background image

Clinical biochemistry  second stage   lecture 3                                Dr.Thana Alsewedy 

                                     

 

 

 

1

Nitrogen Excretion and the Urea Cycle

Excess amino Nitrogen from amino acids is removed as ammonia, which 
is  toxic  to  the  human  body.  Some  ammonia  is  excreted  in  urine,  but 
nearly  90%  of  it  is  utilized  by  the  liver  to  form  urea,  which  is  highly 
soluble and is passed in to circulation for being excreted by the kidneys. 
Daily  excretion  of  urea  amounts  to  about  30g  with  a  protein  intake  of 
nearly 100g in the food.  
 

  

Figure 1.

 

Sources and fate of ammonia 

 

  

DISPOSAL/DETOXIFICATION OF AMMONIA 

1. First line of Defense (Trapping of ammonia) 

Being highly toxic, ammonia should be eliminated or detoxified, as and when 
it is formed. Even very minute quantity of ammonia may produce toxicity in 
central nervous system. But, ammonia is always produced by almost all cells, 
including  neurons.  The  intracellular  ammonia  is  immediately  trapped  by 
glutamic  acid  to  form  glutamine,  especially  in  brain  cells  (Fig.  2).  The 
glutamine  is  then  transported  to  liver,  where  the  reaction  is  reversed  by  the 
enzyme  glutaminase  (Fig.  2).  The  ammonia  thus  generated  is  immediately 
detoxified into urea .Aspartic acid may also undergo similar reaction to form 
asparagine

 

               Figure 2.Ammonia trapping as glutamine

 

 
 


background image

Clinical biochemistry  second stage   lecture 3                                Dr.Thana Alsewedy 

                                     

 

 

 

2

2. Transportation of Ammonia 

Inside  the  cells  of  almost  all  tissues,  the  transamination  of  amino  acids 
produce  glutamic  acid.  However,  glutamate  dehydrogenase  is  available 
only  in  the  liver.  Therefore,  the  final  deamination  and  production  of 
ammonia is taking place in the liver (Fig. 3). Thus, glutamic acid acts as 
the  link  between  amino  groups  of  amino  acids  and  ammonia.  The 
concentration of glutamic acid in blood is 10 times more than other amino 
acids.Glutamine  is  the  transport  forms  of  ammonia  from  brain  and 
intestine to liver; while alanine is the transport form from muscle

 

 

        Fig. 3

  oxidative deamination 

 
3. Final disposal

 

The  ammonia  from  all  over  the  body  thus  reaches  liver.  It  is  then 
detoxified  to  urea  by  liver  cells,and  then  excreted  through  kidneys. 
Urea is the endproduct of protein metabolism. 
Although Ammonia is toxic and has to be immediately detoxified, in kidney 
cells,  ammonia  is  purposely  generated  from  glutamine  with  the  help  of 
glutaminase.  This  is  for  buffering  the  acids,  and  maintaining  acid-base 
balance (see Fig. 4). 

 

 

                 Figure 4. Ammonia as buffer  

 


background image

Clinical biochemistry  second stage   lecture 3                                Dr.Thana Alsewedy 

                                     

 

 

 

3

UREA CYCLE

 

The two nitrogen atoms of urea are derived from two different sources, 
one from ammonia and the other directly from the alpha amino group of 
aspartic acid. Steps of urea cycle are the following  

Step 1. Formation of Carbamoyl Phosphate 

One molecule of ammonia condenses with CO2 in the presence of two 
molecules of ATP 
to form carbamoyl phosphate. The reaction is 
catalysed by the mitochondrial enzyme carbamoyl phosphate 
synthetase-I (CPS-I).
. CPS-I reaction is the rate-limiting step in urea 
formation. It is irreversible and allosterically regulated.

 

 

 

 

 

 

Figure 5 .Urea cycle, summary. Note that aspartate enters and fumarate leaves at 
different steps.

