Азотистый обмен: классификация и адаптации

Каждый грамм съеденного белка оставляет после себя азот, который нужно куда-то деть. Углерод и водород аминокислот сгорают до углекислого газа и воды, а аминогруппа отщепляется в виде аммиака — одного из самых ядовитых веществ, какие только производит живая клетка. Рыба растворяет его в проточной воде и забывает о нём. Млекопитающее тратит энергию, чтобы превратить аммиак в безвредную мочевину, и воду, чтобы её вывести. Птица, ящерица и муха идут дальше: превращают азот в почти нерастворимую мочевую кислоту и выбрасывают её сухим комочком, не потеряв ни капли воды. Три стратегии, три формулы, и за каждой — среда обитания, запас воды, цена в АТФ и даже способ размножения: без мочевой кислоты не было бы яйца с скорлупой.

В статье — откуда берётся аммиак и почему он ядовит, как устроены аммонотелия, уреотелия и урикотелия и кто их выбрал, как работает орнитиновый цикл, во что обходится каждый путь по воде и энергии, как животные переключают стратегии в ходе развития и при засухе, что происходит с азотом у человека, что из этого спрашивают на ЕГЭ, а в конце — интересные факты, 12 заданий с разбором и литература.

• Откуда берётся аммиак
• Почему аммиак ядовит
• Три стратегии
• Орнитиновый цикл
• Цена и выигрыш
• Как среда выбирает стратегию
• Азот в организме человека
• Как отвечать на экзамене
• Интересные факты
• Задания с разбором
• Литература

Откуда берётся аммиак

Животные получают азот почти исключительно с белками пищи: растения и бактерии умеют строить аминокислоты из нитратов и аммония, животные — нет. Белки перевариваются до аминокислот, из них строятся собственные белки, а всё, что не пошло в стройку и не отложилось про запас (аминокислоты, в отличие от жиров и гликогена, не запасаются), должно быть разобрано. Углеродный скелет аминокислоты превращается в глюкозу, жир или сгорает в цикле Кребса, а аминогруппу нужно отщепить. Сначала большинство аминокислот отдают свою аминогруппу α-кетоглутарату в реакции трансаминирования, превращая его в глутамат, — так весь азот собирается на одном носителе. Затем глутамат в митохондриях печени окислительно дезаминируется ферментом глутаматдегидрогеназой, и аминогруппа выходит в виде иона аммония NH₄⁺. Второй, меньший источник — распад пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот. Взрослый человек на обычной диете выводит около 12–16 г азота в сутки, и почти весь он проходит через аммиак.

В воде аммиак и ион аммония находятся в равновесии NH₃ + H⁺ ⇄ NH₄⁺, и при pH крови около 7,4 больше 98 % приходится на ион. Это важно для выведения: заряженный NH₄⁺ через мембраны не проходит, а незаряженный NH₃ проходит легко. Поэтому аммиак диффундирует через жабры рыб, пока снаружи его мало, и поэтому же он так опасен: в крови он сидит в виде иона, но при малейшем избытке незаряженная форма проникает в мозг.

Почему аммиак ядовит

Для человека опасна концентрация аммиака в крови выше 50–100 мкмоль/л, норма — 15–45. Рыбы терпят на порядок больше, но и для них аммиак — главный яд среды: в аквариуме без фильтра рыбы гибнут именно от него. Токсичность складывается из трёх механизмов.

1. Ион аммония похож на ион калия. У них одинаковый заряд и близкий радиус, поэтому NH₄⁺ проходит через калиевые каналы и переносится натрий-калиевым насосом. Мембранный потенциал нейронов нарушается, возбудимость меняется, возникают судороги.
2. Аммиак изымает из цикла Кребса α-кетоглутарат. Клетка обезвреживает избыток NH₄⁺, присоединяя его к α-кетоглутарату и глутамату, и получает глутамин. Но α-кетоглутарат — звено цикла Кребса, и его отток тормозит цикл, а значит, синтез АТФ. Мозг, живущий почти только на аэробном окислении глюкозы, страдает первым.
3. Глутамин набухает. Накопление глутамина в клетках мозга, прежде всего в астроцитах, повышает их осмолярность: вода входит, клетки набухают, развивается отёк мозга. Так протекает печёночная кома у людей с отказом печени, когда аммиак из кишечника не обезвреживается.

