วัฏจักรยูเรีย

วัฏจักรยูเรีย () หรือวัฏจักรออร์นีไธน์ () เป็นวัฏจักรที่ประกอบด้วยปฏิกิริยาชีวเคมีที่ผลิตยูเรีย (NH2)2CO จากแอมโมเนีย (NH3) วัฏจักรนี้พบในชิ่งมีชีวิตยูเรออเทลิก (ureotelic; สิ่งมีชีวิตที่ขับถ่ายไนโตรเจนในรูปของยูเรีย) โดยวัฏจักรยูเรียจะเปลี่ยนแอมโมเนียซึ่งมีความเป็นพิษสูงไปเป็นยูเรียเพื่อนำไปขับถ่าย วัฏจักรนี้เป็นวัฏจักรเมตาบอลิกแรกที่ถูกค้นพบ (โดยฮานส์ เครบส์ และ เคิร์ท เฮนเซเลท ในปี 1932) ห้าปีก่อนหน้าการค้นพบวัฏจักรกรดซิตริก ต่อมาวัฏจักรยูเรียได้มีการอธิบายลงรายละเอียดเพิ่มเติมในภายหลังโดยแรทเนอร์ (Ratner) และคอเฮ็น (Cohen) วัฏจักรยูเรียเกิดขึ้นหลัก ๆ ในตับ และบ้างในไต

หน้าที่
คาทาบอลิสซึมของกรดอะมิโนให้ขอเสียเป็นแอมโมเนีย สัตว์ทุกชนิดจำเป็นต้องหาวิธีในการขับถ่ายสิ่งนี้ออก สัตว์น้ำส่วนใหญ่หรือสิ่งมีชีวิตแอมโมโนเทลิก (ammonotelic) ขับถ่ายแอมโมเนียออกโดยตรงโดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นสารอื่นก่อน สิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถกำจัดไนโตรเจนในรูปแอมโมเนียได้อย่างง่ายดายและปลอดภัยจะแปลงแอมโมเนียเป็นสารที่เป็นพิษต่ำกว่า เช่น ยูเรีย หรือ กรดยูริก ผ่านวัฏจักรยูเรีย ที่เกิดขึ้นหลัก ๆ ภายในตับ ยูเรียที่ผลิตโดยตับนั้นจะถูกปล่อยเข้ามาในกระแสเลือดและส่งต่อไปยังไตและในที่สุดจะถูกขับถ่ายออกในปัสสาวะ วัฏจักรยูเรียจึงจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้ เพราะหากไนโตรเจนหรือแอมโมเนียไม่ถูกกำจัดออกอาจเป็นภัยร้ายแรงต่อสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ ในสปีชีส์เช่นนกและแมลงส่วนใหญ่นั้นแอมโมเนียจะถูกแปลงเป็นกรดยูริกหรือตู่เบสของกรดยูริก (เกลือยูเรต; urate salt) ที่ซึ่งจะขับถ่ายออกในรูปของแข็ง

ปฏิกิริยา
กระบวนการทั้งหมดเป็นการแปลงหมู่อะมิโนสองหมู่ จาก  และจาก แอสปาร์เตต กับอะตอมคาร์บอนหนึ่งอะตอมจาก  ให้กลายเป็นผลผลิตสำหรับขับถ่ายที่ไม่มีความพิษสูง ยูเรีย โดยใช้พลังงานจากพันธะฟอสเฟตพลังงานสูง (ATP 3 โมเลกุล ซึ่งจะถูกไฮโดรไลส์เป็น ADP 2 โมเลกุล และ AMP 1 โมเลกุล) การแปลงจากแอมโมเนียเป็นยูเรียนี้เกิดขึ้นผ่านห้าขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือการนำแอมโมเนียเข้าในวัฏจักร ส่วนอีกสี่ั้นนั้นคือวัฏจักรยูเรียสี่ขั้นตอน ในการเข้าสู่วัฏจักร แอมโมเนียจะถูกแปลงเป็นคาร์บอมิลฟอสเฟต (carbamoyl phosphate) วัฏจักรยูเรียนั้นประกอบด้วยปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์เร่งสี่ปฏิกิริยา ซึ่งเกิดขึ้นในไมโทคอนเดรียหนึ่งขั้นและอีกสามขั้นเกิดในไซโทซอลของเซลล์

