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 карбамоилфосфата из гидрокарбоната и глутамина, являющегося источником аминной группировки, под действием фермента карбамоилфосфатсинтазы (2.7.2.5). Реакция сопряжена с гидролизом двух молекул АТФ и активируется катионами Mg²⁺:

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:

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 катионы Mg²⁺. В ходе этой реакции синтезируется аргининоянтарная кислота.

CH₂NH CH₂NH COOH CH₂NH COOH | \ | \ | | \ | CH₂ С=О COOH CH₂C=N–CH CH₂C=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 действием аспартатаммиаклиазы, 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 фермент аргиназа (3.5.3.1):

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 CH₂NH₂ - H₂O CH₂ NH₂CH₂ | | | | Н₂N CHNH₂CHNH₂ CHNH₂CHNH₂ 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.