Введение
Белок млекопитающих, обнаруженный у Homo sapiens. Орнитинтранскарбамоилаза (OTC) (также называемая орнитилкарбамоилтрансферазой) — это фермент, который катализирует реакцию между карбамоилфосфатом (CP) и орнитином (Orn) с образованием цитруллина (Cit) и фосфата (Pi). Существуют два класса OTC: анаболический и катаболический. В данной статье рассматривается анаболический OTC. Анаболический OTC облегчает шестую стадию биосинтеза аминокислоты аргинина у прокариот. В отличие от этого, OTC млекопитающих играет важную роль в цикле мочевины, который предназначен для захвата токсичного аммиака и преобразования его в мочевину — менее токсичный источник азота — для выведения.
Ornithine transcarbamylase (OTC) (also called ornithine carbamoyltransferase) is an enzyme that catalyzes the reaction between carbamoyl phosphate (CP) and ornithine (Orn) to form citrulline (Cit) and phosphate (Pi). There are two classes of OTC: anabolic and catabolic. This article focuses on anabolic OTC. Anabolic OTC facilitates the sixth step in the biosynthesis of the amino acid arginine in prokaryotes. In contrast, mammalian OTC plays an essential role in the urea cycle, the purpose of which is to capture toxic ammonia and transform it into urea, a less toxic nitrogen source, for excretion.
Структура
OTC — это тримерный белок. В нём имеется три активных центра, расположенных в щели между мономерами. Домен связывания карбамоилфосфата находится на N-конце каждого мономера, а C-конец содержит домен связывания орнитина. Оба домена связывания имеют схожую структурную организацию, состоящую из центрального параллельного β-слоя, окружённого α-спиралями и петлями. Помимо доменов связывания, OTC содержат SMG-петли. Они замыкаются, чтобы закрыть активный центр после связывания обоих субстратов. SMG обозначает консервативный аминокислотный мотив Ser-Met-Gly. После замыкания эти остатки взаимодействуют с L-орнитином. Связывание карбамоилфосфата индуцирует глобальное конформационное изменение, в то время как связывание L-орнитина вызывает лишь движение SMG-петли для закрытия и изоляции активного центра.
Активный сайт
[[Файл:Карбамоилфосфат связывание орнитина транскарбамилазы.png|мини|Изображен карбамоилфосфат, расположенный в активном центре орнитинтранскарбамилазы, с аминокислотными остатками, играющими важную роль в его связывании.
Состав аминокислот
У растительных ОТЦ наблюдаются наибольшие отличия от других ОТЦ. Количество остатков Leu на 50-70% меньше, при этом количество остатков Arg вдвое больше. Количество субъединиц в ОТЦ варьируется от 322 до 340 аминокислотных остатков. У животных самая высокая плотность Leu. Такой аминокислотный состав обуславливает значение pI для фермента животного происхождения равное 6,8, а для растительного – 7,6. У ОТЦ крысы, коровы и человека одинаковый C-концевой остаток – фенилаланин. Однако N-концевые остатки различаются: у крысы – серин, у коровы – аспартат, а у человека – глицин.
Генемика
Ген ОТК человека расположен на коротком плече хромосомы X (Xp21.1). Ген находится на комплементарной цепи Уотсона (плюс) и имеет длину 73 кбаз. Открытая рамка считывания, состоящая из 1062 нуклеотидов, распределена между 10 экзонами и девятью интронами. Кодируемый белок содержит 354 аминокислоты и имеет расчетную молекулярную массу 39,935 кДа. Посттранскрипционная модификация приводит к образованию зрелого пептида из 322 аминокислот с массой 36,1 кДа. Белок локализуется в митохондриальном матриксе. У млекопитающих ОТК экспрессируется в печени и слизистой оболочке тонкой кишки.
Мутации человека
Сообщается о 341 мутации в гене OTC человека. По крайней мере 259 из этих мутаций считаются вызывающими заболевание. Известно, что 149 из этих мутаций приводят к развитию гипераммониемии в первые недели жизни. У 70 пациентов мужского пола гипераммониемия проявляется позже в жизни. Большинство мутаций локализуются в известных функциональных мотивах, таких как SMG-петля или CP-связывающие домены.
Недостаток
Мутации в гене OTC могут вызывать дефицит орнитиновой транскарбамилазы. Это заболевание классифицируется как нарушение цикла мочевины, поскольку при нарушении функции ОТК аммиак начинает накапливаться в крови. Накопление аммиака в крови известно как гипераммониемия. Хотя аммиак токсичен в избытке, он служит источником азота для организма. Следовательно, повышение уровня аммиака также приведет к увеличению концентрации азотсодержащих незаменимых аминокислот – глутамата, глутамина и аланина. Уровень карбамоилфосфата (CP) начнет снижаться по мере уменьшения уровня азота мочевины в крови. Это приведет к перенаправлению CP в путь синтеза монофосфата уридина. Оротовая кислота является продуктом этого пути. Повышенный уровень оротовой кислоты в моче может указывать на то, что у пациента заболевание, связанное с гипераммониемией. Дефицит ОТК проявляется как в ранних, так и в поздних формах.
Раннее начало
Раннее начало заболевания наблюдается у новорожденных. Симптомы нарушения цикла мочевины часто не проявляются, пока ребенок не оказывается дома, и могут быть не сразу распознаны семьей и врачом первичного звена. Симптомы у маленьких детей с гипераммониемией неспецифичны: отказ от еды, проблемы с дыханием, нарушение температуры тела, судороги, необычные движения тела (подёргивания) и сонливость. По мере нарастания уровня аммиака симптомы прогрессируют от сонливости до вялости, что потенциально может привести к коме. Ненормальная поза (непроизвольные движения) и энцефалопатия (повреждение головного мозга) часто связаны со степенью отека центральной нервной системы и давлением на ствол мозга. Примерно у 50% новорожденных с тяжелой гипераммониемией наблюдаются судороги.
Позднейшее начало
При более легких (или частичных) дефицитах ферментов мочевинного цикла накопление аммиака может быть спровоцировано болезнью или стрессом практически в любом возрасте, что приводит к многократным незначительным повышениям концентрации аммиака в плазме [Bourrier et al. 1988]. У пациентов с частичным дефицитом ферментов симптомы могут задерживаться на месяцы или годы. Признаки, указывающие на возможный дефицит ОРТ (орнитин-транскарбамоилазы) или нарушение цикла мочевины, включают "эпизоды делирия, неадекватное поведение или снижение уровня сознания, головные боли, рвоту, отвращение к продуктам, богатым белком, и судороги".
Лечение
Потенциальным методом лечения высоких уровней аммиака является введение бензоата натрия, который, соединяясь с глицином, образует гиппурат и одновременно удаляет аммиачную группу. Биотин также играет важную роль в функционировании фермента ОТК и, как показали эксперименты на животных, снижает аммиачную интоксикацию. Кроме того, терапевтическая гипотермия всего тела (ТГ) была предложена и изучалась в качестве метода лечения. Считается, что ТГ повышает эффективность диализа в отношении выведения аммиака из организма.