Lernziele
Am Ende dieses Abschnitts können Sie:
- Vergleichen und kontrastieren Sie die Art und Weise, wie Wassertiere und Landtiere giftiges Ammoniak aus ihren Systemen eliminieren können
- Vergleichen Sie das Hauptnebenprodukt des Ammoniakstoffwechsels bei Wirbeltieren mit dem von Vögeln, Insekten und Reptilien
Von den vier Hauptmakromolekülen in biologischen Systemen enthalten sowohl Proteine als auch Nukleinsäuren Stickstoff. Während des Katabolismus oder Abbaus von stickstoffhaltigen Makromolekülen werden Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff extrahiert und in Form von Kohlenhydraten und Fetten gespeichert. Überschüssiger Stickstoff wird aus dem Körper ausgeschieden. Stickstoffhaltige Abfälle neigen dazu, giftiges Ammoniak zu bilden, das den pH-Wert von Körperflüssigkeiten erhöht. Die Bildung von Ammoniak selbst erfordert Energie in Form von ATP und große Mengen Wasser, um es aus einem biologischen System zu verdünnen. Tiere, die in Gewässern leben, neigen dazu, Ammoniak ins Wasser freizusetzen. Tiere, die Ammoniak ausscheiden, sollen ammonotelisch sein. Terrestrische Organismen haben andere Mechanismen entwickelt, um stickstoffhaltige Abfälle auszuscheiden. Die Tiere müssen Ammoniak entgiften, indem sie es in eine relativ ungiftige Form wie Harnstoff oder Harnsäure umwandeln. Säugetiere, einschließlich Menschen, produzieren Harnstoff, während Reptilien und viele wirbellose Landtiere Harnsäure produzieren. Tiere, die Harnstoff als primäres stickstoffhaltiges Abfallmaterial absondern, werden als ureotelische Tiere bezeichnet.
Stickstoffhaltige Abfälle bei Landtieren: Der Harnstoffzyklus
Der Harnstoffzyklus
ist der primäre Mechanismus, durch den Säugetiere Ammoniak in Harnstoff umwandeln. Harnstoff wird in der Leber hergestellt und im Urin ausgeschieden. Die gesamte chemische Reaktion, durch die Ammoniak in Harnstoff umgewandelt wird, ist 2 NH3 (Ammoniak) + CO2 + 3 ATP + H2O → H2N-CO-NH2 (Harnstoff) + 2 ADP + 4 Pi + AMP.
Der Harnstoffzyklus verwendet fünf Zwischenschritte, die durch fünf verschiedene Enzyme katalysiert werden, um Ammoniak in Harnstoff umzuwandeln, wie in Abbildung 22.12 gezeigt. Die Aminosäure L-Ornithin wird in verschiedene Zwischenprodukte umgewandelt, bevor sie am Ende des Harnstoffzyklus regeneriert wird. Daher wird der Harnstoffzyklus auch als Ornithinzyklus bezeichnet. Das Enzym Ornithin-Transcarbamylase katalysiert einen Schlüsselschritt im Harnstoffzyklus und sein Mangel kann zur Ansammlung toxischer Ammoniakspiegel im Körper führen. Die ersten beiden Reaktionen finden in den Mitochondrien und die letzten drei Reaktionen im Cytosol statt. Die Harnstoffkonzentration im Blut, genannt Blutharnstoffstickstoff oder BUN, wird als Indikator für die Nierenfunktion verwendet.
Ausscheidung von stickstoffhaltigen Abfällen
Die Evolutionstheorie schlägt vor, dass das Leben in einer aquatischen Umwelt begann. Es ist nicht überraschend zu sehen, dass sich biochemische Wege wie der Harnstoffzyklus entwickelt haben, um sich an eine sich verändernde Umgebung anzupassen, als sich terrestrische Lebensformen entwickelten. Trockene Bedingungen führten wahrscheinlich zur Entwicklung des Harnsäurewegs als Mittel zur Wassereinsparung.