Введение

Энзим аргининосукцинатсинтаза или синтетаза (АСС; ) – это фермент, катализирующий синтез аргининосукцината из цитруллина и аспартата. У человека аргининосукцинатсинтаза кодируется геном ASS, расположенным на 9-й хромосоме. АСС отвечает за третью стадию цикла мочевины и одну из реакций цикла цитруллина-NO.

Выражение

Экспрессируемый ген ASS имеет длину не менее 65 кб, включая как минимум 12 интронов. У человека ASS экспрессируется преимущественно в клетках печени и почек.

Механизм

На первом этапе каталитической реакции цитруллин атакует α-фосфат АТФ, образуя цитруллиновый аденилат – реакционноспособный промежуточный продукт. Присоединение AMP к уреидо (подобной мочевине) группе цитруллина активирует карбонильный центр для последующей нуклеофильной атаки. Эта активация облегчает второй этап, в котором α-аминогруппа аспартата атакует уреидогруппу. Атака аспартата является лимитирующей стадией реакции. В результате этого этапа образуются свободный AMP и L-аргининосукцинат. Термодинамически аденилирование уреидогруппы цитруллина более выгодно, чем аналогичное фосфорилирование. Кроме того, атака цитруллина на α-фосфат АТФ приводит к образованию эквивалента пирофосфата, который может быть гидролизован в термодинамически благоприятной реакции, высвобождая дополнительную энергию для осуществления адениляции.

Четвертичный период

Аргининосукцинатосинтетаза является гомотетрамером, состоящим из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых содержит 412 аминокислотных остатков. В областях контакта между субъединицами присутствуют многочисленные солевые мостики и водородные связи, а C-конец каждой субъединицы участвует в олигомеризации, взаимодействуя с C-концами и доменами связывания нуклеотидов других субъединиц.

Активный сайт

Кристаллические структуры, полученные с помощью рентгеновской дифракции, представлены для аргининосукцинатной синтетазы из Thermus thermophilus, E. coli, Thermotoga maritime и Homo sapiens. В АСС из T. thermophilus, E. coli и H. sapiens цитруллин и аспартат прочно связаны в активном центре посредством взаимодействий с остатками серина и аргинина; взаимодействия субстратов с другими остатками в активном центре различаются в зависимости от вида. У T. thermophilus уреидо-группа цитруллина, по-видимому, изменяет свое положение во время нуклеофильной атаки, чтобы достичь достаточной близости к α-фосфату АТФ. Структура аргининосукцинатной синтетазы с АТФ, связанным в активном центре, пока не получена, однако моделирование показывает, что расстояние между АТФ и уреидо-группой цитруллина меньше в аргининосукцинатной синтетазе человека, чем в E. coli, поэтому для катализа, вероятно, потребуется значительно меньшее конформационное изменение.

Синтез аргинина

Превращение цитруллина в аргининосукцинат является лимитирующей стадией в синтезе аргинина. Активность аргининосукцинатной синтетазы в синтезе аргинина протекает преимущественно на внешней митохондриальной мембране перипортальных клеток печени как часть цикла мочевины, при этом некоторая активность наблюдается в кортикальных клетках почек. Также in vitro было показано, что аргинин подавляет экспрессию аргининосукцинатной синтетазы, а цитруллин – стимулирует. Появляющиеся данные указывают на то, что АСС может также подвергаться регуляции посредством фосфорилирования остатка Ser 328 протеинкиназой C α и нитрозилирования остатка Cys 132 синтазой оксида азота. В гене АСС было идентифицировано не менее 50 мутаций, вызывающих цитруллинемию I типа. Большинство этих мутаций приводят к замене одной аминокислоты на другую в АСС. Эти мутации, вероятно, влияют на структуру фермента и его способность связываться с цитруллином, аспартатом и другими молекулами. Некоторые мутации приводят к образованию аномально короткого фермента, который не может эффективно выполнять свою роль в цикле мочевины. Дефекты в АСС нарушают третий этап цикла мочевины, препятствуя переработке избытка азота в мочевину печенью. В результате в кровотоке накапливается азот (в форме аммиака) и другие побочные продукты цикла мочевины (например, цитруллин). Аммиак токсичен, особенно для нервной системы. Накопление аммиака в течение первых нескольких дней жизни приводит к плохому аппетиту, рвоте, судорогам и другим признакам и симптомам цитруллинемии I типа. Лечение этого дефекта включает низкобелковую диету и диетическую добавку аргинином и фенилацетатом. Аргинин позволяет циклу мочевины завершиться, создавая субстраты, необходимые для первоначальной фиксации аммиака. Это снижает pH крови. Кроме того, фенилацетат реагирует с накопленным глутамином, образуя фенилацетоглутамин, который может выводиться почками.

Рак

Недостаток экспрессии аргининосукцинатсинтазы наблюдается в нескольких типах раковых клеток, включая рак поджелудочной железы, рак печени и меланому. Например, дефекты в АСС выявлены в 87% случаев рака поджелудочной железы. В связи с этим, раковые клетки не способны синтезировать достаточное количество аргинина для клеточных процессов и вынуждены полагаться на аргинин, поступающий с пищей. Уменьшение концентрации аргинина в плазме крови с помощью аргинин-деминазы показало способность вызывать регрессию опухолей у мышей.