 + ปฏิกิริยาในวัฏจักรยูเรีย
  ขั้นที่ สารตั้งต้น  ผลิตภัณฑ์  ตัวเร่งและเอนไซม์  สถานที่
   1
  NH3 +  + 2ATP  carbamoyl phosphate + 2ADP + Pi   CPS1  ไมโทคอนเดรีย
   2
  carbamoyl phosphate + ornithine  citrulline + Pi   OTC, สังกะสี, ดีบุกทางชีวภาพ (biotin)  ไมโทคอนเดรีย
   3
  citrulline + aspartate + ATP  argininosuccinate + AMP + PPi   ASS   ไซโทซอล
   4
  argininosuccinate  arginine + fumarate   ASL  ไซโทซอล
   5
  arginine + H2O  ornithine + urea   ARG1, manganese ไซโทซอล

ปฏิกิริยาในวัฏจักรยูเรีย
1 L-ornitine2 carbamoyl phosphate3 L-citrulline4 argininosuccinate5 fumarate6 L-arginine7 urea L-Asp L-aspartateCPS-1 carbamoyl phosphate synthetase IOTC Ornithine transcarbamoylaseASS argininosuccinate synthetaseASL argininosuccinate lyaseARG1 arginase 1

 ความเกี่ยวโยงกับวัฏจักรกรดซิตริก 
วัฏจักรยูเรียและวัฏจักรกรดซิตริกนั้นเป็นอิสระต่อกันแต่มีความเกี่ยวโยงกัน หนึ่งในไนโตรเจนในวัฏจักรยูเรียนั้นได้รับมาจากกระบวนการทรานสะมีเนชัน (transamination) ของออกซาโลอะซีเตต (oxaloacetate) ไปเป็นแอสปาร์เตต (aspartate) ส่วนฟูมาเรต (fumarate) ที่ผลิตในขั้นที่สามของวัฏจักรยูเรียนั้นยังคงเป็นสารมัธยันตร์ (intermediate) ในวัฏจักรกรดซิตริกและกลับคืนไปยังวัฏจักรนั้น

ความผิดปกติที่เกี่ยวข้อง

 รายชื่อโรคเดี่ยว 
ภาวะบกพร่องเอนไซม์ N-Acetylglutamate synthase (NAGS) 
ภาวะบกพร่องเอนไซม์ Carbamoyl phosphate synthetase (CPS)
ภาวะบกพร่องเอนไซม์ Ornithine transcarbamoylase (OTC)
Citrullinemia Type I (ภาวะบกพร่องเอนไซม์ argininosuccinic acid synthase)
Argininosuccinic aciduria (ภาวะบกพร่องเอนไซม์ argininosuccinic acid lyase)
Argininemia (ภาวะบกพร่องเอนไซม์ arginase)
กลุ่มอาการ Hyperornithinemia, hyperammonemia, homocitrullinuria (HHH) (ภาวะบกพร่องตัวขนส่ง ornithine ในไมโทคอนเดรีย)

ภาพเพิ่มเติม

อ้างอิง

แหล่งข้อมูลอื่น
ตรรกะทางเคมีเบื้องหลังวัฏจักรยูเรีย (ภาษาอังกฤษ)
นิวโรเคมีพื้นฐาน - ความผิดปกติเกี่ยวกับกรดอะมิโน (ภาษาอังกฤษ)

หมวดหมู่:กระบวนการของเซลล์

หมวดหมู่:การเผาผลาญไนโตรเจน