citrullin im Austausch gegen Ornithin, das im letzten Schritt der Harnstoffsynthese im Zytosol regeneriert wird, aus dem Mitochondrium ins Zytosol transportiert, wo die Schritte 3–5 ablaufen. Der Antiporter ist in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert.
Im Zytosol kondensieren Citrullin und Aspartat mithilfe der Argininosuccinatsynthetase und unter Verbrauch von ATP zu Argininosuccinat. Dabei liefert das Aspartat die zweite Aminogruppe des Harnstoffs. Bei dieser Reaktion wird ATP in AMP und PPi gespalten. Das Pyrophosphat wird weiter zu 2 Pi hydrolysiert.
Die Argininosuccinatlyase spaltet das Argininosuccinat in Fumarat und Arginin. Fumarat ist ein Metabolit des Citratzyklus, über den Harnstoff- und Citratzyklus miteinander verbunden sind (s.u.). Arginin ist die direkte Vorstufe des Harnstoffs. Ein Mangel an Argininosuccinatlyase führt zur Hyperammonämie und zu Argininmangel.
Im letzten Schritt spaltet die Arginase I von Arginin hydrolytisch den Harnstoff ab. Dadurch entsteht außerdem Ornithin, eine nicht proteinogene Aminosäure, die dem Zyklus nach Transport in das Mitochondrium erneut für den Harnstoffzyklus zur Verfügung steht. Harnstoff kann nun aufgrund seiner guten Wasserlöslichkeit in das Blut abgegeben und über die Niere ausgeschieden werden. Die Ausscheidung des Harnstoffs über die Niere ist zwar der physiologisch relevante Weg; Harnstoff wird aber tatsächlich über alle Körperoberflächen ausgeschieden. Unter anderem gelangt er auch in den Darm, wo er durch ureasehaltige Bakterien wieder gespalten wird. Der dabei frei werdende Ammoniak macht einen nicht unerheblichen Teil unserer täglichen Ammoniaklast aus. Die Arginase I ist das einzige spezifisch in den Hepatozyten vorkommende Enzym des Harnstoffzyklus; alle anderen Enzyme kommen auch in anderen Zellen vor und katalysieren dort die Argininbiosynthese.
Harnstoffzyklus
(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme,2022)Struktur von Harnstoff
Möglicherweise musst du in der Prüfung unter einigen Molekülstrukturen, die dir präsentiert werden, das quantitativ wichtigste Ausscheidungsprodukt des Stickstoffstoffwechsels im Urin herausfinden. Zunächst musst du also wissen, dass von Harnstoff die Rede ist, und dann geht es darum, die Struktur von Harnstoff zu erkennen. Schaue sie dir daher gut an.
Das im Harnstoffzyklus aus Argininosuccinat abgespaltene Fumarat kann im Citratzyklus weiterverwertet werden. Sowohl der Harnstoffzyklus als auch der Citratzyklus enthalten Fumarat als Zwischenprodukt. Das Fumarat wird dazu in Malat umgesetzt (Fumarase-Reaktion), welches dann über den Malat-Aspartat-Shuttle in das Mitochondrium gelangt. Dort kann es in den Citratzyklus eintreten.
Verbindung zwischen Harnstoff- und Citratzyklus
Im Aspartatzyklus, der im Zytosol lokalisiert ist, wird Aspartat aus Fumarat zurückgewonnen. Dabei wird Fumarat durch zytosolische Isoenzyme des Citratzyklus über Malat zu Oxalacetat umgesetzt. Vermittelt von der Aspartattransaminase (AST) wird anschließend die Aminogruppe von Glutamat auf Oxalacetat übertragen. Es entstehen Aspartat und α-Ketoglutarat. Das Aspartat tritt wieder in den Harnstoffzyklus ein oder es dient als Aminogruppendonator für die Pyrimidinsynthese (Synthese von Uridinmonophosphat, UMP) und die Purinbiosynthese (Synthese von Inosinmonophosphat [IMP] aus 5- Phosphoribosylamin und Synthese von Adenosinmonophosphat [AMP] aus IMP). Sowohl im Harnstoffzyklus als auch in der Purinbiosynthese entsteht wieder Fumarat.
