1. מעגל האוריאה 1 1

יצירת אוריאה (S) 2 2

מעגל האוריאה-חומרי המוצא והתוצר http://www.as.miami.edu/chemistry/2086/Chap25/Chap25_newversion.htm

צורות החנקן המופרשות אורגניזמים המפרישים עודפי חנקן בצורה של שתנן An Ammoniotelic organism produces soluble ammonia FIGURE 18-2b Amino group catabolism. (b) Excretory forms of nitrogen. Excess NH4+ is excreted as ammonia (microbes, bony fishes), urea (most terrestrial vertebrates), or uric acid (birds and terrestrial reptiles). Notice that the carbon atoms of urea and uric acid are highly oxidized; the organism discards carbon only after extracting most of its available energy of oxidation. זוחלים 4 4 4

על פי חומר ההפרשה החנקני מחלקים את האורגניזמים לשלוש קבוצות: ישנם בעלי חיים רבים המרחיקים את עודפי האמוניה שבגופם לאו דוקא כשינן אלא כחומצת שתן או אף בצורת אמוניה חופשית. על פי חומר ההפרשה החנקני מחלקים את האורגניזמים לשלוש קבוצות: א. בעלי-חיים אוריאוטליים (ureotelic), המפרישים שינן (urea). ביניהם- היונקים (כולל האדם), הדו חיים וכן הכרישים. ב. בעלי-חיים אוריקוטליים (uricotelic), המפרישים חומצת שתן (uric acid) מוצקה, אשר מסיסותה נמוכה. קבוצה זו כוללת את העופות והזוחלים היבשתיים, שכמות המים שהם קולטים מוגבלת. ג. בעלי חיים אמונוטליים (amonotelic), המפרישים אמוניה. אלה הם שוכני מים (דגים וחסרי חוליות רבים), שהאמוניה הנוצרת בגופם מסולקת מיד בדיפוזיה אל המים הסובבים.   מתוך פרקים בפיסיולוגיה של האדם יחידה 9 האונ' הפתוחה עמוד 98 5 5

מעגל האוריאה והתגובות שמכניסות קבוצות אמיניות למעגל (L) FIGURE 18-10 Urea cycle and reactions that feed amino groups into the cycle. The enzymes catalyzing these reactions (named in the text) are distributed between the mitochondrial matrix and the cytosol. One amino group enters the urea cycle as carbamoyl phosphate, formed in the matrix; the other enters as aspartate, formed in the matrix by transamination of oxaloacetate and glutamate, catalyzed by aspartate aminotransferase. The urea cycle consists of four steps. 1 Formation of citrulline from ornithine and carbamoyl phosphate (entry of the first amino group); the citrulline passes into the cytosol. 2 Formation of argininosuccinate through a citrullyl-AMP intermediate (entry of the second amino group). 3 Formation of arginine from argininosuccinate; this reaction releases fumarate, which enters the citric acid cycle. 4 Formation of urea; this reaction also regenerates ornithine. The pathways by which NH4+ arrives in the mitochondrial matrix of hepatocytes were discussed in Section 18.1. 6

(תוצר מעגל קרבס) FIGURE 18-10 (part 1) Urea cycle and reactions that feed amino groups into the cycle. The enzymes catalyzing these reactions (named in the text) are distributed between the mitochondrial matrix and the cytosol. One amino group enters the urea cycle as carbamoyl phosphate, formed in the matrix; the other enters as aspartate, formed in the matrix by transamination of oxaloacetate and glutamate, catalyzed by aspartate aminotransferase. The urea cycle consists of four steps. 1 Formation of citrulline from ornithine and carbamoyl phosphate (entry of the first amino group); the citrulline passes into the cytosol. 2 Formation of argininosuccinate through a citrullyl-AMP intermediate (entry of the second amino group). 3 Formation of arginine from argininosuccinate; this reaction releases fumarate, which enters the citric acid cycle. 4 Formation of urea; this reaction also regenerates ornithine. The pathways by which NH4+ arrives in the mitochondrial matrix of hepatocytes were discussed in Section 18.1. 7

arginase FIGURE 18-10 (part 2) Urea cycle and reactions that feed amino groups into the cycle. The enzymes catalyzing these reactions (named in the text) are distributed between the mitochondrial matrix and the cytosol. One amino group enters the urea cycle as carbamoyl phosphate, formed in the matrix; the other enters as aspartate, formed in the matrix by transamination of oxaloacetate and glutamate, catalyzed by aspartate aminotransferase. The urea cycle consists of four steps. 1 Formation of citrulline from ornithine and carbamoyl phosphate (entry of the first amino group); the citrulline passes into the cytosol. 2 Formation of argininosuccinate through a citrullyl-AMP intermediate (entry of the second amino group). 3 Formation of arginine from argininosuccinate; this reaction releases fumarate, which enters the citric acid cycle. 4 Formation of urea; this reaction also regenerates ornithine. The pathways by which NH4+ arrives in the mitochondrial matrix of hepatocytes were discussed in Section 18.1. argininosuccinase 8

