Il ciclo dell'urea

Gli organismi viventi eliminano l'azoto in eccesso che deriva dalla demolizione metabolica degli amminoacidi con uno di tre possibili sistemi. (1) Molti animali acquatici eliminano semplicemente ammoniaca. Dove c'è meno abbondanza di acqua, però i processi si sono evoluti in modo da convertire l'ammoniaca in prodotti di scarto meno tossici come (2) l'urea, escreta dalla maggior parte dei vertebrati terrestri. (3) un'altra è l'acido urico, che viene escreto da uccelli e rettili terrestri. Comunque, l'urea viene sintetizzata nel fegato ad opera degli enzimi del ciclo dell'urea. Essa viene quindi secreta nel sangue e sequestrata dai reni per essere escreta nelle urine. Nel ciclo dell'urea sono coinvolte cinque reazioni enzimatiche, due delle quali sono mitocondriali e tre citosoliche. I due atomi di azoto dell'urea sono forniti da ammoniaca e aspartato mentre l'atomo di carbonio deriva da HCO3-. Le cinque reazioni sono:
1.La carbamil fosfato sintetasi (CPS), catalizza la condensazione e l'attivazione di NH4+ e di HCO3- per formare carbamil fosfato con la concomitante idrolisi di due ATP. Questa reazione in generale coinvolge tre passaggi: (1) l'attivazione di HCO3- da parte di ATP che genera carbonil fosfato e ADP; (2) l'attacco di ammoniaca sul carbonil fosfato, che sposta il fosfato formando carbammato e Pi; (3) la fosforilazione del carbammato da parte del secondo ATP che forma carbamil fosfato.
2.L'ornitina transcarbamilasi trasferisce il gruppo carbamilico del carbamil fosfato all'ornitina generando citrullina. La reazione ha luogo nel mitocondrio così che l'ornitina, che è prodotta nel citosol, deve entrare ed uscire dal mitocondrio per mezzo di un sistema di trasporto specifico;
3.Il secondo atomo di azoto dell'urea viene introdotto nella terza reazione del ciclo dell'urea quando il gruppo ureidico della citrullina viene condensato con un gruppo amminico dell'aspartato dalla arginino succinato sintetasi;
4.Con la formazione di arginino succinato sono stati assemblati tutti i componenti della molecola di urea. Tuttavia il gruppo amminico fornito dall'aspartato è ancora attaccato allo scheletro carbonioso dell'aspartato stesso. A questa situazione pone rimedio l'eliminazione catalizzata dalla arginino succinasi dell'arginina dallo scheletro carbonioso dell'aspartato con formazione di fumarato. (Notare come il ciclo dell'urea e il ciclo dell'acido citrico siano collegati attraverso la produzione di fumarato);
5.La quinta ed ultima reazione del ciclo dell'urea è l'idrolisi catalizzata dalla arginasi dell'arginina che genera urea e rigenera l'ornitina. Quest'ultima viene quindi riportata al mitocondrio per un'altra ripresa del ciclo.