Steht im Mitochondrium mehr NH4+ zur Verfügung als im Zytosol Aminogruppen für Transaminierungen vorhanden sind, kann das NH4+ mit α-Ketoglutarat in der Glutamatdehydrogenase-Reaktion zu Glutamat umgesetzt werden. Dieses verlässt dann das Mitochondrium und reagiert im Zytosol mithilfe der Aspartattransaminase mit Oxalacetat zu Aspartat und α-Ketoglutarat. Das Aspartat tritt in den Harnstoffzyklus ein, das α-Ketoglutarat wandert zurück ins Mitochondrium, wo es wieder in die Glutamatdehydrogenase-Reaktion eingeschleust wird und als Carrier für weitere Ammoniumionen dient.
Ausgleich des Ammoniums zwischen Mitochondrium und Zytosol
GDH, Glutamatdehydrogenase; AST, Aspartattransaminase.
Energiebilanz des Harnstoffzyklus
Im ersten Schritt des Harnstoffzyklus, der Carbamoylphosphatsynthetase-I-Reaktion, werden 2 ATP verbraucht. Zudem wird im dritten Schritt ein ATP in AMP und PPi gespalten, welches dann zu 2 Pi hydrolysiert wird. Die Nettoreaktionsgleichung des Harnstoffzyklus lautet also:
NH4+ + HCO3– + Aspartat + 3 ATP + 2 H2O → Harnstoff + Fumarat + 2 ADP + 1 AMP + 4 Pi
Es werden also insgesamt 4 energiereiche Bindungen gespalten.
In diesem Zusammenhang ist auch interessant zu wissen, dass 1 g ausgeschiedener Harnstoff (im Urin) 3 g mit der Nahrung aufgenommenem Protein entspricht. Pro Tag werden etwa 100 g Nahrungsprotein zu etwa 35 g Harnstoff abgebaut, der über den Urin ausgeschieden wird. Ein Rechenbeispiel dazu findest du hier.
Harnstoffzyklus und seine Energiebilanz
Dieses Video (deutsche Sprache) erläutert noch einmal, wie der toxische Ammoniak im Harnstoffzyklus in ungiftigen Harnstoff umgewandelt wird, und geht auch kurz auf die Energiebilanz des Zyklus ein. (Lernvideo zum Endspurt-Biochemieposter).
Regulation des Harnstoffzyklus
Die Regulation des Harnstoffzyklus findet auf 2 Ebenen statt. Eine eher langfristige Regulation erfolgt über die Anpassung der Bildungsgeschwindigkeit der Carbamoylphosphatsynthetase I und der 4 Enzyme des Zyklus in der Leber an die Ernährung. Ist diese proteinreich oder befindet sich das Individuum im Hungerzustand (in dem körpereigene Proteine abgebaut werden), dann ist die Geschwindigkeit der Neusynthese dieser Enzyme höher als bei einer fett- oder kohlenhydratreichen Ernährung. Eine kurzfristige Anpassung findet über eine allosterische Regulation der Carbamoylphosphatsynthetase I statt. Allosterischer Aktivator des Enzyms ist N-Acetylglutamat, das von der N-Acetylglutamatsynthase aus Glutamat und Acetyl-CoA gebildet wird. Dabei signalisiert das Glutamat, dass Substrat umgesetzt werden kann, Acetyl-CoA signalisiert eine ausreichende Energieversorgung. Der Gehalt von N-Acetylglutamat selbst wird von den Konzentrationen der beiden Substrate Glutamat und Acetyl-CoA bestimmt, wie auch von Arginin, das ein Aktivator des Enzyms und damit auch des Harnstoffzyklus ist.
Die Geschwindigkeit des Harnstoffzyklus ist auch vom pH-Wert des Blutes abhängig. Bei einem normalen pH-Wert von 7,4 läuft er mit halbmaximaler Geschwindigkeit ab. Sinkt der pH-Wert, dann nimmt auch die Geschwindigkeit des Zyklus ab und es wird weniger Hydrogencarbonat (HCO3–) im Zyklus verbraucht. Umgekehrt steigt die Synthese von Glutamin in der Leber an. Die Ammoniumionen (NH4+), die sich unter diesen Bedingungen sonst in der Leber anstauen würden, werden gebunden im Glutamin zur Niere transportiert. Dort wird Glutamin von der Glutaminase gespalten und NH4+ in den Harn ausgeschieden. Steigt der Blut-pH-Wert, dann nimmt auch die Geschwindigkeit des Harnstoffzyklus zu und der Verbrauch von Hydrogencarbonat erhöht sich.
