Аргиназа

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Аргиназа
Ленточная диаграмма тримера аргиназы I человека. PDB entry 2pha[1].
Ленточная диаграмма тримера аргиназы I человека. PDB entry 2pha[1].
Идентификаторы
Шифр КФ3.5.3.1
Номер CAS9000-96-8
Базы ферментов
IntEnzIntEnz view
BRENDABRENDA entry
ExPASyNiceZyme view
MetaCycmetabolic pathway
KEGGKEGG entry
PRIAMprofile
PDB structuresRCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene OntologyAmiGO • EGO
Поиск
PMCстатьи
PubMedстатьи
NCBINCBI proteins
CAS9000-96-8

Аргина́за, также аргининогидролáза (англ. arginine amidinase, canavanase, L-arginase, arginine transamidinase, сокр. ARG) — фермент (КФ 3.5.3.1), из семейства амидазы (класс гидролазы), катализирующий реакцию гидролитического расщепления молекул аргинина (связь C-N) до мочевины и орнитина. Схема реакции:

Arginin + H2O → Орнитин + Мочевина.

В качестве кофактора аргиназа использует ионы марганца (Mn2+).

Это конечный фермент, катализирующий последнюю реакцию цикла мочевины. Аргиназа присутствует во всех живых организмах.

В организме человека аргиназа представлена двумя изоформами:

  • печёночная, также цитоплазматическая изоформа или аргиназа I
  • внепечёночная, также митохондриальная изоформа или аргиназа II.

Ген, кодирующий аргиназу I — ARG1, локализован на длинном плече (q-плече), 6-й хромосомы. Аргиназа II кодируется геном ARG2, который локализуется на длинном плече (q-плече), 14-й хромосомы.

Полипептидная цепь аргиназы I включает в себя 322 аминокислоты и имеет молекулярную массу — 34735 Да[2]. Длина полипептидной цепи аргиназы II составляет 354 аминокислоты, а молекулярная масса — 38578 Да[3].

Структура и выполняемые функции

Аргиназа относится к семейству ферментов уреогидролаз (амидаз).

Аргиназа катализирует пятый и последний этап цикла мочевины — серия биохимических реакций в организме млекопитающих, в ходе которых организм избавляется от вредного аммиака. В частности, аргиназа превращает L-аргинин в L-орнитин и мочевину[4]. Аргиназа млекопитающих активна в виде тримера, но некоторые бактериальные аргиназы гексамерны[5]. Для поддержания нормального функционирования ферменту требуется двухмолекулярный металлический кластер марганца. Данные ионы Mn2+ координируются с водой, ориентируя и стабилизируя молекулу и позволяя воде действовать в качестве нуклеофила и атаковать L-аргинин, гидролизуя его на орнитин и мочевину[6].

У большинства млекопитающих существует два изофермента аргиназы; первый, аргиназа I, функционирует в цикле мочевины и расположен преимущественно в цитоплазме гепатоцитов (клеток печени). Второй изофермент, аргиназа II, участвует в регуляции внутриклеточного уровня аргинина/орнитина. Она находится в митохондриях нескольких тканей организма, причём наиболее многочисленна в почках и простате. В более низких концентрациях она может быть обнаружена в макрофагах, лактирующих молочных железах и головном мозге[7]. Второй изофермент может быть обнаружен в отсутствие других ферментов цикла мочевины[6].

Механизм катализа

Активный сайт удерживает L-аргинин на месте благодаря водородной связи между гуанидиновой группой и Glu-227. Эта связь ориентирует L-аргинин для нуклеофильной атаки связанного с металлом гидроксид-иона на гуанидиновую группу. В результате образуется тетраэдрический промежуточный продукт. Ионы марганца стабилизируют как гидроксильную группу в тетраэдрическом промежуточном соединении, так и формирующуюся одиночную sp3 электронную пару на группе NH2 по мере образования тетраэдрического промежуточного соединения[8].

Активный сайт аргиназы имеет очень высокую специфичность. Изменение структуры субстрата и/или стереохимии сильно снижает кинетическую активность фермента. Такая специфичность обусловлена большим количеством водородных связей между субстратом и ферментом; существуют прямые или облегчённые водой водородные связи, насыщающие как четыре акцепторные позиции на альфа-карбоксилатной группе, так и все три позиции на альфа-аминогруппе. N-гидрокси-L-аргинин (NOHA), промежуточный продукт биосинтеза NO, является умеренным ингибитором аргиназы. Кристаллическая структура его комплекса с ферментом показывает, что он вытесняет гидроксид-ион, связывающий металл, и соединяет двухъядерный кластер марганца[8].

Кроме того, 2(S)-амино-6-бороногексоновая кислота (ABH) — аналог L-аргинина, который также образует тетраэдрический промежуточный продукт, подобный тому, что образуется при катализе природного субстрата, и является мощным ингибитором аргиназы I человека[9].

Роль в сексуальной реакции

Аргиназа II экспрессируется совместно с синтазой оксида азота (NO) в гладкой мышечной ткани, например, в мышцах половых органов как мужчин, так и женщин. Сокращение и расслабление этих мышц приписывают NO-синтазе, которая вызывает быстрое расслабление гладкой мышечной ткани и способствует увеличению объёма тканей, необходимому для нормальной сексуальной реакции. Однако, поскольку NO-синтаза и аргиназа конкурируют за один и тот же субстрат (L-аргинин), сверхэкспрессия аргиназы может влиять на активность NO-синтазы и NO-зависимое расслабление гладких мышц, истощая запас субстрата L-аргинина, который в противном случае был бы доступен оксиду азоту (NO). синтаза. Напротив, ингибирование аргиназы с помощью ABH или других ингибиторов бороновой кислоты будет поддерживать нормальный клеточный уровень аргинина, тем самым обеспечивая нормальную мышечную релаксацию и сексуальную реакцию[10].

Аргиназа является контролирующим фактором как мужской эректильной функции, так и женского сексуального возбуждения, и поэтому является потенциальной мишенью для лечения сексуальной дисфункции у обоих полов. Кроме того, добавление в рацион дополнительного количества L-аргинина уменьшит конкуренцию между аргиназой и NO-синтазой, обеспечивая дополнительный субстрат для каждого фермента[11].

Патология

Дефицит аргиназы обычно означает снижение функции аргиназы I, печёночной изоформы аргиназы. Этот дефицит обычно называют гипераргининемией[англ.] или аргинемией. Это заболевание является врождённым и наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Оно характеризуется снижением активности аргиназы в печёночных клетках. Считается самым редким из наследственных дефектов уреагенеза. Дефицит аргиназы, в отличие от других нарушений цикла мочевины, не полностью предотвращает уреагенез. Предположительной причиной продолжения функции аргиназы является повышенная активность аргиназы II в почках людей с дефицитом аргиназы I. Исследователи считают, что накопление аргинина запускает повышенную экспрессию аргиназы II. Ферменты в почках катализируют уреагенез, компенсируя снижение активности аргиназы I в печени. Благодаря этому альтернативному методу удаления избытка аргинина и аммиака из кровотока, люди с дефицитом аргиназы, как правило, живут дольше, чем те, у кого есть другие дефекты цикла мочевины[12].

Симптомы заболевания включают неврологические нарушения, слабоумие, задержку роста и гипераммониемию. Хотя некоторые симптомы заболевания можно контролировать с помощью диетических ограничений и фармацевтических разработок, в настоящее время не существует ни лекарства, ни полностью эффективной терапии[12]. В 2023 г. был одобрен препарат пегзиларгиназа[англ.].

Примечания

  1. ↑ Di Costanzo L, Pique ME, Christianson DW (May 2007). "Crystal structure of human arginase I complexed with thiosemicarbazide reveals an unusual thiocarbonyl mu-sulfide ligand in the binuclear manganese cluster". J. Am. Chem. Soc. 129 (20): 6388—9. doi:10.1021/ja071567j. PMC 2593847. PMID 17469833.
  2. ↑ UniProt, P05089 (англ.). Дата обращения: 16 декабря 2023. Архивировано 16 декабря 2023 года.
  3. ↑ UniProt, P78540 (англ.). Дата обращения: 16 декабря 2023. Архивировано 16 декабря 2023 года.
  4. ↑ Wu G, Morris SM (November 1998). "Arginine metabolism: nitric oxide and beyond". The Biochemical Journal. 336. ( Pt 1): 1—17. doi:10.1042/bj3360001. PMC 1219836. PMID 9806879. Архивировано 15 августа 2002. Дата обращения: 16 декабря 2023.
  5. ↑ Dowling DP, Di Costanzo L, Gennadios HA, Christianson DW (July 2008). "Evolution of the arginase fold and functional diversity". Cell. Mol. Life Sci. 65 (13): 2039—55. doi:10.1007/s00018-008-7554-z. PMC 2653620. PMID 18360740.
  6. ↑ 1 2 Di Costanzo L, Moulin M, Haertlein M, Meilleur F, Christianson DW (September 2007). "Expression, purification, assay, and crystal structure of perdeuterated human arginase I". Archives of Biochemistry and Biophysics. 465 (1): 82—9. doi:10.1016/j.abb.2007.04.036. PMC 2018606. PMID 17562323.
  7. ↑ Morris SM (2002). "Regulation of enzymes of the urea cycle and arginine metabolism". Annual Review of Nutrition. 22 (1): 87—105. doi:10.1146/annurev.nutr.22.110801.140547. PMID 12055339.
  8. ↑ 1 2 Reczkowski RS, Ash DE (July 1994). "Rat liver arginase: kinetic mechanism, alternate substrates, and inhibitors". Archives of Biochemistry and Biophysics. 312 (1): 31—7. doi:10.1006/abbi.1994.1276. PMID 8031143.
  9. ↑ Cox JD, Kim NN, Traish AM, Christianson DW (November 1999). "Arginase-boronic acid complex highlights a physiological role in erectile function". Nature Structural Biology. 6 (11): 1043—7. doi:10.1038/14929. PMID 10542097. S2CID 22808766.
  10. ↑ Cama E, Colleluori DM, Emig FA, Shin H, Kim SW, Kim NN, Traish AM, Ash DE, Christianson DW (July 2003). "Human arginase II: crystal structure and physiological role in male and female sexual arousal". Biochemistry. 42 (28): 8445—51. doi:10.1021/bi034340j. PMID 12859189.
  11. ↑ Moody JA, Vernet D, Laidlaw S, Rajfer J, Gonzalez-Cadavid NF (September 1997). "Effects of long-term oral administration of L-arginine on the rat erectile response". The Journal of Urology. 158 (3 Pt 1): 942—7. doi:10.1016/S0022-5347(01)64368-4. PMID 9258123.
  12. ↑ 1 2 Iyer RK, Yoo PK, Kern RM, Rozengurt N, Tsoa R, O'Brien WE, Yu H, Grody WW, Cederbaum SD (July 2002). "Mouse model for human arginase deficiency". Molecular and Cellular Biology. 22 (13): 4491—8. doi:10.1128/MCB.22.13.4491-4498.2002. PMC 133904. PMID 12052859.