Вывод один: аммиак нельзя копить. Его нужно либо немедленно выводить, что возможно только при неограниченном запасе воды, либо превращать во что-то безопасное.

Три стратегии

Животных делят на три группы по главному конечному продукту азотистого обмена. Чистых случаев почти нет: человек выводит и мочевину, и немного аммиака, и немного мочевой кислоты, но 80–90 % азота уходит в одном виде, по нему и называют.

Аммонотелия — самый древний и дешёвый путь, доступный только в воде. Костистые рыбы выводят 80–90 % азота через жабры: аммиак диффундирует по градиенту в проточную воду, а помогают ему белки-каналы Rh-семейства — те самые белки, что у человека известны как резус-фактор эритроцитов. Почки рыб с азотом почти не работают. Пресноводная гидра, планария, моллюски, ракообразные, головастики — все аммонотелики, и всем им нужно, чтобы вода уносила яд. Выйти на сушу с таким обменом нельзя.

Уреотелия. Мочевина — маленькая нейтральная молекула, в сто тысяч раз менее ядовитая, чем аммиак, и прекрасно растворимая. Её можно копить в крови до безопасного момента и выводить с мочой в умеренном объёме воды. Синтезируется она в печени в орнитиновом цикле, о котором — следующий раздел. Уреотелия позволила млекопитающим и взрослым амфибиям жить на суше, а у акул превратилась в инструмент осморегуляции: они не выводят мочевину, а держат в крови 350–400 ммоль/л, уравнивая осмолярность крови с морской водой (подробно — в статье об осморегуляции).

Урикотелия. Мочевая кислота почти не растворяется в воде, поэтому её можно вывести в виде кристаллов, всосав обратно почти всю воду. У птиц и рептилий мочеточники открываются в клоаку, где моча смешивается с калом, вода всасывается, и наружу выходит белая паста; мочевого пузыря у птиц нет. Насекомые выделяют ураты мальпигиевыми сосудами в кишку и досуха отжимают содержимое прямой кишкой. Главное же следствие урикотелии — закрытое яйцо. Зародыш в скорлупе не может выводить отходы наружу: аммиак отравил бы его, мочевина накапливалась бы и по осмосу вытягивала воду из тканей, а нерастворимая мочевая кислота просто откладывается кристаллами в зародышевом мочевом мешке, аллантоисе, и остаётся в скорлупе после вылупления. Без этого изобретения рептилии не смогли бы размножаться вдали от воды.

Орнитиновый цикл

Цикл мочевины открыли в 1932 году Ханс Кребс и его студент Курт Хензелейт — за пять лет до цикла лимонной кислоты, который принёс Кребсу Нобелевскую премию. Это был первый описанный метаболический цикл вообще. Он идёт в клетках печени, частью в митохондриях, частью в цитоплазме, и собирает в молекулу мочевины два атома азота из разных источников.

1. В митохондрии аммиак, углекислый газ (в виде гидрокарбоната) и две молекулы АТФ дают карбамоилфосфат — первый атом азота упакован.
2. Карбамоилфосфат переносит карбамоильную группу на орнитин — аминокислоту, не входящую в белки; получается цитруллин, который выходит в цитоплазму.
3. Цитруллин соединяется с аспартатом с затратой ещё одной АТФ (которая распадается до АМФ, то есть на две макроэргические связи); так входит второй атом азота. Получается аргининосукцинат.
4. Аргининосукцинат распадается на аргинин и фумарат; фумарат уходит в цикл Кребса, связывая два цикла в одну систему.
5. Фермент аргиназа отщепляет от аргинина мочевину, присоединяя воду, и возвращает орнитин для нового оборота.

Итог: NH₃ + CO₂ + аспартат + 3 АТФ → мочевина + фумарат, причём три молекулы АТФ отдают четыре макроэргические связи. Мочевина выходит из печени в кровь, фильтруется в почках и выводится с мочой: человек выделяет около 25–30 г мочевины в сутки, и её концентрация в конечной моче в 60–70 раз выше, чем в плазме. Аргиназа есть у всех уреотеликов и отсутствует у большинства урикотеликов: у птиц в печени нет полного орнитинового цикла, и аммиак идёт на синтез пуринов.

