Аргининосукцинат-синтетаза

Аргининосукцинат-синтетаза
Тетрамер аргининосукцинат-синтетазы человека с протомером, выделенным красным цветом PDB 2NZ2[1].
Тетрамер аргининосукцинат-синтетазы человека с протомером, выделенным красным цветом PDB 2NZ2[1].
Идентификаторы
Шифр КФ 6.3.4.5
Номер CAS 9023-58-9
Базы ферментов
IntEnz IntEnz view
BRENDA BRENDA entry
ExPASy NiceZyme view
MetaCyc metabolic pathway
KEGG KEGG entry
PRIAM profile
PDB structures RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology AmiGO • EGO
Поиск
PMC статьи
PubMed статьи
NCBI NCBI proteins
CAS 9023-58-9
Аргининосукцинат-синтетаза
кристаллическая структура аргининосукцинат-синтетазы thermus thermophilus hb8 в комплексе с ATP и цитруллином.
кристаллическая структура аргининосукцинат-синтетазы thermus thermophilus hb8 в комплексе с ATP и цитруллином.
Идентификаторы
Символ Arginosuc_synth
Pfam PF00764
Pfam clan CL0039
InterPro IPR001518
PROSITE PDOC00488
SCOP 1kp2
SUPERFAMILY 1kp2
Доступные структуры белков
Pfam структуры
PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum 3D-модель

Аргининосукцинат-синтетаза (англ. Argininosuccinate synthase, сокр. ASS) — фермент (КФ 6.3.4.5), из семейства N-C лигаз (класс синтетазы), катализирующий реакцию синтеза аргининосукцината путём присоединения (конденсации) молекул аспартата и цитруллина, с использованием энергии гидролиза макроэргических связей молекул ATP. Схема реакции:

Цитруллин + Аспартат + ATP → Аргининосукцинат + AMP + PPi

Аргининосукцинат-синтетаза является одним из важнейших ферментов в цикле мочевины, а также катализирует и одну из реакций цикла цитруллин-NO. У человека аргининосукцинат-синтетаза кодируется геном ASS, который локализован на длинном плече (q-плече ) 9-й хромосомы.

Длина полипептидной цепи белка составляет 412 аминокислот, а молекулярная масса — 46530 Да[2].

Экспрессия гена

[править | править код]

Длина экспрессируемого гена ASS составляет не менее 65 кб, включая не менее 12 интронов[3]. У человека ASS экспрессируется в основном в клетках печени и почек.

Структура

[править | править код]

Четвертичная структура

[править | править код]

Аргининосукцинат-синтетаза представляет собой гомотетрамер, каждая субъединица которого состоит из 412 аминокислотных остатков[4]. Интерфейсы между субъединицами содержат ряд солевых мостиков и водородных связей, а С-концевая часть каждой субъединицы участвует в олигомеризации, взаимодействуя с С-концами и нуклеотидсвязывающими доменами других субъединиц[5].

Активный сайт

[править | править код]

Рентгеновские кристаллические структуры были получены для аргининосукцинат-синтетазы из Thermus thermophilus, E. coli, Thermotoga maritime и Homo sapiens. В ASS из T. thermophilus, E. coli и H. sapiens цитруллин и аспартат плотно связаны в активном сайте за сч`т взаимодействия с остатками серина и аргинина; взаимодействие субстратов с другими остатками в активном сайте зависит от вида. В T. thermophilus уреидогруппа цитруллина, по-видимому, переставляется во время нуклеофильной атаки, чтобы достичь достаточной близости к α-фосфату молекулы ATP[6]. В E. coli предполагается, что связывание ATP вызывает конформационный сдвиг, который объединяет нуклеотид-связывающий домен и домен синтетазы[7]. Структура аргининосукцинат-синтетазы со связанным ATP в активном сайте не была получена, хотя моделирование показывает, что расстояние между ATP и уреидогруппой цитруллина в аргининосукцинат-синтетазе человека меньше, чем в E. coli, поэтому вероятно, что для катализа необходимо гораздо меньшее конформационное изменение[5]. Домен связывания ATP в аргининосукцинат-синтетазе похож на домен других ATP-пирофосфатаз N-типа[7].

