La argininosuccinato sintasa o sintetasa ( ASS ; EC 6.3.4.5) es una enzima que cataliza la síntesis de argininosuccinato a partir de citrulina y aspartato . En humanos, la argininosuccinato sintasa está codificada por el gen ASS ubicado en el cromosoma 9 .
ASS es responsable del tercer paso del ciclo de la urea y de una de las reacciones del ciclo citrulina-NO.
El gen ASS expresado tiene al menos 65 kb de longitud e incluye al menos 12 intrones . [2] En humanos, ASS se expresa principalmente en las células del hígado y el riñón .
En el primer paso de la reacción catalizada, la citrulina ataca el α-fosfato de ATP para formar adenilato de citrulina, un intermedio reactivo. La unión de AMP al grupo ureido (similar a la urea) de la citrulina activa el centro carbonilo para el posterior ataque nucleofílico . Esta activación facilita el segundo paso, en el que el grupo α-amino del aspartato ataca al grupo ureido. El ataque del aspartato es el paso limitante de la velocidad de la reacción. Este paso produce AMP y L- argininosuccinato libres . [3]
Termodinámicamente, la adenilación del grupo ureido de citrulina es más favorable que la fosforilación análoga . Además, el ataque de la citrulina al α-fosfato de ATP produce un equivalente de pirofosfato , que puede hidrolizarse en una reacción termodinámicamente favorable para proporcionar energía adicional para impulsar la adenilación. [4]
La argininosuccinato sintetasa es un homotetrámero y cada subunidad consta de 412 residuos. [6] Las interfaces entre subunidades contienen varios puentes salinos y enlaces de hidrógeno , y el extremo C de cada subunidad participa en la oligomerización al interactuar con los extremos C y los dominios de unión de nucleótidos de las otras subunidades. [7]
Se han generado estructuras cristalinas de rayos X para la argininosuccinato sintetasa de Thermus thermophilus , E. coli , Thermotoga marítima y Homo sapiens . En el ASS de T. thermophilus , E. coli y H. sapiens , la citrulina y el aspartato están estrechamente unidos en el sitio activo mediante interacciones con residuos de serina y arginina ; Las interacciones de los sustratos con otros residuos en el sitio activo varían según la especie. En T. thermophilus , el grupo ureido de la citrulina parece reposicionarse durante el ataque nucleofílico para alcanzar una proximidad suficiente al α-fosfato de ATP. [5] En E. coli , se sugiere que la unión de ATP provoca un cambio conformacional que reúne el dominio de unión de nucleótidos y el dominio de sintetasa. [8] No se ha logrado una estructura de argininosuccinato sintetasa con un ATP unido en el sitio activo, aunque el modelado sugiere que la distancia entre el ATP y el grupo ureido de la citrulina es menor en la argininosuccinato sintetasa humana que en la variedad de E. coli , por lo que Es probable que sea necesario un cambio conformacional mucho menor para la catálisis. [7] El dominio de unión a ATP de la argininosuccinato sintetasa es similar al de otras pirofosfatasas de ATP de tipo N. [8]
La argininosuccinato sintetasa participa en la síntesis de creatina , poliaminas, arginina , urea y óxido nítrico . [9]
La transformación de citrulina en argininosuccinato es el paso limitante de la velocidad en la síntesis de arginina. La actividad de la argininosuccinato sintetasa en la síntesis de arginina ocurre en gran medida en la membrana mitocondrial externa de las células hepáticas periportales como parte del ciclo de la urea, con cierta actividad en las células corticales del riñón . [6] { [9] Los defectos genéticos que causan la localización incorrecta de la argininosuccinato sintetasa en la membrana mitocondrial externa causan citrulinemia tipo II. [9]
En fetos y bebés, la arginina también se produce a través de la actividad de la argininosuccinato sintetasa en las células intestinales, presumiblemente para complementar el bajo nivel de arginina que se encuentra en la leche materna. La expresión de argininosuccinato sintetasa en los intestinos cesa después de dos o tres años de vida. [9]
Se cree que la regulación de la actividad de la argininosuccinato sintetasa en la síntesis de arginina se produce principalmente a nivel transcripcional en respuesta a los glucocorticoides , AMPc , glucagón e insulina . [10] También se ha demostrado in vitro que la arginina regula negativamente la expresión de argininosuccinato sintetasa, mientras que la citrulina la regula positivamente. [9]
La enzima óxido nítrico sintasa endotelial produce óxido nítrico a partir de arginina en las células endoteliales . [9] La argininosuccinato sintetasa y la argininosuccinato liasa reciclan la citrulina, un subproducto de la producción de óxido nítrico, en arginina. Dado que el óxido nítrico es una molécula de señalización importante, esta función del ASS es importante para la fisiología vascular. En esta función, la actividad de la argininosuccinato sintetasa está regulada en gran medida por moléculas de señal celular inflamatoria, como las citoquinas . [6]
En las células endoteliales, se ha demostrado que la expresión de ASS aumenta por el esfuerzo cortante laminar debido al flujo sanguíneo pulsativo. [11] La evidencia emergente sugiere que ASS también puede estar sujeto a regulación por fosforilación en el residuo Ser-328 por la proteína quinasa C -α [12] y por nitrosilación en el residuo Cys-132 por la óxido nítrico sintasa. [7]
La citrulinemia es una enfermedad hereditaria autosómica recesiva. [13] Se han identificado al menos 50 mutaciones que causan la citrulinemia tipo I en el gen ASS. La mayoría de estas mutaciones sustituyen un aminoácido por otro en ASS. Es probable que estas mutaciones afecten la estructura de la enzima y su capacidad para unirse a la citrulina, el aspartato y otras moléculas. Algunas mutaciones conducen a la producción de una enzima anormalmente corta que no puede desempeñar eficazmente su papel en el ciclo de la urea.
Los defectos en ASS interrumpen el tercer paso del ciclo de la urea, impidiendo que el hígado procese el exceso de nitrógeno en urea. Como resultado, el nitrógeno (en forma de amoníaco ) y otros subproductos del ciclo de la urea (como la citrulina) se acumulan en el torrente sanguíneo. El amoníaco es tóxico, particularmente para el sistema nervioso . Una acumulación de amoníaco durante los primeros días de vida provoca mala alimentación, vómitos , convulsiones y otros signos y síntomas de la citrulinemia tipo I.
El tratamiento de este defecto incluye una dieta baja en proteínas y suplementos dietéticos con arginina y fenilacetato . La arginina permite que el ciclo de la urea se complete, creando los sustratos necesarios para fijar originalmente el amoníaco. Esto reducirá el pH de la sangre. Además, el fenilacetato reacciona con la glutamina acumulada, dando como resultado fenilacetoglutamina, que puede excretarse por vía renal. [14]
Se ha observado una falta de expresión de argininosuccinato sintetasa en varios tipos de células cancerosas, incluido el cáncer de páncreas , el cáncer de hígado [15] y el melanoma. [16] Por ejemplo, se han observado defectos en el ASS en el 87% de los cánceres de páncreas. Por lo tanto, las células cancerosas no pueden sintetizar suficiente arginina para los procesos celulares y, por lo tanto, deben depender de la arginina dietética. Se ha demostrado que el agotamiento de la arginina plasmática utilizando arginina deiminasa conduce a la regresión de los tumores en ratones. [17]
