Močovinový cyklus a jeho poruchy

Amoniak a jeho detoxikace v močovinovém cyklu

Nejvýznamnějším zdrojem amoniaku jsou aminokyseliny (zejm. oxidační deaminace glutamátu a přeměna glutaminu glutaminasou). Amoniak vzniká také při degradaci purinů a pyrimidinů, v průběhu syntézy hemu, degradaci monoaminů monoaminoxidasou a činností bakterií tlustého střeva, které metabolizují zbytky proteinů potravy. Uvolněný amoniak se z tlustého střeva vstřebává a významně přispívá k celkovému množství amoniaku v organismu. Bez ohledu na způsob vzniku je amoniak pro buňku/organismus toxický.

Amoniak se v tělních tekutinách vyskytuje jako NH₃ a jeho protonizovaná forma NH₄⁺. Poměr mezi oběma formami je závislý na pH. Při fyziologickém pH 7,40 je v těle 98‑99 % amoniaku ve formě NH₄⁺, která není toxická. Při vzestupu pH (alkalosa) se zvyšuje množství NH₃, který je toxický a rychle difunduje, zatímco při poklesu pH (acidosa) se urychluje tvorba netoxického NH₄⁺. Při vysokých koncentracích NH₃ v krvi dochází k intoxikaci organismu amoniakem, která se projevuje třesem, smazanou řečí a viděním (encefalopatie), a v těžkých případech končí bezvědomím a smrtí.

Hlavní cestou detoxikace amoniaku v lidském těle je močovinový cyklus. Tento cyklus je lokalizován pouze v játrech. Jedná se o energeticky náročný proces (3 moly ATP/1 mol močoviny), jehož produktem je nejedovatá, ve vodě výborně rozpustná a snadno difundující močovina. S energetickou náročností cyklu močoviny souvisí zvýšení koncentrace amoniaku v krvi jako projev jaterního selhávání. Dieta s nízkým obsahem proteinů je za tohoto stavu proto jedním z terapeutických opatření.

Močovina je hlavní organickou složkou moči a denně se jí vyloučí 20-40 g. Organismus také využívá reakce močovinového cyklu  k syntéze semiesenciální aminokyseliny argininu (i v jiných tkáních).

Močovinový cyklus tvoří pět reakcí, které jsou katalyzovány pěti různými enzymy, které se nacházejí částečně v matrix mitochondrií a částečně v cytosolu (Obr. 2). V prvním kroku je z amoniaku a bikarbonátu vytvořen za spotřeby 2 molů ATP karbamoylfosfát. Tato reakce probíhající v mitochondrii je nevratná a je katalyzována karbamoylfosfátsynthetasou 1 (CPS), která je alostericky aktivována N-acetylglutamátem (syntéza z glutamátu a acetyl-CoA je katalyzována N-acetylglutamátsynthetasou; NAGS). Tento enzym je v dostatečném množství exprimován pouze v játrech, zatímco ostatní enzymy cyklu jsou přítomny i v jiných tkáních a mohou tedy sloužit k syntéze argininu, polyaminů, NO, pyrimidinů a kreatinu. Ve druhém kroku se karbamoylfosfát sloučí s aminokyselinou ornithinem za vzniku citrulinu a uvolnění jedné fosfátové skupiny. Tuto reakci katalyzuje ornithintranskarbamoylasa (OTC). Citrulin je transportován z mitochondrie do cytosolu, kde se váže na aspartát (zdroj druhého dusíku) za vzniku argininosukcinátu. Reakci katalyzuje argininosukcinátsynthetasa (ASS). Argininosukcinátlyasa (ASL) následně rozštěpí argininosukcinát na arginin a fumarát, který představuje spojení mezi močovinovým a citrátovým cyklem. Arginin je v posledním kroku reakce rozštěpen arginasou (AR) na močovinu a ornithin, který se vrací do mitochondrie. Močovina difunduje do krve a z ní glomerulární filtrací do moči. Detoxikace amoniaku má pro organismus klíčový význam, proto je močovinový cyklus pouze pozitivně regulován hned v prvním kroku a nedochází v něm k negativní zpětné vazbě (např. k inhibici některého enzymu močovinou) jako u většiny ostatních metabolických drah.

