Cykl azotowy-przemieszczanie się azotu przez łańcuch pokarmowy żywych organizmów. Cykl ten obejmuje bakterie, rośliny i zwierz które mogą wbudowywać amoniak NH₃ do zw. organicznych (wiązanie C-N). Przemiana azotu organicz w nieorgan zachodzi w drodze przemian katabolicznych, rozkładu i denitryfikacji.

Wiązanie azotu- proces przemysłowy. Reakcję redukcji N₂ przez H₂ przeprowadza się w temp 500C, ciśnieniu 300 atmosfer i w obecności katalizatora żelazowego. N₂ +3H₂-> 2NH₃

Biologiczne wiązanie N₂ (asymilacja). W tym procesie uczestniczą diazotrofy. Należą do nich bakterie glebowe Klebsiella, Azotobacter, fotosyntezujące Rhodospiryllum, cyjanobakterie, glony Myzophycea oraz bakterie współdziałające z roślinami motylk Rhizobium. Proces wiązania N₂ zachodzi w brodawkach korzeniowych w skutek infekcji tkanki korzenia odpowiednim szczepem Rhizobium. Korzenie wydzielają białka (lektyny) wiążące specyficzne polisacharydy występ na powierzchni Rhizobium. W brodawkach komórki tworzą zespoły zwane bakterioidami.

Biochemiczny mechanizm wiązania N₂. U bakterii wolnożyjących i symbiotycznych Rhizobium redukcja N₂ do NH₃ przeprowadzana jest przez kompleks nitrogenezy. Redukcja N₂ do NH₃ wymaga 6 elektronów: N₂ +6e +6H⁺ ->2NH₃. jednakże towarzyszy temu redukcja 2H⁺ do H₂, dlatego są potrzebne 2 dodatkowe elektrony: N₂ +8H⁺ +8e ->2NH₃ +H₂.

U większości mikroorganizmów 8 elektr pochodzi z ferredoksyny, która jest wytwarzana w chloroplastach w wyniku dział fotosystemu I, albo w oksydacyjnym transporcie elektronów. Sumaryczna reakcja wiązania azotu: N₂ +8e +16ATP +16H₂O ->2NH₃ +H₂ +16ADP +16Pi +8H⁺.

W kompleksie nitrogenezy występują 2 białka:

-reduktaza jest dimerem identycznych podjednostek o masie 64kDa, zawiera jedno ugrupowanie żelaz-siark (Fe-S) i 2 mniejsze wiążące ATP i przenosi elektrony z donora o dużym potencjale na nitrogenezę czemu towarzyszy hydroliza ATP oraz rozpad kompleksu na części składowe.

-nitrogenaza składa się z 2 podjednostek o m.cz. 220kDa i jest białkiem żelaz-molibden (Fe-Mo-S) oraz miejscem wiązania N₂ i redukcji do NH₃. W przenoszeniu elektr uczestniczy molibden, który jest koenzymem nitrogenezy.

Kompleks nitrogenezy jest wrażliwy na inaktywację przez O_2. Dlatego w brodawkach jest niskie stężenie O₂ dzięki jego wiązaniu przez leghemoglobinę. Część globinowa tego białka jest syntetyzowana przez roślinę, a hem jest wytwarzany przez Rhizobium.

Nitrogeneza redukuje też acetylen do etylenu: HC≡CH +2e +2H⁺ -> CH₂═CH₂.

Przemiana azotu nieorganicznego w glebie. Bakterie Nitrosomones utleniają jon NH₄⁺ do azotynu: NH₄⁺ +³/₂O₂ ->NO₂^- +H₂O +2H⁺. Drugą reakcję przeprowadzają bakterie Nitrobacter: NO₂^- + ¹/₂O₂ -> NO₃^-.

Pobieranie przez rośliny azotu z gleby i przemiany początkowe. Głównym źródłem azotu dla roślin są azotany. W pobieraniu NO₃^- przez korzenie uczestniczy indukcyjny system transportu i wymaga ATP. Azotan jest w wątrobie redukowany do azotynu, który wiążąc się z hemoglobiną wywołuje methemoglobinemię, powstają też rakotwórcze nitrozoaminy.

Reduktaza azotanowa- w cytozolu redukuje azotan do azotynu przy udziale NADH lub NADPH: NO₃^- +NAD(P)H +H⁺ -^+2e-> NO₂^- +NAD(P)⁺ +H₂O.

