41.4: النفايات النيتروجينية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196227

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

المهارات اللازمة للتطوير

قارن وقارن بين الطريقة التي يمكن بها للحيوانات المائية والحيوانات الأرضية التخلص من الأمونيا السامة من أنظمتها
قارن المنتج الثانوي الرئيسي لاستقلاب الأمونيا في الحيوانات الفقارية مع الطيور والحشرات والزواحف

من بين الجزيئات الأربعة الرئيسية في الأنظمة البيولوجية، تحتوي كل من البروتينات والأحماض النووية على النيتروجين. أثناء هدم أو تكسير الجزيئات الكبيرة المحتوية على النيتروجين، يتم استخراج الكربون والهيدروجين والأكسجين وتخزينها في شكل كربوهيدرات ودهون. يتم إخراج النيتروجين الزائد من الجسم. تميل النفايات النيتروجينية إلى تكوين الأمونيا السامة، مما يرفع درجة الحموضة في سوائل الجسم. يتطلب تكوين الأمونيا نفسها طاقة في شكل ATP وكميات كبيرة من الماء لتخفيفها خارج النظام البيولوجي. تميل الحيوانات التي تعيش في البيئات المائية إلى إطلاق الأمونيا في الماء. يقال إن الحيوانات التي تفرز الأمونيا هي أمونية. طورت الكائنات الأرضية آليات أخرى لإخراج النفايات النيتروجينية. يجب على الحيوانات إزالة السموم من الأمونيا عن طريق تحويلها إلى شكل غير سام نسبيًا مثل اليوريا أو حمض اليوريك. تنتج الثدييات، بما في ذلك البشر، اليوريا، بينما تنتج الزواحف والعديد من اللافقاريات الأرضية حمض اليوريك. تسمى الحيوانات التي تفرز اليوريا كمواد نفايات النيتروجين الأولية الحيوانات اليوريوتية.

النفايات النيتروجينية في الحيوانات الأرضية: دورة اليوريا

دورة اليوريا هي الآلية الأساسية التي تقوم من خلالها الثدييات بتحويل الأمونيا إلى اليوريا. يتم تصنيع اليوريا في الكبد ويتم إفرازها في البول. التفاعل الكيميائي الكلي الذي يتم من خلاله تحويل الأمونيا إلى اليوريا هو 2 NH ₃ (الأمونيا) + CO ₂ + 3 ATP + H ₂ O → H ₂ N-CO-NH ₂ (اليوريا) + 2 ADP + 4 P _i + AMP.

تستخدم دورة اليوريا خمس خطوات وسيطة، تحفزها خمسة إنزيمات مختلفة، لتحويل الأمونيا إلى اليوريا، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\). يتم تحويل الحمض الأميني L-ornithine إلى مواد وسيطة مختلفة قبل تجديده في نهاية دورة اليوريا. ومن ثم، يشار إلى دورة اليوريا أيضًا باسم دورة الأورنيثين. يحفز إنزيم أورنيثين ترانسكارباميلاز خطوة رئيسية في دورة اليوريا ويمكن أن يؤدي نقصه إلى تراكم مستويات سامة من الأمونيا في الجسم. تحدث التفاعلتان الأوليان في الميتوكوندريا وتحدث التفاعلات الثلاثة الأخيرة في السيتوسول. يستخدم تركيز اليوريا في الدم، والذي يسمى نيتروجين اليوريا في الدم أو BUN، كمؤشر لوظائف الكلى.

تبدأ دورة اليوريا في الميتوكوندريا، حيث يتم دمج البيكربونات (HCO3) مع الأمونيا (NH3) لصنع فوسفات الكاربامويل. يتم استخدام اثنين من ATP في هذه العملية. يضيف أورنيثين ترانسكارباميلاز فوسفات الكاربامويل إلى حمض أميني من خمسة كربون يسمى أورنيثين لصنع L-سيترولين. يترك إل-سيترولين الميتوكوندريا، ويضيف إنزيم يسمى أرجينوسكسينات سينثيتاس حمضًا أمينيًا رباعي الكربون يسمى L-aspartate إليه لصنع أرجينوسكسينات. في هذه العملية، يتم تحويل ATP واحد إلى AMP و PPI. يزيل اللياز الأرجينوسكسينات جزيء فومارات رباعي الكربون من الأرجينوسكسينات، مكونًا الحمض الأميني سداسي الكربون إل-أرجينين. يزيل Arginase-1 جزيء اليوريا من إل-أرجينين، ويشكل الأورنيثين في هذه العملية. تحتوي اليوريا على كربون واحد مزدوج الارتباط بالأكسجين وواحد مرتبط بمجموعتين من الأمونيا. يدخل الأورنيثين الميتوكوندريا ليكمل الدورة. — الشكل\(\PageIndex{1}\): تقوم دورة اليوريا بتحويل الأمونيا إلى اليوريا.

اتصال التطور: إفراز النفايات النيتروجينية

تقترح نظرية التطور أن الحياة بدأت في بيئة مائية. ليس من المستغرب أن نرى أن المسارات البيوكيميائية مثل دورة اليوريا تطورت للتكيف مع البيئة المتغيرة عندما تطورت أشكال الحياة الأرضية. ربما أدت الظروف القاحلة إلى تطور مسار حمض اليوريك كوسيلة للحفاظ على المياه.

