Harnstoff

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Harnstoff-Zyklus
Harnstoff (Kohlensäurediamid, lat. Urea Pura) – nicht zu verwechseln mit Harnsäure – ist eine
organische Verbindung, die von vielen Tieren als ein Endprodukt des Stoffwechsels von
Stickstoffverbindungen (z.B. Aminosäuren) im sogenannten Harnstoffzyklus (in der Leber)
produziert und anschließend (über die Niere) im Urin ausgeschieden wird. Reiner Harnstoff ist ein
weißer, kristalliner, geruchloser, ungiftiger und hygienisch unbedenklicher Feststoff.
Transaminierung - Transferasen
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/transamd.html
Beim Abbau vom Proteinen werden die Peptidbindungen durch Peptidasen hydrolytisch gespalten.
Sollen die Aminosäuren weiter abgebaut werden, muss der Organismus die Freisetzung von
Ammoniak (NH3) verhindern, da Ammoniak ein starkes Zellgift ist.
Die meisten Aminosäuren werden daher zunächst transaminiert. Bei diesem Prozess, für den
Pyridoxalphosphat (PLP) als Co-Substrat nötig ist, wird die Aminogruppe auf eine -Ketosäure
(2-Oxosäure) übertragen, wobei aus der Aminosäure eine -Ketosäure wird und aus der
vorherigen -Ketosäure eine Aminosäure.
Beispiele:
CH3
Alanin
COOH
CH
GPT
(ALT, ALAT)
CH3
NH 2
Phenylalanin
CH2
CH
Pyruvat
COOH
CO
Phenylpyruvat
CH2
COOH
COOH
CO
NH2
Aspartat (Asparaginsäure)
HOOC
CH2 CH
COOH
GOT
(AST, ASAT)
HOOC
Oxalacetat
CH2 CO
COOH
NH2
Glutamat (Glutaminsäure)
HOOC
CH2 CH2
COOH
CH
g-GT
HOOC
Ketoglutarat
CH2 CH2 CO
NH2
GPT, ALT (ALAT) : Glutamat-Pyruvat-Transaminase (Alanin-Transferase)
GOT, AST (ASAT) : Glutmat-Oxalacetat-Transaminase (Aspartat-Transferase)
g-GT: Gamma-Glutamyl-Transferase
COOH
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Durch diesen Prozess können nicht essentielle Aminosäuren für die Proteinbiosynthese oder zur
Erzeugung biogener Amine gewonnen werden, oder es werden Asparaginsäure und
Glutaminsäure gebildet, die in den Harnstoffzyklus (in der Leber) eingeschleust werden.
Im Harnstoffzyklus erfolgt dann die eigentliche "Ammoniak-Entgiftung".
Aminotransferasen im Stoffwechsel:
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Im Verlauf des Harnstoffzyklus wird Harnstoff aus einem Molekül Ammoniak und Bicarbonat
sowie aus dem α-Aminostickstoff von Aspartat zusammengesetzt.
Die Biosynthese eines Moleküls Harnstoff nach der Brutto-Gleichung
2 NH3 + CO2 + 3 ATP → CO(NH2)2 + 2 ADP + AMP + 4 Pi + H 2O
erfordert unmittelbar 3 Moleküle ATP bzw. die Spaltung von vier energiereichen Bindungen.
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Der Harnstoffzyklus ist sowohl im Mitochondrium als auch im Cytosol (der Leberzellen)
lokalisiert. Hieraus wird sogleich der Bedarf eines oder mehrerer Transporter über die innere MitoMembran erkenntlich.

 Im Mitochondrium erfolgt die Verbindung der Trägersubstanz mit einer der zwei
Aminogruppen,

 im Cytosol wird dann die zweite Aminogruppe angelagert und Harnstoff damit vollständig
synthetisiert.
Beschreibung des Harnstoff-Zyklus:
Eine der Reaktionen, bei welcher in der Leber ein erheblicher Anteil an Ammoniak entsteht, ist die
NAD+-abhängige oxidative Desaminierung von Glutamat. Das Enzym CarbamylphosphatSynthetase katalysiert die Bildung von Carbamylphosphat aus Ammoniak und CO 2 unter
Verbrauch von zwei Molekülen ATP (Abb. 1). Diese Reaktion läuft in den Mitochondrien der
Hepatozyten ab.
Carbamyl-Phosphat ist das Eintrittsprodukt in den eigentlichen Harnstoffzyklus, der aber im
Cytosol abläuft. Also muss Carbamoyl-Phosphat auch in das Cytosol gebracht werden. Es gibt
aber keinen Carrier für Carbamoyl-Phosphat. Also muss es auf einen Transporter gesetzt werden,
für den Carrier-Proteine in der inneren Mito-Membran gibt. Die Lösung heißt Ornithin/Citrullin.
Beides sind nicht-proteinogene alpha-L-Aminosäuren, sie unterscheiden sich genau in dem auf
Ornithin gesetzten Carbamat-Rest und für sie existieren Carrier.
Vom Carbamylphosphat wird die Carbamyl-Gruppe auf Ornithin unter Bildung von Citrullin und
Freisetzung von Phosphat übertragen. Diese Reaktion wird durch das Enzym OrnithinTranscarbamylase katalysiert. Citrullin wird aus den Mitochondrien in das Cytosol transportiert.
Eine zweite Aminogruppe wird durch Aspartat in den Zyklus eingeschleust.
Die Aminogruppe von Asparatat kondensiert mit der Carbonylgruppe des Citrullins, wobei
Argininosuccinat entsteht. Diese Reaktion erfordert ein Molekül ATP und als Enzym
Argininosuccinat-Synthetase.
Argininosuccinat wird durch Argininosuccinatlyase in Fumarsäure und Arginin gespalten.
Harnstoffausscheidende Organismen besitzen eine hohe Aktivität des Enzyms Arginase, durch
dessen Wirkung Arginin hydrolytisch in Harnstoff und Ornithin gespalten wird; das Gleichgewicht
liegt weit auf der Seite von Harnstoff und Ornithin.
Der Harnstoff wird ausgeschieden, während das Ornithin wieder in die Mitochondrien transportiert
wird.
Allgemeine Fragestellungen:
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Welche energiereichen (Ver)bindungen kommen im Harnstoffzyklus vor?
Um welchen chemischen Bindungstyp handelt es sich dabei?
Welches Coenzym wird von Aminotransferasen benötigt?
Worin besteht eine Wechselbeziehung zwischen Harnstoffzyklus und Citratzyklus?