Obr. 2. Močovinový cyklus (upraveno z Berg et al. 2006).

Poruchy močovinového cyklu

Nejčastější příčinou poruchy močovinového cyklu a tím zvýšené koncentrace amoniaku v tělních tekutinách je výše zmíněné jaterní selhávání. Tato porucha ovšem nepatří mezi dědičné poruchy, proto se jí v této kapitole nezabýváme.

U každého enzymu močovinového cyklu byla prokázána genetická porucha. Pokud je defekt některého enzymu z cyklu kompletní (např. karbamoylfosfátsynthetasa), je tento stav neslučitelný se životem a postižení novorozenci brzy umírají. V případě částečného deficitu jsou příznaky onemocnění závislé na tom, který enzym je postižen. Bylo popsáno šest dědičných poruch močovinového cyklu: deficit karbamoylfosfátsynthetasy, deficit ornithintranskarbamoylasy, citrulinemie (deficit argininosukcinátsynthetasy), argininsukcináturie (deficit argininosukcinátlyasy), argininemie (deficit arginasy) a deficit N-acetylglutamátsynthetasy. Kromě deficitu ornithintranskarbamoylasy, jehož dědičnost je vázána na X-chromosom, jsou ostatní defekty děděny autosomálně recesivně. V rámci novorozeneckého screeningu se v ČR od roku 2016 sledují deficity argininosukcinátsynthetasy a arginasy. Všechny tyto poruchy jsou charakterizovány hyperamonemií a poruchami metabolismu aminokyselin.

Klinické projevy se mohou objevit prakticky kdykoliv během života, ale v některých obdobích (novorozenecké období, pozdní kojenecký věk, puberta) je rozvoj symptomů pravděpodobnější – stres (např. infekce) vyvolá katabolismus proteinů. U pacientů s projevy v novorozeneckém období se nejčastěji po prvním bezpříznakovém období (může být kratší než 24 hodin) objeví problémy s krmením, zvracení, letargie a/nebo dráždivost a tachypnoe (záměna se sepsí). V tomto stadiu se typicky objevuje přechodná mírná respirační alkalosa, která může sloužit jako diagnostické vodítko. Neléčení pacienti se rychle zhoršují, objevují se nápadné neurologické a autonomní vegetativní potíže (poruchy svalového tonu, apnoe, vasomotorická nestabilita a hypotermie, ztráta normálních reflexů). Většina neléčených umírá, často se objevují komplikace jako krvácení do mozku, pokud děti novorozeneckou hyperamonemii přežijí, bývají významně handicapované. V kojeneckém věku jsou klinické projevy méně akutní a variabilnější. Obvykle zahrnují anorexii, letargii, zvracení, neprospívání a opožďování psychomotorického vývoje, často též poruchy chování. Játra jsou zvětšená, správná diagnosa je obvykle stanovena až po rozvoji encefalopatie s poruchou vědomí a s neurologickými symptomy. V pubertě a dospělém věku se pacienti projevují nápadnějším neurologickým poškozením. Po metabolickém stresu (infekce, anestezie, katabolismus proteinů) se objevují ataky akutní metabolické encefalopatie. Pacienti rovněž trpí chronickým neurologickým postižením s poruchami učení či mentální retardací. Deficit arginasy se běžně projevuje spastickou diplegií.

Hyperamonemie může být způsobena rovněž poruchou transportu ornithinu z cytosolu do mitochondrie. Transportér ORNT1 (SLC25A15) zprostředkovává výměnu ornithinu z cytosolu za citrulin z matrix mitochondrie. Tato transportní porucha je provázena hyperamonemií, hyperornithinemií a homocitrulinurií (odtud název HHH syndrom). V důsledku poruchy vstupu ornithinu do mitochondrie dochází k deficitu aktivit ornithintranskarbamoylasy a ornithinaminotransferasy. Mitochondriální karbamoylfosfát je metabolizován v alternativních drahách na homocitrulin (z lysinu) a kyselinu orotovou. Klinické projevy souvisí s toxicitou amoniaku, častou pozdní komplikací je progresivní spastická paréza.

