Введение

Манганосодержащий фермент аргиназа (аргинин амидиназа, канаваназа, L-аргиназа, аргинин трансамидиназа) является ферментом, содержащим марганец. Реакция, катализируемая этим ферментом, выглядит следующим образом: аргинин + H2O → орнитин + мочевина. Это заключительный фермент цикла мочевины. Он встречается во всех доменах жизни.

Структура и функция

Аргиназа относится к семейству ферментов уреогидролаз. Аргиназа катализирует пятую и заключительную стадию цикла мочевины – серию биохимических реакций у млекопитающих, в ходе которых организм избавляется от токсичного аммиака. В частности, аргиназа превращает L-аргинин в L-орнитин и мочевину. Аргиназа млекопитающих активна в форме тримера, однако некоторые бактериальные аргиназы являются гексамерами. Для нормального функционирования ферменту требуется двухмолекулярный кластер ионов марганца. Эти ионы Mn2+ координируются с водой, ориентируя и стабилизируя молекулу, и позволяя воде выступать в качестве нуклеофила для атаки L-аргинина, гидролизуя его до орнитина и мочевины. Второй изозим может быть обнаружен даже при отсутствии других ферментов цикла мочевины.

Механизм

Активный центр удерживает L-аргинин посредством водородных связей между гуанидиновой группой и Glu227. Эта связь ориентирует L-аргинин для нуклеофильной атаки гидроксид-ионом, связанным с металлом, на гуанидиновую группу. В результате образуется тетраэдрический интермедиат. Ионы марганца стабилизируют как гидроксильную группу в тетраэдрическом интермедиате, так и формирующуюся sp3-гибридную неподеленную электронную пару в группе NH2 при образовании тетраэдрического интермедиата. Активный центр аргиназы обладает исключительной специфичностью. Модификация структуры субстрата и/или его стереохимии существенно снижает кинетическую активность фермента. Эта специфичность обусловлена большим количеством водородных связей между субстратом и ферментом: существуют прямые или опосредованные водой водородные связи, насыщающие все четыре акцепторные позиции альфа-карбоксилатной группы и все три позиции альфа-аминогруппы. N-гидрокси-L-аргинин (NOHA), промежуточное соединение в биосинтезе NO, является умеренным ингибитором аргиназы. Кристаллическая структура его комплекса с ферментом показывает, что он вытесняет гидроксид-ион, связывающий металл, и образует мостик между двуядерным кластером марганца.

Роль в сексуальной реакции

Аргиназа II коэкспрессируется с синтазой оксида азота (NO) в гладкой мышечной ткани, такой как мышцы гениталий у мужчин и женщин. Сокращение и расслабление этих мышц связывают с синтазой NO, которая вызывает быстрое расслабление гладкой мышечной ткани и способствует наполнению тканей, необходимому для нормальной сексуальной реакции. Однако, поскольку синтаза NO и аргиназа конкурируют за один и тот же субстрат (L-аргинин), повышенная экспрессия аргиназы может повлиять на активность синтазы NO и NO-зависимое расслабление гладкой мускулатуры, истощая пул L-аргинина, который в противном случае был бы доступен для синтазы NO. Напротив, ингибирование аргиназы АБГ или другими ингибиторами борной кислоты поддерживает нормальный уровень аргинина в клетках, тем самым обеспечивая нормальное расслабление мышц и сексуальную реакцию. Аргиназа является регулирующим фактором как мужской эректильной функции, так и женского сексуального возбуждения и, следовательно, является потенциальной мишенью для лечения сексуальной дисфункции у обоих полов. Кроме того, добавление L-аргинина в рацион снизит конкуренцию между аргиназой и синтазой NO, предоставляя дополнительный субстрат для каждого фермента.

Патология

Дефицит аргиназы обычно относится к снижению функции аргиназы I, печеночной изоформы аргиназы. Этот дефицит обычно называют гипераргининемией или аргинемией. Заболевание является наследственным и аутосомно-рецессивным. Оно характеризуется снижением активности аргиназы в клетках печени и считается самым редким из наследственных дефектов уреагенеза. В отличие от других нарушений цикла мочевины, дефицит аргиназы не прекращает уреагенез полностью. Предполагается, что сохранение некоторой функции аргиназы связано с повышенной активностью аргиназы II в почках у пациентов с дефицитом аргиназы I. Исследователи полагают, что накопление аргинина стимулирует повышенную экспрессию аргиназы II. Ферменты в почках затем катализируют уреагенез, частично компенсируя снижение активности аргиназы I в печени. Благодаря этому альтернативному механизму удаления избыточного аргинина и аммиака из кровотока, пациенты с дефицитом аргиназы, как правило, живут дольше, чем пациенты с другими дефектами цикла мочевины. Симптомы заболевания включают неврологические нарушения, деменцию, задержку роста и гипераммониемию. Хотя некоторые симптомы можно контролировать с помощью диетических ограничений и лекарственных препаратов, в настоящее время не существует эффективного лечения или терапии, полностью избавляющей от заболевания.