Цена и выигрыш

Выбор между тремя путями — компромисс между энергией и водой. Аммиак бесплатен, но требует 300–500 мл воды на каждый грамм азота: у наземного животного такая трата воды невозможна. Мочевина стоит четыре АТФ на два атома азота, зато воды нужно в десять раз меньше. Мочевая кислота дороже всех: её молекула собирается из нескольких аминокислот и одноуглеродных фрагментов на пути синтеза пуринов, и каждая требует ещё больше АТФ, зато воды почти не нужно. Птица может позволить себе эту цену, потому что её обмен веществ быстрый и энергии много, а воды в полёте мало. Рыбе платить незачем: вода вокруг.

Есть и второй скрытый выигрыш урикотелии — масса. Птице в полёте нельзя носить полный мочевой пузырь, а уреотелику пришлось бы держать запас воды для растворения мочевины. Кристаллы мочевой кислоты выводятся по мере образования, и мочевого пузыря у птиц нет. У летучих мышей, млекопитающих, та же задача решена иначе: они выводят мочевину, но моча у них очень концентрированная, а мочевой пузырь опорожняется перед вылетом.

Как среда выбирает стратегию

Стратегия не закреплена раз и навсегда за классом животных, она следует за доступностью воды, и лучшие доказательства этому — переключения внутри одного вида.

• Метаморфоз лягушки. Головастик живёт в воде и выводит аммиак через жабры и кожу. В ходе метаморфоза под действием тиреоидных гормонов в печени включаются гены ферментов орнитинового цикла, и взрослая лягушка выводит мочевину. Шпорцевая лягушка, которая всю жизнь остаётся в воде, так и остаётся в значительной мере аммонотеликом.
• Двоякодышащие рыбы в спячке. Протоптер в воде выводит аммиак. Когда водоём пересыхает, он зарывается в ил, строит кокон из слизи и на месяцы, а то и годы переходит на мочевину, накапливая её в теле до концентраций, которые были бы смертельны для других рыб. С первым дождём он выводит всё накопленное за сутки.
• Черепахи. Водные черепахи выводят аммиак и мочевину, наземные пустынные черепахи — мочевую кислоту, причём соотношение меняется в зависимости от доступности воды у одного и того же вида.
• Рыбы-исключения. Тиляпия из содового озера Магади в Кении с pH около 10 не может выводить аммиак: в щелочной воде он не уходит из жабр, и эта рыба — единственная из костистых — полностью уреотелична. Илистые прыгуны, проводящие часы на суше, временно накапливают аммиак в мышцах и выводят его при возвращении в воду.
• Зародыши. У млекопитающих зародыш отдаёт аммиак и мочевину через плаценту в кровь матери, поэтому ему не нужна мочевая кислота. В яйце птицы зародыш в первые дни выделяет аммиак, затем короткое время мочевину, а с пятого-шестого дня — мочевую кислоту; этот ряд напоминает эволюционный порядок появления стратегий.

Азот в организме человека

Человек — уреотелик: 80–90 % азота выводится мочевиной, несколько процентов — ионом аммония, который почки выделяют для нейтрализации кислот, ещё немного — мочевой кислотой из распада пуринов и креатинином из мышц. Весь аммиак, всосавшийся из кишечника (его много производят бактерии), по воротной вене попадает в печень и обезвреживается там, не доходя до общего круга. При циррозе печени или врождённых дефектах ферментов орнитинового цикла аммиак накапливается, и развиваются спутанность сознания, судороги и кома. Дефект орнитинтранскарбамилазы — самая частая наследственная болезнь цикла, около одного случая на 50–60 тысяч новорождённых; её лечат диетой с ограничением белка и препаратами, выводящими азот обходными путями.

Мочевая кислота у человека — отход обмена пуринов, а не главный продукт. Концентрация её в крови 0,2–0,4 ммоль/л, и этого достаточно, чтобы при избытке мясной и рыбной пищи, пива или при нарушении выведения кристаллы ураты выпадали в суставах и почках — так возникают подагра и часть почечных камней. У большинства млекопитающих есть фермент уриказа, превращающий мочевую кислоту в растворимый аллантоин, но у предков человекообразных обезьян ген уриказы был выключен мутациями около 15 миллионов лет назад. Зачем — спорят: мочевая кислота — сильный антиоксидант плазмы, а по одной из гипотез, её высокий уровень помогал предкам обезьян запасать жир из фруктозы фруктов перед голодными сезонами. Так или иначе, человек платит за это подагрой.