 

 

Step 2. Formation of Citrulline 

The  second  reaction  is  also  mitochondrial.  The  carbamoyl  group  is 
transferred to the NH2 group of ornithine by ornithin transcarbamoylase 
(OTC)  and  produce  citrulline  The  citrulline  leaves  the  mitochondria  and 
further reactions are taking place in cytoplasm. Citrulline is neither present 
in tissue proteins nor in blood; but it is present in milk. 


background image

Clinical biochemistry  second stage   lecture 3                                Dr.Thana Alsewedy 

                                     

 

 

 

4

Step 3. Formation of Argininosuccinate 

One  molecule  of  aspartic  acid  adds  to  citrulline  forming  a  carbon  to 
nitrogen  bond  which  provides  the  2nd  nitrogen  atom  of  urea. 
Argininosuccinate synthetase catalyses the reaction (Figs 6 step 3). This 
needs hydrolysis of ATP to AMP level, so two high energy phosphate 
bonds  
are  utilized.  The  PPi  is  an  inhibitor  of  this  step.                          

                                                                      

 

                                                                                          

  

Step 4. Formation of Arginine 

Argininosuccinate 

is 

cleaved 

by 

argininosuccinatelyase 

(argininosuccinase) to arginine and fumarate(Figs 6, step 4). The enzyme 
is  inhibited  by  fumarate.  But  this  is  avoided  by  the  cytoplasmic 
localization of the enzyme. The fumarate formed may be  funnelled into 
TCA  cycle  to  be  converted  to  malate  and  then  to  oxaloacetate  to  be 
transaminated to aspartate (Fig. 6). Thus the urea cycle is linked to TCA 
cycle  through  fumarate.  The  3rd  and  4th  steps  taken  together  maybe 
summarized as: 
Citrulline + aspartate → Arginine + fumarate 

 

 
 

Figure 6 .Urea cycle and its relation with citric acid cycle

 

 
 

Step 5. Formation of Urea

 

The  final  reaction  of  the  cycle  is  the  hydrolysis  of  arginine  to  urea  and 
ornithine  by  arginase  (Fig.  6  .step  5).  The  ornithine  returns  to  the 


background image

Clinical biochemistry  second stage   lecture 3                                Dr.Thana Alsewedy 

                                     

 

 

 

5

mitochondria to react with another molecule of carbamoyl phosphate so 
that  the  cycle  will  proceed.Thus,  ornithine  may  be  considered  as  a 

catalyst which enters the reaction and is regenerated.                           

 

 
 

Energetics of Urea Cycle 

The overall reaction may be summarized as: 
NH3 + CO2 + Aspartate → Urea + fumarate 
During these reactions, 2 ATPs are used in the1st reaction. Another ATP 
is  converted  to  AMP  +PPi  in  the  3rd  step,  which  is  equivalent  to  2 
ATPs.The  urea  cycle  consumes  4  high  energy  phosphatebonds. 
However,  fumarate  formed  in  the4th  step  may  be  converted  to  malate. 
Malate  when  oxidised  to  oxaloacetate  produces  1  NADH  equivalent  to 
2.5  ATP.  So  net  energy  expenditureis  only  1.5  high  energy 
phosphates
.  The  ureacycle  and  TCA  cycle  are  interlinked,  and  so,  it  is 
called as "urea bicycle
 

.

 Regulation of the Urea Cycle

 

1. Coarse Regulation 

The  enzyme  levels  change  with  the  protein  content  of  diet.  During 
starvation,  the  activity  of  urea  cycle  enzymes  is  elevated  to  meet  the 
increased rate of protein catabolism. 

2. Fine Regulation 

The  major  regulatory  step  is  catalyzed  by  CPS-I  where  the  positive 
effector  is  N-acetyl  glutamate(NAG).  It  is  formed  from  glutamate  and 
acetyl CoA(Fig. 7). Arginine is an activator of NAG synthase. 
 

