Аргининосукцинат-синтетаза

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.

Четвертичная структура

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

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].

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].

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

Синтез аргинина

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

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].

Цитруллинемия

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

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].

• Цикл мочевины