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.
Argininosuccinate synthase or synthetase (ASS; ) is an enzyme that catalyzes the synthesis of argininosuccinate from citrulline and aspartate. In humans, argininosuccinate synthase is encoded by the ASS gene located on chromosome 9. ASS is responsible for the third step of the urea cycle and one of the reactions of the citrulline NO cycle.
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.