Enzym jest dimerem zbudowanym z 2 identycznych podjedn zawierających 3 gr protetyczne: FAD, hem i kompleks molibd-cobalt. Przy niedoborze Mo w glebie spada aktywność reduktazy azotanowej w roślinach. Reduktaza jest enzymem indukcyjnym, a induktorami syntezy de novo są NO₃^- i światło.

Reduktaza azotynowa- azotan (toksyczny) z cytozolu jest transp w liściach do chloroplastów. W chloroplastach reduktaza azotynowa jest zależna od ferredoksyny i katalizuje reakcję: NO₂^- +6Fd_zred +8H⁺ -^+6e-> NH₄⁺ +2H₂O +6Fd_utl.

Enzym ten zawiera 2 grupy prostetyczne: hem i kompleks żelaz-siarkowy.

Włączanie NH₄⁺ do związków organicznych (asymilacja azotu). Amoniak jest toksyczny, więc nie jest akumulowany w komórkach. Detoksykacja polega na włączeniu do związków organicznych, głównie aminokwasów. Wszystkie organ włączają amoniak w 2 głównych reakcjach katalizowanych przez dehydrogenezę glutaminową i syntetazę glutaminową z utworzeniem aminokwasów: glutaminianu i glutaminy.

Wytwarzanie glutaminy. Cykl syntetazy glutaminowej i syntazy glutaminianowj. Syntetaza glutaminowa katalizuje włączanie amoniaku do glutaminianu z utworzeniem glutaminy. U prokariotów i roślin wyższych występuje też enzym syntaza glutaminowa katalizująca redukcyjną aminację 2-oksoglutaranu, w której donorem azotu jest glutamina. To włączenie to cykl z tytułu. Jest to główna droga asymilacji amoniaku w roślinach.

Polega ona na syntezie glutaminy z glutaminianu w reakcji katalizowanej przez syntetazę glutaminową, hydrolizowane jest ATP. W następnej reakcji z udziałem syntazy glutaminianowej przenoszona jest gr NH₂ z ugrupowania amidowego glutaminy i powstają 2 cząsteczki glutaminianu. Czynnikiem redukującym może być NAD(P)H lub ferredoksyna zredukowana. Sumaryczna reakcja cyklu: 2-oksoglutaran + glutamina +NAD(P)H -> 2cz glutainianu +NAD(P)⁺.

Drogi wytwarzania innych aminokwasów. Większość aminokwasów powstaje w reakcjach transaminacji polegającej na przenoszeniu gr NH₂ z glutaminianu na 2-oksokwas, bądź na innych drogach. Reakcję transaminacji katalizują aminotransferazy współdziałające z koenzymem 5-fosforanem pirydoksalu. Reakcja sumaryczna: glutaminian +2-oksokwas <-^{fosforan pirydoksalu}-> 2-oksoglutaran + aminokwas.

Katabolizm białek.

Obrót metaboliczny białek- biosynteza netto u organizmów rosnących i odnawianie białek u organ w stanie stacjonarnym. Okres połowicznej wymiany białek waha się od kilku godzin do kilku dni.

Degradacja białek zahodzi przy udziale enzymów z klasy hydrolaz proteinaz, które katalizują rozszczepienie wiązania peptydowego z udziałem wody w białkach i peptydach. Podział peptydów zależy od miejsca działania w łańcuchu peptydowym:

-endopeptydazy np. pepsyna, chymotrypsyna, trypsyna

-egzopeptydazy np. karboksypeptydazy, aminopeptydazy.

Proteinazy typu endopeptydaz dzielą się na grupy: hydrosufidowe (-SH), serynowe (-OH), kwasowe (-COOH).

. Enzymy proteolityczne działające w przewodzie pokarmowym człowieka wytwarzane są z proenzymów przez odłączenie polipeptydu blokującego miejsce aktywne:

-pepsyna- powstaje z pepsynogenu wytworzonego w kom głównych ścianki żołądka, optimum pH 1,5-2. Katalizuje hydrolizę zdenaturowanych białek: białko + nH₂O -^pepsyna-> mieszanina polipeptydów. Mieszanina polipeptydów jest przemieszczana do jelita cienkiego gdzie podlega stopniowej hydrolizie do aminokwasów.

-chymotrypsyna i trypsyna- powstają z hymotrypsynogenu i trypsynog wytworzonych w trzustce. Są endopeptydazami i katalizują hydrolizę polipeptydów do mniejszych peptydów, optimum pH 7-9: polipeptydy +nH₂O -^{tryps i chymotryps}-> peptydy

-egzopeptydazy: karboksypeptydaza i aminopeptydaza działające w jelicie cienkim: peptydy +nH₂O -^{amino i karboksypeptyd}-> aminokwasy.