Активный сайт аргининосукцинат-синтетазы показан на примере связанного цитруллина, ATP и аспартата, взаимодействующего с некоторыми остатками активного сайта. Смоделировано с помощью PyMol из PDB 1J1Z.

Механизм катализа

[править | править код]

На первом этапе катализируемой реакции цитруллин атакует α-фосфат ATP с образованием аденилата цитруллина, реактивного промежуточного продукта. Присоединение AMP к уреидо (мочевиноподобной) группе цитруллина активирует карбонильный центр для последующей нуклеофильной атаки. Эта активация облегчает второй этап, на котором α-аминогруппа аспартата атакует уреидогруппу. Атака аспартата является лимитирующим этапом реакции. На этом этапе образуются свободный AMP и L-аргининосукцинат[8].

Термодинамически аденилирование уреидо-группы цитруллина более благоприятно, чем аналогичное фосфорилирование. Кроме того, при атаке цитруллина на α-фосфат ATP образуется эквивалент пирофосфата, который может быть гидролизован в термодинамически выгодной реакции, чтобы обеспечить дополнительную энергию для аденилирования[9].

Реакция, катализируемая аргининосукцинат-синтетазой. Адаптировано из Goto et al. 2003[6].

Выполняемые функции

[править | править код]

Аргининосукцинат-синтетаза участвует в синтезе креатина, полиаминов, аргинина, мочевины и оксида азота (NO)[10].

Синтез аргинина

[править | править код]

Превращение цитруллина в аргининосукцинат является лимитирующим этапом синтеза аргинина. Деятельность аргининосукцинат-синтетазы в синтезе аргинина, являющуюся часть цикла мочевины, происходит в основном на внешней митохондриальной мембране перипортальных клеток печени, и с небольшой активностью в кортикальных клетках почек[4][10]. Генетические дефекты, которые вызывают неправильную локализацию аргининосукцинат-синтетазы на внешней митохондриальной мембране, вызывают цитруллинемию II типа[10].

У плодов и младенцев аргинин также вырабатывается посредством активности аргининосукцинат-синтетазы в клетках кишечника, предположительно для восполнения низкого уровня аргинина, содержащегося в материнском молоке. Экспрессия аргининосукцинат-синтетазы в кишечнике прекращается после двух-трёх лет жизни[10].

Считается, что регуляция активности аргининосукцинат-синтетазы в синтезе аргинина происходит в основном на транскрипционном уровне в ответ на глюкокортикоиды, cAMP, глюкагон и инсулин[11]. Также in vitro было показано, что аргинин снижает экспрессию аргининосукцинат-синтетазы, а цитруллин повышает её[10].

Цикл цитруллин-NO

[править | править код]

Фермент эндотелиальная синтаза оксида азота синтезирует оксид азота (NO) из аргинина в эндотелиальных клетках[10]. Аргининосукцинат-синтетаза и аргининосукцинат-лиаза перерабатывают цитруллин, побочный продукт синтеза оксида азота, в аргинин. Поскольку оксид азота является важной сигнальной молекулой, данная роль ASS важна для физиологии сосудов. В этой роли активность аргининосукцинат-синтетазы в значительной степени регулируется воспалительными клеточными сигнальными молекулами, такими как цитокины[4].

В эндотелиальных клетках было показано, что экспрессия ASS увеличивается под действием ламинарного сдвигового напряжения, вызванного пульсацией кровотока[12]. Появившиеся данные свидетельствуют о том, что ASS также может регулироваться фосфорилированием остатка Ser-328 протеинкиназой C-α[13] и нитрозилированием остатка Cys-132 синтазой оксида азота[5].

