Орнитинтранскарбамилаза (OTC) (также называемая орнитинкарбамоилтрансферазой) представляет собой фермент (Шифр КФ2.1.3.3), который катализирует реакцию между карбамоилфосфатом (CP) и орнитином (Orn) с образованием цитруллина (Cit) и фосфата (Pi). Схема реакции:
+ → + Pi.
Существует два класса OTC. Эта статья посвящена анаболическим OTC. Анаболические OTC обеспечивают шестой этап биосинтеза аминокислоты аргинина у прокариот[1]. 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. Длина полипептидной цепи белка у человека включает 354 аминокислоты, а молекулярная масса составляет — 39935 Да[2].
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)[3].
Структура
Тример ОТС
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[4]. 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[5].
Активный сайт
Связующие остатки в человеческом мономере OTC. Остатки орнитина (OT) окрашены в пурпурный цвет, остатки связывания карбамоилфосфата (CP) окрашены в темно-синий цвет, а другие остатки, входящие в петлю SMG, окрашены в голубой цвет[6]. Карбамоилфосфат, расположенный в сайте связывания OTC[6].
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[7].
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[8]. 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[9][10].
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[11]. 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[12].
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.[13] 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.»[14]
Лечение
Потенциальным средством лечения высокого уровня аммиака является введениебензоата натрия, который соединяется с глицином с образованием гиппурата с одновременным удалением группы аммония. Биотин также играет важную роль в функционировании OTC[15] 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[16].
Примечания
↑Biosynthesis and metabolism of arginine in bacteria. Microbiological Reviews. 50 (3): 314–52. September 1986. PMID3534538.
↑Mechanism of inactivation of ornithine transcarbamoylase by Ndelta -(N'-Sulfodiaminophosphinyl)-L-ornithine, a true transition state analogue? Crystal structure and implications for catalytic mechanism. The Journal of Biological Chemistry. 275 (26): 20012–9. June 2000. doi:10.1074/jbc.M000585200. PMID10747936.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
↑The crystal structures of ornithine carbamoyltransferase from Mycobacterium tuberculosis and its ternary complex with carbamoyl phosphate and L-norvaline reveal the enzyme's catalytic mechanism. Journal of Molecular Biology. 375 (4): 1052–63. January 2008. doi:10.1016/j.jmb.2007.11.025. PMID18062991.
↑Substrate-induced conformational change in a trimeric ornithine transcarbamoylase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94 (18): 9550–5. September 1997. doi:10.1073/pnas.94.18.9550. PMID9275160.
↑Isolation and characterization of ornithine transcarbamylase from normal human liver. The Journal of Biological Chemistry. 253 (11): 3939–44. June 1978. PMID25896.
↑Ornithine transcarbamylase of rat liver. Kinetic, physical, and chemical properties. The Journal of Biological Chemistry. 254 (20): 10030–6. October 1979. PMID489581.
↑Targeting of pre-ornithine transcarbamylase to mitochondria: definition of critical regions and residues in the leader peptide. Cell. 44 (3): 451–9. February 1986. doi:10.1016/0092-8674(86)90466-6. PMID3943133.
↑Mutations and polymorphisms in the human ornithine transcarbamylase (OTC) gene. Human Mutation. 27 (7): 626–32. July 2006. doi:10.1002/humu.20339. PMID16786505.
↑Ornithine transcarbamylase deficiency (неопр.). Genetics Home Reference. National Library of Medicine, U.S. Department of Health & Human Services. Дата обращения: 3 марта 2019. Архивировано 26 сентября 2020 года.
↑Ornithine transcarbamylase deficiency (неопр.). Genetic and Rare Diseases Information Center (GARD) – an NCATS Program. National Institutes of Health, U.S. Department of Health & Human Services. Дата обращения: 3 марта 2019. Архивировано 6 марта 2019 года.
↑Effect of biotin on ammonia intoxication in rats and mice. Journal of Gastroenterology. 30 (3): 351–5. June 1995. doi:10.1007/bf02347511. PMID7647902.
↑Feasibility of adjunct therapeutic hypothermia treatment for hyperammonemia and encephalopathy due to urea cycle disorders and organic acidemias. Molecular Genetics and Metabolism. 109 (4): 354–9. August 2013. doi:10.1016/j.ymgme.2013.05.014. PMID23791307.
Дальнейшее чтение
Tuchman M, Plante RJ (1995). Mutations and polymorphisms in the human ornithine transcarbamylase gene: mutation update addendum. Human Mutation. 5 (4): 293–5. doi:10.1002/humu.1380050404. PMID7627182.
Tuchman M (1993). Mutations and polymorphisms in the human ornithine transcarbamylase gene. Human Mutation. 2 (3): 174–8. doi:10.1002/humu.1380020304. PMID8364586.
Wakabayashi Y (July 1998). Tissue-selective expression of enzymes of arginine synthesis. Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care. 1 (4): 335–9. doi:10.1097/00075197-199807000-00004. PMID10565370.
Tuchman M, Jaleel N, Morizono H, Sheehy L, Lynch MG (February 2002). Mutations and polymorphisms in the human ornithine transcarbamylase gene. Human Mutation. 19 (2): 93–107. doi:10.1002/humu.10035. PMID11793468.
Dawson SJ, White LA (May 1992). Treatment of Haemophilus aphrophilus endocarditis with ciprofloxacin. The Journal of Infection. 24 (3): 317–20. doi:10.1016/S0163-4453(05)80037-4. PMID1602151.
Suess PJ, Tsai MY, Holzknecht RA, Horowitz M, Tuchman M (June 1992). Screening for gene deletions and known mutations in 13 patients with ornithine transcarbamylase deficiency. Biochemical Medicine and Metabolic Biology. 47 (3): 250–9. doi:10.1016/0885-4505(92)90033-U. PMID1627356.
Legius E, Baten E, Stul M, Marynen P, Cassiman JJ (August 1990). Sporadic late onset ornithine transcarbamylase deficiency in a boy with somatic mosaicism for an intragenic deletion. Clinical Genetics. 38 (2): 155–9. doi:10.1111/j.1399-0004.1990.tb03565.x. PMID2208768.
Finkelstein JE, Francomano CA, Brusilow SW, Traystman MD (June 1990). Use of denaturing gradient gel electrophoresis for detection of mutation and prospective diagnosis in late onset ornithine transcarbamylase deficiency. Genomics. 7 (2): 167–72. doi:10.1016/0888-7543(90)90537-5. PMID2347583.
Chu TW, Eftime R, Sztul E, Strauss AW (June 1989). Synthetic transit peptides inhibit import and processing of mitochondrial precursor proteins. The Journal of Biological Chemistry. 264 (16): 9552–8. PMID2722850.
