Harnstoffzyklus Ort
Der Harnstoffzyklus findet ausschließlich in den Hepatozyten der Leber statt. Auf zellulärer Ebene sind Enzyme der mitochondrialen Matrix, Transporter der Mitochondrienmembran sowie Enzyme im Zytosol beteiligt. Harnstoff entsteht durch eine hydrolytische Spaltung von Arginin im Zytosol.
Der benannte Zyklus ist für die Regeneration des Arginins aus Ornithin verantwortlich und sichert somit das Ausscheiden überflüssigen Stickstoffs.
Harnstoffzyklus Schritt1
Zunächst wird innerhalb der Mitochondrienmatrix Carbamoylphosphat durch die Carbamoylphosphat-Synthetase 1 gebildet. Bei dieser Reaktion werden 2 ATP zu 2 ADP + 1 Pi umgesetzt, damit HCO3– mit NH4+ reagieren kann. Ein Phosphatrest verbleibt im Produkt und dient im zweiten Schritt der Synthese von Citrullin
Harnstoffzyklus Schritt2
Ornithin, welches in der Mitochondrienmatrix bereitliegt reagiert mit Carbamoylphosphat zu Citrullin, wobei der Phosphatrest des Carbamoylphosphats abgespalten wird. Katalysiert wird diese Reaktion durch die Ornithin-Carbamoyl-Transferase
Harnstoffzyklus Schritt3
Katalysiert durch die Argininosuccinat-Synthetase reagiert nun Citrullin ATP-abhängig mit Aspartat zu Argininosuccinat. Hierbei entsteht AMP, welches unter Aufwand von 2 Kinase-Reaktionen zu ATP regeneriert werden kann. Die Energie des ATP ist nötig, um die Aminogruppe der Aminosäure Aspartat mit dem Kohlenstoffatom, des ursprünglich dem Carbamoylphosphat entstammt, zu verbinden.
Harnstoffzyklus Schritt4
Durch die Argininosuccinat-Lyase wird Fumarat von Argininosuccinat abgespalten, sodass Arginin mit der charakteristischen Guanidinogruppe entsteht
Harnstoffzyklus Schritt5
Jetzt kann Harnstoff mithilfe einer hydrolytischen Reaktion durch die Arginase abgespalten werden, sodass Ornithin entsteht. Ornithin gelangt durch den ORNT im Austausch mit Citrullin in die Mitochondrienmatrix, womit der Zyklus mit Schritt 2 von vorne beginnen kann.
Harnstoffzyklus Abbildung
Regulation Harnstoffzyklus
Schrittmacherenzym des Harnstoffzyklus ist die Carbamoylphosphat-Synthetase 1. Diese wird allosterisch durch ein erhöhtes Vorkommen von N-Acetylglutamat aktiviert.
Dieses Molekül ist einerseits Abbild einer erhöhten Glutamatkonzentration und damit eines vermehrten Vorliegens von Stickstoff, andererseits ein Signal dafür, dass genügend Energie für den Ablauf des Harnstoffzyklus zur Verfügung steht, da ausreichend Acetyl-CoA für den Citratzyklus vorhanden ist.
Beide Bedingungen sind für eine sinnvolle Hochregulierung des Harnstoffzyklus notwendig.
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