Роль в заболеваниях

[править | править код]

Цитруллинемия

[править | править код]

Цитруллинемия — наследственное аутосомно-рецессивное заболевание[14]. В гене ASS идентифицировано не менее 50 мутаций, вызывающих цитруллинемию I типа. Большинство этих мутаций заменяют одну аминокислоту другой в аргининосукцинат-синтетазе. Эти мутации, вероятно, влияют на структуру фермента и его способность связываться с цитруллином, аспартатом и другими молекулами. Несколько мутаций приводят к выработке аномально короткого фермента, который не может эффективно играть свою роль в цикле мочевины.

Дефекты аргининосукцинат-синтетазы нарушают третью реакцию цикла мочевины, не позволяя печени перерабатывать избыток азота в мочевину. В результате азот (в форме аммиака) и другие побочные продукты цикла мочевины (например, цитруллин) накапливаются в кровотоке. Аммиак токсичен, особенно для нервной системы. Накопление аммиака в течение первых нескольких дней жизни приводит к плохому питанию, рвоте, судорогам и другим признакам и симптомам цитруллинемии I типа.

Лечение этого дефекта включает диету с низким содержанием белка и пищевые добавки с аргинином и фенилацетатом. Аргинин позволяет завершить цикл мочевины, создавая субстраты, необходимые для первоначального связывания аммиака. Это снизит pH крови. Кроме того, фенилацетат реагирует с резервным глутамином, в результате чего образуется фенилацетоглутамин, который может выводиться почками[15].

Рак

[править | править код]

Отсутствие экспрессии аргининосукцинат-синтетазы наблюдается в нескольких типах раковых клеток, включая рак поджелудочной железы, рак печени[16], и меланому[17]. Например, дефекты ASS наблюдаются в 87 % случаев рака поджелудочной железы. Поэтому раковые клетки не могут синтезировать достаточное количество аргинина для клеточных процессов и вынуждены полагаться на аргинин, поступающий с пищей. Было показано, что истощение запасов аргинина в плазме крови с помощью аргининдеиминазы приводит к регрессии опухолей у мышей[18].

См. также

[править | править код]