Defekte von Enzymen des Harnstoffzyklus
Angeborene Enzymdefekte des Harnstoffzyklus sind selten. Der häufigste Defekt betrifft die Ornithintranscarbamoylase. Wie es allgemein bei Enzymdefekten in Stoffwechselketten und Stoffwechselzyklen der Fall ist, sind die Konzentrationen der Metaboliten vor dem betroffenen Enzym erhöht und nach dem betroffenen Enzym erniedrigt. So reichert sich z.B. bei einem Defekt der Ornithintranscarbamoylase u.a. Ammoniak an, während die Menge an Citrullin und Harnstoff abnimmt. Ist die Argininosuccinatsynthetase defekt, reichern sich Ammoniak, Ornithin, Citrullin und Aspartat an, die Konzentrationen an Arginin und Harnstoff sind vermindert.
| Defektes Enzym | Erkrankung | Urinausscheidung | Therapie |
Carbamoylphosphatsynthetase I | Hyperammonämie I, |
| Benzoesäure, Phenylacetat, Arginin (essenzielle AS!) |
Ornithintranscarbamoylase | Hyperammonämie II |
| Benzoesäure, Phenylacetat, Arginin |
Argininosuccinatsynthetase | Citrullinämie |
| Benzoesäure, Phenylacetat, Arginin |
Argininosuccinatlyase | Argininosuccinaturie |
| Arginin |
Arginase I | Hyperargininämie1 |
| Ornithin |
N-Acetylglutamat-Synthase | N-Acetylglutamat-Synthase-Mangel2 |
| Benzoesäure, Phenylacetat, Arginin |
1 selten | |||
Hyperammonämie
Den verschiedenen Enzymdefekten sind viele Symptome gemeinsam. Schon in der Neugeborenenperiode kommt es zu Erbrechen, Trinkunlust, Lethargie, Muskelschwäche und Koma. Typische Laborbefunde sind erhöhte Ammoniakspiegel im Blut (Hyperammonämie) in Kombination mit respiratorischer Alkalose. Diese müssen sofort behandelt werden.
Um den Ammoniakspiegel zu senken, muss die Eiweißzufuhr gestoppt werden. Auf diese Weise gelangt weniger Stickstoff in den Stoffwechsel und es wird entsprechend weniger Ammoniak gebildet. Langfristig wird die Eiweißzufuhr angepasst und Medikamente verabreicht. Natriumphenylbutyrat oder Natriumbenzoat reagieren mit freiem Glutamin bzw. Glycin, binden es und sorgen für eine Ausscheidung mit dem Urin. Antibiotika können ammoniakbildende Darmbakterien abtöten.
Hepatische Enzephalopathie
Als hepatische Enzephalopathie bezeichnet man neurologische Komplikationen durch Funktionsstörungen des Gehirns, die auf eine unzureichende Entgiftungsfunktion der Leber durch akute oder chronische Lebererkrankungen zurückgehen. Es kommt zu einer Anreicherung u.a. von Ammoniak und zur Ausbildung einer chronischen Hyperammonämie, die mit der Leberinsuffizienz in Verbindung steht und auf die die hepatische Enzephalopathie üblicherweise zurückgeführt wird.
Ammoniak wie auch Mercaptane, kurzkettige Fettsäuren, Phenolderivate und andere Verbindungen, die sich anreichern, können als endogene Neurotoxine wirken. Bei einer Leberzirrhose steigt die Ammoniakkonzentration im Blut auf 40–60 μM. Nehmen die Astrozyten vermehrt NH3 auf, setzen sie viel NH3 in Glutamin um und reichern dieses an. Folge ist ein Anschwellen der Astrozyten bis hin zur Bildung eines Hirnödems. Der gestörte Glutaminstoffwechsel wie auch die geschwollenen Astrozyten haben zahlreiche Auswirkungen, die indirekt die Funktion der Neuronen und den Stoffwechsel der Neurotransmitter beeinträchtigen.
Symptome der hepatische Enzephalopathie sind eine nachlassende Konzentrationsfähigkeit und je nach Stadium der Erkrankung eine mehr oder weniger deutlich Minderung der Bewusstseinslage, Orientierungslosigkeit, Stimmungsschwankungen und Händezittern, mitunter eine verwaschene Sprache sowie in fortgeschrittenen Stadien eine ausgeprägte Schläfrigkeit und zunehmende Apathie.
