Harnstoff-Zyklus

Der Harnstoffzyklus beschreibt, wie die Leberzellen Ammoniak in Harnstoff umwandeln. Ammoniak ist ein giftiges Abfallprodukt des Proteinabbaus. Landtiere müssen Ammoniak in den weniger giftigen Harnstoff umwandeln, der von den Nieren sicher über den Urin ausgeschieden werden kann. Meerestiere scheiden Ammoniak direkt aus, wobei das umgebende Wasser das Ammoniak in ungefährliche Mengen verdünnt.

Der Harnstoffzyklus besteht aus fünf grundlegenden Schritten:

1. die Umwandlung von Ammoniak (NH₃) in Carbamoylphosphat
2. die Einführung von Ornithin für die Umwandlung von Carbamoylphosphat in Citrullin
3. die Umwandlung von Citrullin in Argininosuccinat mit Aspartat und chemischer Energie (ATP)
4. die Umwandlung von Argininosuccinat in Arginin und Fumarat als Nebenprodukt
5. die Bildung von Harnstoff und Ornithin aus Arginin

Man beachte, dass Ornithin im zweiten Schritt verwendet wird und im letzten Schritt regeneriert wird. Da Ornithin recycelt wird, wird der Harnstoffkreislauf manchmal auch als Ornithinkreislauf bezeichnet.

Eine erhöhte Ammoniakkonzentration im Blut, die Hyperammonämie, ist die Folge einer Unterbrechung des Harnstoffzyklus. Dies kann auf der Organ-Ebene auftreten, wo Narbengewebe die Blutversorgung der Leber blockiert. Narbengewebe in der Leber, die Leberzirrhose, kann durch chronischen Alkoholmissbrauch, Hepatitis B oder Hepatitis C verursacht werden.

In den Leberzellen kann auch eine Störung des Harnstoffzyklus in jedem seiner fünf Schritte auftreten. Ein Mangel der Ornithin-Transcarbamylase (OTC) ist eine vererbte Stoffwechselstörung, die im zweiten Schritt zu einem vollständigen oder teilweisen Enzymmangel führt. Dieser behindert die Produktion von Citrullin aus Ornithin und Carbamoylphosphat.

Eine Hyperammonämie, die durch Zirrhose oder eine spät einsetzende Stoffwechselstörung entsteht, kann zu Aufmerksamkeitsdefiziten und anderen kognitiven Beeinträchtigungen bei Erwachsenen führen. Außerdem haben die Betroffenen ein höheres Risiko, an Leberversagen zu sterben. Bei Neugeborenen mit einem früh vorkommenden Enzymmangel ist mit Entwicklungsverzögerungen zu rechnen. Wenn sie nicht diagnostiziert und behandelt werden, besteht bei diesen Säuglingen das Risiko eines Komas und des Todes. Wie ein erhöhter Ammoniakspiegel das Gehirn schädigt und kognitive und Entwicklungsverzögerungen verursacht, ist noch nicht vollständig verstanden. Als mögliche Mechanismen werden jedoch Störungen der Aminosäure- und Neurotransmitterkonzentrationen, Störungen der Ionenkanalfunktion und Energiedefizite im Gehirn vermutet.