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ PDB 2nz2; Karlberg T, Collins R, van den Berg S, Flores A, Hammarström M, Högbom M, Holmberg Schiavone L, Uppenberg J (March 2008). "Structure of human argininosuccinate synthetase". Acta Crystallographica Section D. 64 (Pt 3): 279—86. doi:10.1107/S0907444907067455. PMID 18323623. Архивировано 6 сентября 2021. Дата обращения: 14 декабря 2023.
  2. ↑ UniProt, P00966 (англ.). Дата обращения: 14 декабря 2023. Архивировано 14 декабря 2023 года.
  3. ↑ Freytag SO, Beaudet AL, Bock HG, O'Brien WE (October 1984). "Molecular structure of the human argininosuccinate synthetase gene: occurrence of alternative mRNA splicing". Molecular and Cellular Biology. 4 (10): 1978—84. doi:10.1128/MCB.4.10.1978. PMC 369014. PMID 6095035.
  4. ↑ 1 2 3 Husson A, Brasse-Lagnel C, Fairand A, Renouf S, Lavoinne A (May 2003). "Argininosuccinate synthetase from the urea cycle to the citrulline-NO cycle". European Journal of Biochemistry. 270 (9): 1887—99. doi:10.1046/j.1432-1033.2003.03559.x. PMID 12709047.
  5. ↑ 1 2 3 Karlberg T, Collins R, van den Berg S, Flores A, Hammarström M, Högbom M, Holmberg Schiavone L, Uppenberg J (March 2008). "Structure of human argininosuccinate synthetase". Acta Crystallographica Section D. 64 (Pt 3): 279—86. doi:10.1107/S0907444907067455. PMID 18323623. Архивировано 6 сентября 2021. Дата обращения: 14 декабря 2023.
  6. ↑ 1 2 Goto M, Omi R, Miyahara I, Sugahara M, Hirotsu K (June 2003). "Structures of argininosuccinate synthetase in enzyme-ATP substrates and enzyme-AMP product forms: stereochemistry of the catalytic reaction". The Journal of Biological Chemistry. 278 (25): 22964—71. doi:10.1074/jbc.M213198200. PMID 12684518.
  7. ↑ 1 2 Lemke CT, Howell PL (December 2001). "The 1.6 A crystal structure of E. coli argininosuccinate synthetase suggests a conformational change during catalysis". Structure. 9 (12): 1153—64. doi:10.1016/S0969-2126(01)00683-9. PMID 11738042.
  8. ↑ Ghose C, Raushel FM (October 1985). "Determination of the mechanism of the argininosuccinate synthetase reaction by static and dynamic quench experiments". Biochemistry. 24 (21): 5894—8. doi:10.1021/bi00342a031. PMID 3878725.
  9. ↑ Kumar S, Lennane J, Ratner S (October 1985). "Argininosuccinate synthetase: essential role of cysteine and arginine residues in relation to structure and mechanism of ATP activation". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 82 (20): 6745—9. Bibcode:1985PNAS...82.6745K. doi:10.1073/pnas.82.20.6745. PMC 390763. PMID 3863125.
  10. ↑ 1 2 3 4 5 6 Haines RJ, Pendleton LC, Eichler DC (2011). "Argininosuccinate synthase: at the center of arginine metabolism". International Journal of Biochemistry and Molecular Biology. 2 (1): 8—23. PMC 3074183. PMID 21494411.
  11. ↑ Morris SM (2002). "Regulation of enzymes of the urea cycle and arginine metabolism". Annual Review of Nutrition. 22: 87—105. doi:10.1146/annurev.nutr.22.110801.140547. PMID 12055339.
  12. ↑ Mun GI, Boo YC (April 2012). "A regulatory role of Kruppel-like factor 4 in endothelial argininosuccinate synthetase 1 expression in response to laminar shear stress". Biochemical and Biophysical Research Communications. 420 (2): 450—5. doi:10.1016/j.bbrc.2012.03.016. PMID 22430140.
  13. ↑ Haines RJ, Corbin KD, Pendleton LC, Eichler DC (July 2012). "Protein kinase Cα phosphorylates a novel argininosuccinate synthase site at serine 328 during calcium-dependent stimulation of endothelial nitric-oxide synthase in vascular endothelial cells". The Journal of Biological Chemistry. 287 (31): 26168—76. doi:10.1074/jbc.M112.378794. PMC 3406701. PMID 22696221.
  14. ↑ Häberle J, Pauli S, Linnebank M, Kleijer WJ, Bakker HD, Wanders RJ, Harms E, Koch HG (April 2002). "Structure of the human argininosuccinate synthetase gene and an improved system for molecular diagnostics in patients with classical and mild citrullinemia". Human Genetics. 110 (4): 327—33. doi:10.1007/s00439-002-0686-6. PMID 11941481. S2CID 267227.
  15. ↑ Devlin TM. Textbook of biochemistry: with clinical correlations. — New York : Wiley-Liss, 2002. — P. 788. — ISBN 0-471-41136-1.
  16. ↑ Wu L, Li L, Meng S, Qi R, Mao Z, Lin M (February 2013). "Expression of argininosuccinate synthetase in patients with hepatocellular carcinoma". Journal of Gastroenterology and Hepatology. 28 (2): 365—8. doi:10.1111/jgh.12043. PMID 23339388. S2CID 22969625.
  17. ↑ Yoon JK, Frankel AE, Feun LG, Ekmekcioglu S, Kim KB (2013). "Arginine deprivation therapy for malignant melanoma". Clinical Pharmacology. 5: 11—9. doi:10.2147/CPAA.S37350. PMC 3534294. PMID 23293541.
  18. ↑ Bowles TL, Kim R, Galante J, Parsons CM, Virudachalam S, Kung HJ, Bold RJ (October 2008). "Pancreatic cancer cell lines deficient in argininosuccinate synthetase are sensitive to arginine deprivation by arginine deiminase". International Journal of Cancer. 123 (8): 1950—5. doi:10.1002/ijc.23723. PMC 4294549. PMID 18661517.