Как отвечать на экзамене

В кодификаторе ЕГЭ азотистый обмен появляется в темах о выделении у животных и человека и о приспособлениях к среде: продукты выделения (аммиак, мочевина, мочевая кислота), органы выделения разных групп, роль печени, состав мочи, почему птицы выделяют мочевую кислоту. В ОГЭ — в теме «Выделение». Конспекты тренажёра: уроки «Почки и мальпигиевы сосуды» (тема 4.5) и «Первичная и вторичная моча, мочевина» (тема 5.6); задания — в темах 4.5 и 5.6 тренажёра ЕГЭ по биологии; для девятиклассников — урок ОГЭ «Выделение».

Интересные факты

• Белый цвет птичьего помёта — это и есть мочевая кислота; тёмная часть — кал из кишечника. Помёт морских птиц, гуано, веками был главным источником азотных удобрений, и из-за него велись войны.
• Протоптер в коконе переживал в лабораториях до четырёх лет без воды и пищи, накапливая мочевину до 1 % массы тела. Его почки за это время почти не работают, а печень превращает в мочевину даже азот собственных мышц.
• Далматины выводят с мочой в десятки раз больше мочевой кислоты, чем другие собаки: мутация переносчика в почках и печени не даёт превращать её в аллантоин. Отсюда их камни в мочевом пузыре.
• Хелицеровые — пауки и скорпионы — выводят азот в виде гуанина; те же кристаллы гуанина в коже рыб дают серебряный блеск, который имитируют в перламутровых красках.
• Бактерия Helicobacter pylori выживает в кислоте желудка благодаря уреазе: разлагая мочевину до аммиака, она окружает себя облачком щёлочи. На этом основан дыхательный тест: пациент выпивает меченую мочевину, и по меченому CO₂ в выдохе судят о заражении.
• Тараканы и некоторые другие насекомые не выводят мочевую кислоту, а складируют её в клетках жирового тела как запас азота; при белковом голодании бактерии-симбионты возвращают этот азот в обмен.
• Ген уриказы выключен не только у человека и других человекообразных обезьян, но и, независимо, у некоторых птиц и рептилий — те и так выводят мочевую кислоту, им фермент ни к чему.

Задания с разбором

Задание 1. Множественный выбор

Выберите три верных утверждения об азотистом обмене животных.

1. Аммиак — наиболее ядовитый из продуктов азотистого обмена.
2. Мочевина образуется в почках из аммиака.
3. Костистые рыбы выделяют большую часть азота через жабры в виде аммиака.
4. Мочевая кислота хорошо растворима в воде, поэтому её выведение требует много воды.
5. Птицы и пресмыкающиеся выделяют азот в основном в виде мочевой кислоты.
6. Взрослые амфибии, в отличие от головастиков, выделяют аммиак.

Задание 2. Установите соответствие

Установите соответствие между животным и главным продуктом азотистого обмена: 1) аммиак; 2) мочевина; 3) мочевая кислота.

А) карп; Б) голубь; В) человек; Г) головастик; Д) прыткая ящерица; Е) акула.

Задание 3. Установите соответствие

Установите соответствие между свойством и веществом: 1) аммиак; 2) мочевина; 3) мочевая кислота.

А) образуется в орнитиновом цикле; Б) выводится в виде кристаллов почти без воды; В) образуется без затрат АТФ; Г) накапливается в крови акул для осморегуляции; Д) откладывается в аллантоисе зародыша птицы; Е) может выводиться только диффузией в большой объём воды.

Задание 4. Установите последовательность

Установите последовательность превращений азота аминокислоты в мочевину в организме человека.

1. образование карбамоилфосфата из аммиака и CO₂ в митохондриях печени
2. трансаминирование: перенос аминогруппы на α-кетоглутарат с образованием глутамата
3. отщепление мочевины от аргинина аргиназой
4. окислительное дезаминирование глутамата с выделением NH₄⁺
5. присоединение карбамоильной группы к орнитину с образованием цитруллина
6. выведение мочевины почками с мочой

Задание 5. Расчёт

Животное массой 1 кг выводит за сутки 1 г азота. Сколько воды потребовалось бы на его выведение в виде аммиака (400 мл на 1 г азота), мочевины (50 мл) и мочевой кислоты (10 мл)? Какую долю массы тела составляет каждая величина? Какая стратегия единственно возможна для насекомого массой 1 г, выводящего 1 мг азота в сутки, если оно может потратить на это не больше 2 % массы тела?

