В качестве объяснения Кребс и Хенселейт составили схему, которую принято сейчас называть «циклом образования мочевины» — она приведена на рис. 70. Эта схема показывает, что орнитин, цитруллин и аргинин постоянно синтезируются заново. Смотрите, при превращении орнитина в цитруллин организм добавляет одну молекулу аммиака и одну молекулу углекислоты, а при превращении цитруллина в аргинин — еще одну модекулу аммиака. Что же касается воды, то одна ее молекула добавляется организмом на этапе гидролиза аргинина, но на каждом из двух этапов одна молекула воды из системы извлекается, так что в целом можно говорить об извлечении одной молекулы воды. И в конце концов при гидролизе аргинина извлекается одна молекула мочевины. Вот как выглядит запись всей реакции в целом:
Конечно, приведенная схема цикла образования мочевины сильно упрощена. Никто из выдвинувших ее на самом деле, конечно, не считал, что на входе подается молекула аммиака как таковая. Аммиак — очень ядовитое вещество, и в организме в чистом виде встречаться не может. Однако только в 50-х годах XX века, когда начали проводить эксперименты с изотопным маркированием, стали известны подробности этих реакций.
Выяснилось, что азотсодержащие группы добавляются в виде аминогрупп, получаемых из аминокислот. При переходе от орнитина к цитруллину глютаминовая кислота (одна из наиболее распространенных аминокислот) отдает и аминогруппу, и эквивалент углекислоты. В этом случае она должна использовать высокоэнергетическую фосфатную связь, поручаемую из АТФ. При переходе от цитруллина к аргинину аминогруппу отдает другая аминокислота, аспарагиновая, и снова за счет АТФ.
То есть производство мочевины — это энергоемкая реакция. На каждой итерации цикла потребляется по две молекулы АТФ.
Не стоит считать, что единственными аминокислотами, способными отдавать аминогруппу на производство мочевины, являются глютаминовая и аспарагиновая кислоты. В 30-х годах XX века, работая с изотопом N15, о чем я рассказывал в этой же главе, Шёнхеймер установил, что если дать на входе один вид аминокислоты, помеченный изотопом, то вскоре изотопы окажутся в составе аминокислот всех видов, за исключением лизина. Естественно, напрашивается вывод, что аминогруппа легко передается от одного вещества к другому. Были обнаружены и ферменты, катализирующие подобные реакции (трансаминазы), и установлены подробности переносов, получивших название «трансаминирование» (от «транс» — перенос и «амино»). После трансаминирования аминогруппу NH2 заменяет связанный двойной связью кислород (рис. 71).
Трансаминазы представляют собой пример ферментов, использующих в качестве кофермента пиридоксальфосфат, в котором содержится группа атомов, организмом не синтезируемая в принципе. Так был обнаружен еще один витамин группы В, пиридоксин.
Итак, движение аминогрупп осуществляется от аминокислот в целом к глютаминовой кислоте и аспарагиновой кислоте, а от них уже в цикл производства мочевины. Те аминокислоты, в состав которых входит лишний атом азота или атом серы, избавляются от них с помощью механизмов, которые я здесь не буду описывать. Достаточно будет сказать, что, так или иначе, все атомы азота и серы устраняются и остается только «углеродный скелет».
Этот углеродный скелет может представлять собой одно из тех веществ, с которыми мы уже сталкивались при описании катаболизма углеводов или белков. К примеру, когда аланин подвергается трансаминации, он теряет аминогруппу и приобретает связанный двойной связью кислород, вследствие чего образуется пировиноградная кислота.
С помощью кофермента А пировиноградная кислота избавляется от гидроксильной группы обычным способом, и образуется ацетилкофермент А, который уже может вступить в цикл Кребса. Для организма нет разницы, образована ли пировиноградная кислота из глюкозы или из аланина. И в том и в другом случае это одна и та же пировиноградная кислота, с одним и тем же энергетическим содержанием. Другие аминокислоты, например валин, серии, треонин и цистеин, тоже преобразуются, несколько более длинным путем, в пировиноградную кислоту.