Niektóre przemiany aminokwasów. Szkielet węglowy 20 aminokwasów jest przekształcany do: pirogronianu, acetylo-CoA, acetoacetylo-CoA, szczawiooctanu, fumaranu. Aminokwasy rozkładane do: pirogronianu, 2-oksoglutoranu, szczawiooct, fumaranu i bursztynylo-CoA są nazywane glukogennymi, gdyż mogą być wykorzystane do syntezy glukozy w glukogenezie.

Natomiast aminokwasy rozkładane do acetylo-CoA i acetoacetylo-CoA są nazwane ketogennymi, gdyż uczestniczą w powstawaniu ciał ketonowych.

Transaminacja. Aminokwasy powstające z proteolizy białek są użytkowane do syntezy nowych białek lub degradowane. Zanim szkielety węglowe aminokw wejdą do końcowych szlaków katabolicznych musi zostać odłączona grupa aminowa w reakcji deaminacji lub transamilacji. Transamilacja polega na przeniesieniu grupy aminowej z aminokwasu na 2-oksokwas. Relacje katalizowane są przez aminotransferazy współdziałające z koenzymem fosforanem pirydoksalu (PLP). Przy braku substratu grupa aldehydowa PLP tworzy kowalencyjne połączenie typu zasady Schiffa z grupą aminową reszty lizyny w centrum aktywnym enzymu. Po dodaniu aminokwasu gr aminowa wypiera gr aminową lizyny i powstaje nowe połączenie typu zasady Schiffa z wchodzącym aminokwasem. Jest on wiązany z enzymem przez liczne oddziaływania niekowalencyjne. Następnie hydrolitycznie odłączany jest szkielet węgl aminokwasu w formie 2-oksokwasu, a gr aminowa pozostaje związana z koenzymem przekształconym w fosforan pirydoksaminy. Te przemiany obejmują 4 etapy i stanowią połowę reakcji transaminacji. Druga część jest odwróceniem powyższych reakcji. Reakcje transaminacji są w pełni odwracalne, a kierunek zależy od względnego stężenia por aminokwas-2-oksokwas. W ten sposób grupy aminowe zbierane są na glutaminianie, który ulega oksydacyjnej deaminacji z udziałem dehydrogenezy glutaminianowej: glutaminian +NADC(P)⁺ +H₂O <-> 2-oksoglutaran +NH₄⁺ +NAD(P)H +H⁺ .

Dekarboksylacja aminokwasów- katalizuje dekarboksylazy aminokwasów współdziałające z koenzymem fosforanem pirydoksalu. W reakcji wytwarzane są odpowiednie aminy i CO₂, metabolitem pośrednim są zasady Shiffa. W ten sposób powstają: histamina, tyramina, etanoloamina, cysteamina.

Cykl mocznikowy. Część jonów NH₄⁺ powstających z rozkładu aminokwasów u zwierząt jest wykorzystywana do syntezy nowych związków azotowych, a nadmiar jest usuwany na 3 drogach:

-zwierzęta wodne wydalają NH₄⁺ do środowiska wodnego- amonioteliczne

-ptaki i gady lądowe przekształcają NH₄⁺ w kw moczowy- urikoteliczne

-większość kręgowców przekształca NH₄⁺ w mocznik i wydala z moczem.

Mocznik syntetyzowany jest w wątrobie w cyklu mocznikowym. Metabolitami pośrednimi są 2 aminokw: ornityna i cytrulina oaz zużywany jest karbamoilofosforan (CP) i gr aminowa asparaginianu. Karbomoilofosforan syntetyz jest w mitochodrium: HCO₃^- + NH₄⁺ +2ATP -> H₂N-C=O-OPO₃^2- +2ADP +Pi +3H⁺.

Etapy cyklu mocznk:

-przeniesienie gr karbomoilowej z CP na ornitynę katalizuje karbomoilotransferaza ornitynowa- powst cytrulina

-cytrulina ulega kondensacji z asparaginianem, z którego pochodzi drugi atom azotu w moczniku do orginionobursztynianu w reakcji katalizowanej przez syntetazę orginiono-bursztynianową. Reakcja zachodzi dzięki hydrolizie ATP do AMP i Ppi

-liaza orginionobursztynianowa usuwa szkielet węglowy asparaginianu z orginionobursztynianu w postaci furamanu

-mocznik powstaje z orgininy w reakcji katalizowanej przez orginazę z równoczesną regeneracją ornityny, która jest transport do mitochondrium.

---