מעגל האוריאה והתגובות שמכניסות קבוצות אמיניות למעגל (S) 9

Step 1: Formation of carbamoyl phosphate Enzyme: carbamoyl phosphate synthetase Place: mitochondria 2 ATP are used. 10

Step 2: Formation of citrulline Enzyme: ornithine transcarbamoylase Place: mitochondria No ATP is used. 11

Step 3: Synthesis of argininosuccinate Enzyme: argininosuccinate synthetase Place: Cytosol 1 ATP is used. 12

Step 4: Cleavage of argininosuccinate Enzyme: argininosuccinase Place: cytosol No ATP is used. 13

Step 5: Cleavage of arginine to ornithine and urea Enzyme: arginase Place: cytosol No ATP is used. 14

הקשר בין מעגל האוראה ומעגל חומצה ציטרית(L) oxaloacetate FIGURE 18-12 Links between the urea cycle and citric acid cycle. The interconnected cycles have been called the "Krebs bicycle." The pathways linking the citric acid and urea cycles are known as the aspartate-argininosuccinate shunt; these effectively link the fates of the amino groups and the carbon skeletons of amino acids. The interconnections are even more elaborate than the arrows suggest. For example, some citric acid cycle enzymes, such as fumarase and malate dehydrogenase, have both cytosolic and mitochondrial isozymes. Fumarate produced in the cytosol—whether by the urea cycle, purine biosynthesis, or other processes—can be converted to cytosolic malate, which is used in the cytosol or transported into mitochondria (via the malateaspartate shuttle; see Figure 19-29) to enter the citric acid cycle. 15

הקשר בין מעגל האוראה ומעגל חומצה ציטרית(S) Krebs Cycle a bicycle Oxaloacetate has several possible fates: (1) transamination to aspartate, (2) conversion into glucose by the gluconeogenic pathway, (3) condensation with acetyl CoA to form citrate, or (4) conversion into pyruvate. Figure 23.17 Metabolic Integration of Nitrogen Metabolism The urea cycle, the citric acid cycle, and the transamination of oxaloacetate are linked by fumarate and aspartate. 23.4.2 The Urea Cycle Is Linked to the Citric Acid Cycle http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22450/ 16

מחיר יצירת מולקולת אוריאה אחת (S) במעגל האוראה, סינתזה של מולקולת אוראה אחת דורשת 3 מולקולות של ATP The stoichiometry of urea synthesis is עובר הדרוליזה ל-2 קבוצות פוספט ולכן סכ"ה, בסינתזה של מולקולת אוראה אחת נבקעים 4 קשרים אולם, מעגל האוראה איננו מנותק, והוא קשור למעגל חומצה ציטרית. במעגל האוראה נכנסת ומשתתפת בשלב 2 החומצה האמינית אספרטט. היא התקבלה בתגובת טרנסאמינציה של אוקסלואצטט, שנוצר במעגל חומצה ציטרית. בשלב 3 של מעגל האוראה נוצרת המולקולה פומרט .היא הופכת למלט, אשר נכנסת למעגל חומצה ציטרית והופכת לאוקסלואצטט. בתגובת הרגנרציה של אוקסלואצטט נוצרת מולקולת NADH שבנשימה התאית יוצרת 2.5 מולקולות של ATP. כלומר, המחיר האנרגטי של יצירת האוראה נמוך יותר. Section 23.4 Ammonium Ion Is Converted Into Urea in Most Terrestrial Vertebrates 17 17 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22450/

ליקויים תורשתיים באנזימים של מעגל השינן אצל אנשים מסוימים התגלו ליקויים תורשתיים באנזימים של מעגל השינן. כתוצאה מליקויים אלה מעוכב המעגל ומעוכבת הפיכת האמוניה לשינן. בהצטברות אמוניה, הופך ה- α - קטוגלוטרט שבמיטוכונדריה לגלוטמט, בתהליך המזורז על ידי האנזים גלוטמט דהידרוגנאז: +NAD+ +H2O גלוטמט H+ + NADH+ α-קטוגלוטרט NH3 + כתוצאה מתהליך זה, מורחק α -קטוגלוטרט ממעגל חומצת הלימון, חל עיכוב בנשימה התאית ומתעכבת יצירת ATP. עיכוב בנשימה משפיע על מערכת העצבים, ולכן ליקויים אנזימיים שכאלה עלולים לגרום לפיגור שכלי ואפילו למוות, אם אינם מטופלים כראוי. פגמים במעגל האוראה מובילים לעליה ברמת NH4+ בדם. המכונה היפראמונמיה (S) היפראמונמיה, היא הפרעה מטבולית מסוכנת המאופיינת בכמות יתר של אמוניה בדם. היפראמונמיה, נגרמת גם במצבים של אי תפקוד כבד (בשחמת הכבד)

בדיקת רמת אמוניה בדם ובשתן מעבדה כימיה בדם ובשתן תחום מדידת רמת תוצר פירוק של חלבונים, העובר חילוף חומרים בכבד ליצירת שתנן (urea) יחידות מדידה מיקרוגרם לדציליטר טווח ערכים תקין בדם: ביילודים ועד גיל 10 ימים - 170-340 מיקרוגרם לדציליטר; בתינוקות עד גיל שנתיים - 68-136 מיקרוגרם לדציליטר; מעל שנתיים ובמבוגרים - 19-60 מיקרוגרם לדציליטר. מקובל שבנשים רמת אמוניה נמוכה מזו שבגברים ב-10% בשתן (איסוף 24 שעות): בתינוקות בחודש הראשון לחיים - רמת אמוניה היא 635-3,120 מיליגרם ל-24 שעות; במבוגרים - רמת אמוניה בשתן היא 153-1,610 מיליגרם ל-24 שעות יוצר הערך פרופ' בן-עמי סלע

ליקויים תורשתיים באנזימים של מעגל השינן Urea cycle (argininosuccinase) Tyrosine degradation Tyrosin degradation Methionine degradation Lysine degradation ASL (argininosuccinate lyase, also known as argininosuccinase) is an enzyme that catalyzes the reversible breakdown of argininosuccinate (ASA) producing the amino acids arginine and fumarate. Located in liver cytosol, ASL is the fourth enzyme of the urea cycle and involved in the biosynthesis of arginine in all species and the production of urea in ureotelic species.[2] Mutations in ASL, resulting low activity of the enzyme, increase levels of urea in the body and result in various side effects. Tyrosinemia (or "Tyrosinaemia") is an error of metabolism, usually inborn, in which the body cannot effectively break down the amino acid tyrosine. 20 20

ליקויים תורשתיים באנזימים של מעגל השינן (Citrullinema) 21 http://www.t3portal.org/T3_Portal_v1/!SSL!/WebHelp/ales_vancura/Catabolism_of_amino_acids.htm

Genetic defects in urea cycle חסר באנזים ארגינוסוקסינאז והטיפול בו Genetic defects in urea cycle Argininosuccinase deficiency: this could be partially treated by providing a surplus of Arg in the diet and restricting the total protein intake. Arg is the product of this reaction. Arg will provide ornithine. Carbomyl P and ornithine will provide citrulline and then arginosuccinate. So, argininosuccinate will be excreted. The problem is NOT due to the accumulation of argininosuccinate but the lack of one of the products, Arginine. Nitrogen atoms are eliminated in the form of argininosuccinate! 22

הטיפול בחסר באנזים ארגינוסוקסינאז 23

mg/dL (מיליגרם לדציליטר דם) U/L (פעילות אנזים לליטר דם) בדיקת רמת האוריאה בדם כימיה בדם שם הבדיקה יחידות ערכים נורמליים ערך אופטימלי במבוגר גלוקוז (Glucose) mg/dL (מיליגרם לדציליטר דם) 60-110 87 שתנן (Urea) mg/dL 19-45 קריאטינין (Creatinine) 0.8-1.2 1.05 חומצת שתן (Uric Acid) 2.5-7.5 5.5 סידן (Calcium) 8.5-10.3 9.4 כולסטרול (Cholesterol) 110-200 150 טריגליצרידים (Triglycerides) 0-150 100 פוספטזה בסיסית (Alkaline Phosphatase) U/L (פעילות אנזים לליטר דם) 20-125 72.5 טרנסאמינזות (AST) U/L 0-42 21 UREA- חנקן השתנן - תוצר פירוק של חלבון CREATININE- מייצג מסת שריר +תפקודי כליות - רכיב חשוב ברקמת השריר URIC ACID- חומצת שתן - תוצר פירוק תרכובות חנקן בגוף (חומצות גרעין)

2. בדיקת תפקודי כליות אבחון פיזיולוגי כיוון שהשתנן מיוצר בגוף ברמה קבועה יחסית, רמות גבוהות של שתנן מצביעות על בעיה בסילוק השתנן, או במקרים נדירים יותר, בייצור עודף שלו. הגורם הנפוץ ביותר לאורמיה (רמה גבוהה של שתנן בדם) הוא בעיות בכליות. רמת השתנן נמדדת (גם באמצעות Blood urea nitrogen) יחד עם רמת הקראטינין על מנת לאבחן ישירות בעיות בכליות (כמו מחלת כליות כרונית) או בעיות משניות (כמו היפותירואידיזם - בעיות בתפקוד של בלוטת התריס). רמות גבוהות מאוד של שתנן בדם (אורמיה) עלולות לגרום להפרעות נוירולוגיות, ותקופות ארוכות של אורמיה עלולות לגרום לעור לפתח גון אפרפר. רמת השתנן בדם יכול להיות מושפעת גם מחלות דם ממאירות כגון לוקמיה ומיאלומה נפוצה.

רמת קריאטינין בדם אחד המבחנים החשובים ביותר לתפקודי הכליות הוא רמת קריאטינין בדם. הקריאטינין הוא חומר אשר מיוצר באופן טבעי על ידי שרירי הגוף, ויכול גם להגיע מאכילת בשר ואמור להתפנות בצורה מלאה על ידי הכליות. כליות בריאות מפרישות החוצה את הקריאטינין ללא בעיה, ולכן רמתו בדם אמורה להיות נמוכה. במידה וקצב הסינון הכלייתי אינו מספק, הקריאטינין בדם מצטבר ורמתו עולה וזה יכול להצביע על אי ספיקת כליות. בדיקת אוריאה בדם בדיקת רמת אוריאה בדם, היא בדיקה נוספת המעריכה את תפקודי הכליה. האוריאה, מגיעה על רקע פירוק חלבונים, ובעזרתה הגוף מפריש החוצה את תוצרי הפירוק של החלבונים. רמות גבוהות מדי של אוריאה מעידות על כך שקיימת פגיעה בתפקוד הכליות, שאינן יכולות להפריש את האוריאה בצורה מספקת. יש לציין כי רמות אוריאה גבוהות מדי יכולות להעיד גם על התייבשות או על דימום. בדיקת האוריאה בדם יכולה גם להתבצע בשם BUN (Blood Urea Nitrogen), ומתבצעת כבדיקה סטנדרטית בכל בדיקת ביוכימיה בדם. בשילוב עם בדיקת הקריאטינין, שתי הבדיקות מספקות מידע רב בנוגע לתפקודי הכליות, ויכולות לעזור בזיהוי פגיעה כלייתית.

יצירת קריאטין וקריאטין פוספט יצירת קריאטין מגליצין, ארג'נין ומתיונין קריאטין פוספט היא מולקולה עתירת אנרגיה http://www.blc.arizona.edu/courses/bioc462b/grimes/nitrogen06/synthesis.cfm

יצירת קריאטינין מקריאטין ומקריאטין פוספט Fig. 1 Schematic presentation of creatinine metabolism and the pathway of breakdown of creatine phosphate in the muscle

יצירת קריאטינין מקריאטין ומקריאטין פוספט

מקורות האנרגיה עבור התכווצות השריר

קריאטינין פוספט משמש כמחסן אנרגיה בשריר

3. אחוזי האנרגיה המתקבלים מאבות המזון השונים http://www.as.miami.edu/chemistry/2086/Chap25/Chap25_newversion.htm

Metabolism of amino acids in the liver. Produce its own protein: high turnover rate or synthesis plasma protein Pass to other organ to synthesis their own protein Precursors for nucleotides, hormone, other nitrogenouse compounds Degrade into pyruvate and TCA cycle intermedidate; Urea cycle Pyruvate to glucose or glycogen Pyruvate to acetyl Co A Oxidation via TCA cycle Oxidative phosphorylation Convert to lipid Glucose from TAC intermediates Ala from muscle to liver and covert to pyruvate to blood Glc (Glc-Ala cycle) FIGURE 23-14 Metabolism of amino acids in the liver.

חומצות אמיניות מסויימות הופכות לגלוקוז או גופי קטו רק קטוגנית http://www.t3portal.org/T3_Portal_v1/!SSL!/WebHelp/ales_vancura/Catabolism_of_amino_acids.htm

כניסת חומצות אמיניות למעגל חומצה ציטרית Amino acids that are degraded to pyruvate, α-ketoglutarate, succinyl CoA, fumarate, or oxaloacetate are termed glucogenic amino acids. Amino acids that are degraded to acetyl CoA or acetoacetyl CoA are termed ketogenic amino acids because they can give rise to ketone bodies or fatty acids. All 20 amino acids funnel into only 7 major metabolic intermediates. Section 23.5Carbon Atoms of Degraded Amino Acids Emerge as Major Metabolic Intermediates 35 35 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22453/ 35

Chapter 23Protein Turnover and Amino Acid Catabolism http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21182/ Section 23.1Proteins Are Degraded to Amino Acids http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22600/ Section 23.5 Carbon Atoms of Degraded Amino Acids Emerge as Major Metabolic Intermediates http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22453/ סטרייר פרק 23 עמודים 649-679 36 36

4. מבנה בסיסים פוריניים ופירימידיניים המרכיבים את הנוקלאוטידים (אבני הבניין של חומצות גרעין) Purine and pyrimidine 37

פירוק פורינים (אדנין וגואנין) מייצר חומצה אורית בני אדם מפרישים את חומצת השתן הנוצרת במסלול פירוק הנוקלאוטידים הפוריניים בשתן. 38

פירוק פורינים (אדנין וגואנין) מייצר חומצה אורית Monosodium urate URIC ACID SODIUM SALT

שממנה נוצרת האוריאה NH4פירוק פירימידין מייצר + 40

מחלת השיגדון מחלת הגאוט היא מחלה המאופיינת בריכוזים גבוהים של חומצת שתן בנוזלי הגוף. במחלה זו מצטברים גבישי נתרן אוראטי ו/או חומצת שתן בדם ובשתן ושוקעים בפרקים ובכליות תוך גרימת כאבים עזים והיווצרות "אבנים" בדרכי השתן. המחלה פוגעת בכ-0.3% מהאוכלוסיה ולרוב בגברים

שיגדון- קריקטורה שצוירה על ידי ג'יימס גילרי

מחלת השיגדון שיגדון (וכן צינית, ומלועזית: גַאוּט (Gout) ופודגרה) הוא דלקת מפרקים כרונית הנובעת משיבוש מטבולי בגוף המתבטא בעלייה ברמת חומצת השתן בדם, מצב הקרוי "היפר-אוּריצֶמִיַה" (Hyperuricemia). הנזק לחולה נגרם כאשר לאורך שנים מצטברת חומצה זו במפרקים שם נוצרת דלקת המפרקים או בכליות, שם היא יוצרת אבנים. מחלה זו נפוצה יחסית בקרב גברים, שם מגיעה התחלואה לשיעורים של כאחוז עד 2.5 אחוז. בימי הביניים הייתה נפוצה המחלה בקרב ציידים בשל אכילה מרובה של בשר. חומצת השתן נוצרת בגוף באופן תקין. אצל חולי השיגדון, יש עלייה בייצור החומצה או ירידה במנגנונים שמפרקים אותה בכליות. לחולים הסובלים מהיפר-אוּריצֶמִיַה אך לא מפתחים דלקות, מצב נפוץ מאוד, אין כל תסמינים של המחלה. גורמים המגבירים את הופעת המחלה הם: גיל, השמנת יתר (Obesity), צריכה מוגברת של בשר ומצבים רפואיים שונים כגון סוכרת והתקף לב. יש עדויות המצביעות על גורם גנטי בתחלואה. לאורך ההיסטוריה המחלה קושרה לכאלו שחיו ברמת חיים גבוהה וצרכו מזון איכותי שלא היה זמין לרוב העם. מסיבה זו היא כונתה "מחלת המלכים" או "מחלת הציידים". חולים מפורסמים במחלה הם: (ע"פ ההשערה המקובלת) אסא מלך יהודה, הנרי השמיני, מלך אנגליה וראש ממשלת ישראל לשעבר אריאל שרון.