Задание 6. Работа с рисунком

Рассмотрите схему орнитинового цикла. Из каких двух соединений молекула мочевины получает два атома азота и на каких этапах они входят в цикл? Сколько молекул АТФ тратится на один оборот и где? Какое вещество связывает орнитиновый цикл с циклом Кребса? Почему цикл назван по орнитину?

Задание 7. Найдите ошибки в тексте

Найдите три ошибки в приведённом тексте, укажите номера предложений и исправьте их.

(1) Конечные продукты азотистого обмена животных — аммиак, мочевина и мочевая кислота. (2) Аммиак образуется при дезаминировании аминокислот и очень ядовит. (3) У млекопитающих аммиак превращается в мочевину в почках. (4) Мочевину выделяют также взрослые земноводные и хрящевые рыбы. (5) Птицы выделяют мочевину, поэтому у них крупный мочевой пузырь. (6) Мочевая кислота плохо растворима в воде и выводится с минимальными потерями воды. (7) Костистые рыбы выводят аммиак главным образом с мочой через почки.

Задание 8. Развёрнутый ответ

Почему птицы выделяют азот в виде мочевой кислоты, а не мочевины или аммиака? Приведите не менее трёх причин.

Задание 9. Развёрнутый ответ

Головастик выделяет аммиак, а взрослая лягушка — мочевину. Объясните причину этого изменения и укажите, какие изменения происходят в организме при метаморфозе.

Задание 10. Развёрнутый ответ

Зародыш млекопитающего выводит азот в виде мочевины и аммиака, а зародыш птицы, начиная с первой недели развития, — в виде мочевой кислоты. Объясните различие.

Задание 11. Развёрнутый ответ

Акулы, как и млекопитающие, синтезируют мочевину, но, в отличие от них, почти не выводят её. Зачем акулам мочевина и какие приспособления связаны с её накоплением?

Задание 12. Развёрнутый ответ

При тяжёлом поражении печени у человека развивается нарушение сознания вплоть до комы. Объясните связь этого состояния с азотистым обменом и назовите механизмы токсического действия аммиака на мозг.

Литература

1. Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. В 3 т. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012–2015. Т. 2.
2. Шмидт-Нильсен К. Физиология животных: приспособление и среда. В 2 кн. М.: Мир, 1982.
3. Проссер Л. (ред.). Сравнительная физиология животных. В 3 т. М.: Мир, 1977–1978.
4. Hill R. W., Wyse G. A., Anderson M. Animal Physiology. 4th ed. Sunderland: Sinauer, 2016.
5. Randall D., Burggren W., French K. Eckert Animal Physiology: Mechanisms and Adaptations. 5th ed. New York: W. H. Freeman, 2002.
6. Krebs H. A., Henseleit K. Untersuchungen über die Harnstoffbildung im Tierkörper // Hoppe-Seyler’s Zeitschrift für physiologische Chemie. 1932. Bd. 210. S. 33–66.
7. Wright P. A. Nitrogen excretion: three end products, many physiological roles // Journal of Experimental Biology. 1995. Vol. 198. P. 273–281.
8. Wright P. A., Wood C. M. A new paradigm for ammonia excretion in aquatic animals: role of Rhesus (Rh) glycoproteins // Journal of Experimental Biology. 2009. Vol. 212. P. 2303–2312.
9. Randall D. J., Wood C. M., Perry S. F. et al. Urea excretion as a strategy for survival in a fish living in a very alkaline environment // Nature. 1989. Vol. 337. P. 165–166.
10. Smith H. W. Metabolism of the lung-fish, Protopterus aethiopicus // Journal of Biological Chemistry. 1930. Vol. 88. P. 97–130.
11. Kratzer J. T. et al. Evolutionary history and metabolic insights of ancient mammalian uricases // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2014. Vol. 111. P. 3763–3768.
12. Campbell J. W. Excretory nitrogen metabolism // Environmental and Metabolic Animal Physiology / ed. C. L. Prosser. 4th ed. New York: Wiley-Liss, 1991. P. 277–324.