 

 

     

Fig. 7

 NAG synthesis and breakdown

 

 

3. Compartmentalization 

The  urea  cycle  enzymes  are  located  in  such  a  way  that  the  first  two 
enzymes  are  in  the  mitochondria  matrix.  The  inhibitory  effect  of  
fumarate 

on 

its 

own 

formation 

is 

minimized 

because 

argininosuccinatelyase  is  in  the  cytoplasm,  while  fumarase  is 

mitochondria .                                                                                     

  

 

 


background image

Clinical biochemistry  second stage   lecture 3                                Dr.Thana Alsewedy 

                                     

 

 

 

6

 
Disorders of Urea Cycle 

A  urea  cycle  disorder  is  a  genetic  disorder  caused  by  a  mutation  that 
results  in  a  deficiency  of  one  of  the  enzymes  in  the  urea  cycle.  These 
enzymes are responsible for removing ammonia from the blood stream. 

Severe 

deficiency  or  total  absence  of  activity  of  any  of  the  first  four 

enzymes  (CPS1,  OTC,  ASS,  ASL)  in  the  urea  cycle  or  the  cofactor 
producer  (NAGS)  results  in  the  accumulation  of  ammonia 
(hyperammonemia)  and  other  precursor  metabolites  during  the  first  few 
days of life. When the block is in one of the earlier steps, the condition is 
more  severe  ,since  ammonia  itself  accumulates.  Deficiencies  of  later 
enzymes result in the accumulation of other intermediates which are less 
toxic and hence symptoms are less. As a general description,disorders of 
urea  cycle  are  characterized  by  hyperammonemia,  encephalopathy  and 
respiratory  alkalosis.  Clinical  symptoms  include  vomiting,  irritability, 
lethargy and severe mental retardation. Infants appear normal at birth, but 
within  days  progressive  lethargy  sets  in.  Metabolic  stress  ors --  viruses, 
high  protein  intake,  excessive  exercise  or  dieting,  surgery,  or  a  drug  as 
prednisone or other corticosteroid -- can create excessive ammonia in the 
body  resulting  in  severe  neurological  symptoms.   Treatment  is  more  or 
less  similar  in  the  different  types  of  disorders.  Low  protein  diet  with 
sufficient  arginine  and  energy  by  frequent  feeding  can  minimize  brain 
damage since  ammonia levels  do not  increase very  high results  in  toxic 
symptoms.  
Brain  is  very  sensitive  to  ammonia.  glutamate  and  γ-
aminobutyrateGABA play a role in ammonia-induced toxicity .ammonia 
entering  the  brain  by  diffusion  across  the  blood-brain  barrier  and  to 
incorporate  this  ammonia  into  glutamine.  production  of  glutamine 
producing an osmotic stress in brain cell and also decrease the availability 
of

 ketoglutaratre for citric acid cycle so decrease   the level of ATP as 

sourse  of  energy  in  brain.  Different  urea  cycle  disorders  are  shown  in  
following Table  
 
 
 
 
 
 

 

 


background image

Clinical biochemistry  second stage   lecture 3                                Dr.Thana Alsewedy 

                                     

 

 

 

7

Urea Cycle Disorders: 

 

 
Since Citrulline is present in significant quantities in milk, breast milk is 
to be avoided in citrullinemia 

Hepatic Coma (Acquired Hyperammonemia) 

In  diseases  of  the  liver,  hepatic  failure  can  finally  lead  to  hepatic  coma 
and death. Hyperammonemia is the characteristic feature of liver failure. 
The condition is also known as portal systemic encephalopathy. Normally 
the ammonia and other toxic compounds produced by intestinal bacterial 
metabolism are transported to liver by portal circulation and detoxified by 
the liver. But when there is portal systemic shunting of blood, the toxins 
bypass the liver and their concentration in systemic circulation rises.The 
signs  and  symptoms  are  mainly  pertaining  to  CNS  dysfunction  (altered 
sensorium, convulsions), withholding hepatotoxic drugs and maintenance 
of electrolyte and acid base balance are the main lines of management. 
 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 156 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل