Орнитинтранскарбамилаза

Орнитинтранскарбамилаза (OTC) (также называемая орнитинкарбамоилтрансферазой) представляет собой фермент (Шифр КФ 2.1.3.3), который катализирует реакцию между карбамоилфосфатом (CP) и орнитином (Orn) с образованием цитруллина (Cit) и фосфата (Pi). Существует два класса OTC. Эта статья посвящена анаболическим OTC. Анаболические OTC обеспечивают шестой этап биосинтеза аминокислоты аргинина у прокариот. Также OTC млекопитающих играют важную роль в цикле мочевины, целью которого является улавливание токсичного аммиака и превращение его в мочевину, менее токсичный источник азота, для выведения.

Механизм реакции

Механизм реакции:. Аминогруппа боковой цепи орнитина нуклеофильно атакует карбонильный углерод карбамоилфосфата, (слева), с образованием тетраэдрического переходного состояния (середина) . Перегруппировка зарядов освобождает цитруллин и фосфат, (справа).

Структура

OTC — это тримерный белок. Есть три активных центра белка, которые расположены в пространстве между мономерами. Связывающий домен карбамоилфосфата находится на N-конце каждого мономера, в то время как C-конец содержит связывающий домен для орнитина. Оба связывающих домена имеют схожую структуру с центральным параллельным β-складчатым листом, ограниченным α-спиралями и петлями. Помимо связывающих доменов, у OTC есть петли SMG. Они закрываются, закрывая сайт связывания, как только оба субстрата связываются. SMG означает консервативный аминокислотный мотив Ser-Met-Gly. После закрытия эти остатки взаимодействуют с L-орнитином. Связывание CP вызывает глобальные конформационные изменения, в то время как связывание L-орнитина только вызывает движение петли SMG для закрытия и изоляции сайта активации.

Активный сайт

Мотив Ser-Thr-Arg-Thr-Arg из одной субъединицы и His из соседней субъединицы взаимодействуют с фосфатной группой CP для связывания. Первичный азот CP связывается через остатки Gln, Cys и Arg. Карбонильный кислород CP связан остатками Thr, Arg и His.

Аминокислотный состав

OTC растений имеют наибольшее отличие от других ОТС. У них на 50-70 % меньше остатков Leu, в то время как остатков Arg в два раза больше. Количество аминокислот в ОТС варьируется от 322 до 340 остатков. Животные имеют самую высокую плотность Leu, которые обеспечивают pI для животного фермента 6,8, в то время как у растительного фермента pI составляет 7,6. ОТС крыс, крупного рогатого скота и человека содержат один и тот же C-концевой остаток фенилаланина. С другой стороны, их N-концевые остатки различаются. У крыс в конце Ser, у быка — Asp, у человека — Gly.

Геномика

Ген ОТС человека расположен на коротком плече хромосомы X (Xp21.1). Ген расположен в (плюсовой) цепи Ватсона и имеет длину 73 т.п.н. Открытая рамка считывания из 1062 нуклеотидов распределяется между 10 экзонами и девятью интронами. Кодируемый белок имеет длину 354 аминокислоты с прогнозируемой молекулярной массой 39,935 кДа. Посттранскрипционная модификация оставляет зрелый пептид с 322 аминокислотами и массой 36,1 кДа. Белок находится в митохондриальном матриксе. У млекопитающих ОТС экспрессируется в печени и слизистой оболочке тонкого кишечника.

Человеческие мутации

Известно о 341 мутации в человеческих безрецептурных препаратах. 149 из этих мутаций вызывают гипераммониемию в течение первых недель жизни. 70 проявляется гипераммониемией у пациентов мужского пола в более позднем возрасте. Большинство мутаций происходит в известных функциональных мотивах, таких как петля SMG или домены связывания CP.

Дефицит

Мутации в гене OTC могут вызывать дефицит орнитинтранскарбамилазы. Это заболевание классифицируется как нарушение цикла мочевины из-за того, что без обеспечения функции OTC аммиак начинает накапливаться в крови. Накопление аммиака в крови называется гипераммониемией. Поскольку аммиак, хотя и токсичен, но является источником азота для организма, его повышенный уровень вызывает повышение уровня аминокислот, глутамата и аланина. Уровни карбамоилфосфата (CP) начнут падать по мере снижения уровня азота мочевины в крови. Это приведет к тому, что CP переключится на путь синтеза уридинмонофосфата. Оротовая кислота является продуктом этого пути. Повышенный уровень оротовой кислоты в моче может быть индикатором того, что пациент страдает заболеванием, связанным с гипераммониемией.

Дефицит OTC проявляется как в ранней форме, так и в поздней форме.

Ранний дефицит

Ранний дефицит наблюдается у новорожденных. Симптомы нарушения цикла мочевины часто не проявляются до тех пор, пока ребёнок не окажется дома, и не могут быть своевременно обнаружены семьей и лечащим врачом . Симптомы у маленьких детей с гипераммониемией неспецифичны: нежелание есть, проблемы с дыханием, температурой тела, судороги, необычные движения тела (подергивания) и сонливость. По мере накопления аммиака симптомы прогрессируют от сонливости до летаргии, потенциально заканчивающейся комой . Аномальная поза (неконтролируемое движение) и энцефалопатия (повреждение головного мозга) часто связаны со степенью отека центральной нервной системы и давления на ствол мозга. Приблизительно у 50 % новорожденных с тяжелой гипераммониемией возникают судороги.

Поздний дефицит

При более легкой (или частичной) недостаточности ферментов цикла мочевины накопление аммиака может быть вызвано болезнью или стрессом практически в любое время жизни, что приводит к многократному умеренному повышению концентрации аммиака в плазме [Bourrier et al. 1988]. У пациентов с частичным дефицитом ферментов симптомы могут проявляться с задержкой на месяцы или годы. Признаки того, что вы, возможно, страдаете от безрецептурного дефицита или нарушения цикла мочевины, включают «эпизоды бреда, беспорядочное поведение или подавленное сознание, головные боли, рвоту, отвращение к продуктам с высоким содержанием белка и судороги.»

Лечение

Потенциальным средством лечения высокого уровня аммиака является введение бензоата натрия, который соединяется с глицином с образованием гиппурата с одновременным удалением группы аммония. Биотин также играет важную роль в функционировании OTC и в экспериментах на животных было показано, что он снижает интоксикацию аммиаком. Кроме того, было предложено и изучено использование терапевтической гипотермии всего тела в качестве лечения. Считается, что она увеличивает эффективность диализа для извлечения аммиака из организма.