Další transportní poruchou, která se projevuje hyperamonemií, je deficit citrinu (SLC25A12), což je mitochondriální antiportér aspartátu/glutamátu. V důsledku deficitu citrinu je nedostatek aspartátu pro syntézu argininosukcinátu, hromadí se citrulin a amoniak. Rovněž je narušené fungování malát-aspartátového kyvadla.

Patobiochemické změny vyvolané deficitem některého z enzymů močovinového cyklu zahrnují zvýšení koncentrace amoniaku v plasmě a s ním související poruchy, změny v koncentracích aminokyselin a vylučování orotátu a orotidinu močí. Deficit enzymů močovinového cyklu je provázen hromaděním amoniaku. Výsledná koncentrace amoniaku v plasmě závisí na postiženém enzymu a jeho zbytkové aktivitě, příjmu proteinů potravou a na endogenním katabolismu proteinů, který může být zvýšen v důsledku metabolického stresu (např. horečka, infekce). Amoniak snadno přestupuje hematoencefalickou bariéru a způsobuje poškození mozku vyčerpáním 2-oxoglutarátu (meziprodukt citrátového cyklu) a narušením přenosu nervového vzruchu. Amoniak totiž zvyšuje transport tryptofanu přes hematoencefalickou bariéru, což způsobuje zvýšenou tvorbu a uvolnění serotoninu. V mozku je amoniak detoxikován na glutamin, který se bude v buňkách hromadit ve velkém množství, což způsobí vzestup osmolarity s následným vznikem edému buněk a mozkového edému. Koncentrace amoniaku vyšší než 150 µM způsobují ztrátu vědomí a při koncentracích překračujících 300‑400 µM upadá pacient do kómatu. Kromě deficitu karbamoylfosfátsynthetasy jsou ostatní poruchy enzymů močovinového cyklu provázeny zvýšeným vylučováním orotátu a orotidinu močí, protože ú těchto poruch se v mitochondriích hromadí nezpracovaný karbamoylfosfát. Ten následně přestupuje do cytosolu, kde se zapojuje do de novo syntézy pyrimidinových nukleotidů. V důsledku enzymového defektu se koncentrace aminokyselin nad enzymovým defektem zvýší, zatímco pod enzymovým defektem se sníží. Kromě toho u všech poruch stoupají plasmatické koncentrace alaninu a glutaminu (Tab. 1).

 Tab. 1: Diagnostické testy u poruch močovinového cyklu

N, normální; AR, autosomálně recesivní

Nejdůležitějším diagnostickým vyšetřením u poruch močovinového cyklu je stanovení koncentrace amoniaku v plasmě. Z dalších laboratorních vyšetření by mělo být provedeno stanovení pH krve a krevních plynů, biochemie v plasmě (močovina, elektrolyty, glukosa, kreatinin), vyšetření jaterních funkcí a srážení krve, hladiny organických kyselin, orotátu a aminokyselin v moči, volný a acylovaný karnitin v plasmě. K potvrzení diagnosy může být provedeno stanovení enzymové aktivity příslušného enzymu v tkáni (játra, erytrocyty, fibroblasty; není možné u deficitu NAGS) nebo molekulárně genetickými metodami. Prenatální diagnostika je možná u všech poruch močovinového cyklu.

Hlavní léčebné strategie zahrnují snížení příjmu proteinů (nízkoproteinová dieta), využití alternativních metabolických cest pro vyloučení dusíku a doplnění chybějících živin. K odstranění amoniaku se podávají metabolity (např. benzoát sodný, fenylbutyrát), které se konjugují s aminokyselinami a rychle se vylučují. Tak dochází k vylučování dusíku v podobě jiných sloučenin, než je močovina. Akutní léčba v nemocnici v případě nezvládnuté hyperamonemie zahrnuje okamžité zahájení hemofiltrace. V rámci doplnění chybějících živin je pacientům podáván arginin (u těžkých poruch OTC a CPS by měl být nahrazen citrulinem), u některých pacientů jsou podávány též esenciální aminokyseliny. Ke snížení vzniku a přestupu amoniaku ze střeva mohou být nemocným podávána antibiotika a laktulosa. Z dalších užívaných léčiv můžeme jmenovat citrát u argininsukcináturie, N-karbamoylglutamát u deficitu NAGS a antikonvulziva.