النفايات النيتروجينية في الطيور والزواحف: حمض اليوريك

تقوم الطيور والزواحف ومعظم المفصليات الأرضية بتحويل الأمونيا السامة إلى حمض اليوريك أو مركب الجوانين المرتبط ارتباطًا وثيقًا (ذرق الطائر) بدلاً من اليوريا. تشكل الثدييات أيضًا بعض حمض اليوريك أثناء تكسير الأحماض النووية. حمض اليوريك هو مركب مشابه للبيورينات الموجودة في الأحماض النووية. إنه غير قابل للذوبان في الماء ويميل إلى تكوين عجينة أو مسحوق أبيض؛ تفرزه الطيور والحشرات والزواحف. يتطلب تحويل الأمونيا إلى حمض اليوريك مزيدًا من الطاقة وهو أكثر تعقيدًا بكثير من تحويل الأمونيا إلى اليوريا\(\PageIndex{2}\).

يُظهر الجزء أ صورة لأسماك المياه العذبة ويذكر أن العديد من اللافقاريات والأنواع المائية تفرز الأمونيا. التركيب الكيميائي للأمونيا هو NH3. يُظهر الجزء ب صورة لفأر الخشب ويذكر أن الثدييات والعديد من البرمائيات البالغة وبعض الأنواع البحرية تفرز اليوريا. يظهر التركيب الكيميائي لليوريا. تحتوي اليوريا على مجموعتين من NH2 مرتبطتين بالكربون المركزي. يتم أيضًا ربط الأكسجين بشكل مزدوج بهذا الكربون المركزي. يُظهر الجزء C صورة حمامة ويذكر أن الحشرات والقواقع البرية والطيور والعديد من الزواحف تفرز حمض اليوريك. يظهر التركيب الكيميائي لحمض اليوريك. يحتوي حمض اليوريك على حلقة كربونية ذات ستة أعضاء متصلة بحلقة مكونة من خمسة أعضاء. تحتوي كل حلقة على مجموعتين من NH مضمنة فيها. يتم ربط الأكسجين بشكل مزدوج بكل حلقة. — الشكل\(\PageIndex{2}\): تفرز النفايات النيتروجينية بأشكال مختلفة من قبل أنواع مختلفة. وهي تشمل (أ) الأمونيا، (ب) اليوريا، (ج) حمض اليوريك. (المرجع أ: تعديل العمل من قبل إريك إنغبريتسون، USFWS؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل B. «Moose» Peterson، USFWS؛ الائتمان ج: تعديل العمل من قبل ديف مينكي، USFWS)

الاتصال اليومي: النقرس

تستخدم الثدييات بلورات حمض اليوريك كمضاد للأكسدة في خلاياها. ومع ذلك، فإن الكثير من حمض اليوريك يميل إلى تكوين حصوات الكلى وقد يسبب أيضًا حالة مؤلمة تسمى النقرس، حيث تتراكم بلورات حمض اليوريك في المفاصل، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{3}\). تساعد الخيارات الغذائية التي تقلل من كمية القواعد النيتروجينية في النظام الغذائي على تقليل خطر النقرس. على سبيل المثال، يحتوي الشاي والقهوة والشوكولاتة على مركبات تشبه البيورين، تسمى الزانثين، ويجب تجنبها من قبل الأشخاص المصابين بالنقرس وحصى الكلى.

تظهر الصورة إصبع قدم منتفخ وأحمر. — الشكل\(\PageIndex{3}\): يسبب النقرس الالتهاب المرئي في مفصل إصبع القدم الكبير الأيسر لهذا الشخص. (مصدر الصورة: «Gonzosft» /ويكيميديا كومنز)

ملخص

الأمونيا هي النفايات الناتجة عن استقلاب المركبات المحتوية على النيتروجين مثل البروتينات والأحماض النووية. في حين يمكن للحيوانات المائية أن تفرز الأمونيا بسهولة في محيطها المائي، فقد طورت الحيوانات الأرضية آليات خاصة للتخلص من الأمونيا السامة من أنظمتها. اليوريا هي المنتج الثانوي الرئيسي لعملية التمثيل الغذائي للأمونيا في الحيوانات الفقارية. حمض اليوريك هو المنتج الثانوي الرئيسي لاستقلاب الأمونيا في الطيور والمفصليات الأرضية والزواحف.

مسرد المصطلحات

الأمونيا: مركب مصنوع من ذرة نيتروجين واحدة وثلاث ذرات هيدروجين

اللامونوتيلية: يصف الحيوان الذي يفرز الأمونيا كمادة النفايات الأولية

مضادات الأكسدة: عامل يمنع تدمير الخلايا بواسطة أنواع الأكسجين التفاعلية

نيتروجين اليوريا في الدم (BUN): تقدير اليوريا في الدم ومؤشر وظائف الكلى

دورة اليوريا: المسار الذي يتم من خلاله تحويل الأمونيا إلى اليوريا

اليوريتيلي: يصف الحيوانات التي تفرز اليوريا كمواد النفايات النيتروجينية الأولية

حمض اليوريك: منتج ثانوي لاستقلاب الأمونيا في الطيور والحشرات والزواحف