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Ornitina transcarbamilasa

La ornitina transcarbamilasa ( OTC ) (también llamada ornitina carbamoiltransferasa ) es una enzima ( EC 2.1.3.3) que cataliza la reacción entre el carbamoil fosfato (CP) y la ornitina (Orn) para formar citrulina (Cit) y fosfato (P i ). Hay dos clases de OTC: anabólicas y catabólicas. Este artículo se centra en la OTC anabólica. La OTC anabólica facilita el sexto paso en la biosíntesis del aminoácido arginina en procariotas. [5] Por el contrario, la OTC de los mamíferos desempeña un papel esencial en el ciclo de la urea , cuyo propósito es capturar amoníaco tóxico y transformarlo en urea, una fuente de nitrógeno menos tóxica, para su excreción.

Mecanismo de reacción

Mecanismo de reacción: El grupo amino de la cadena lateral de Orn ataca nucleofílicamente al carbono carbonílico de CP, izquierda , para formar un estado de transición tetraédrico , centro . La reorganización de carga libera Cit y P i , derecha . [6]

Estructura

La proteína OTC es una proteína trimérica. Tiene tres sitios activos que se encuentran en la hendidura entre los monómeros. El dominio de unión del fosfato de carbamoilo se encuentra en el extremo N-terminal de cada monómero, mientras que el extremo C-terminal contiene el dominio de unión de la ornitina. Ambos dominios de unión tienen un patrón estructural similar con una lámina β-plegada paralela central bordeada por hélices α y bucles. [7] Además de los dominios de unión, las OTC tienen bucles SMG. Estos oscilan para cerrar el sitio de unión una vez que ambos sustratos se han unido. SMG representa el motivo de aminoácidos conservado de Ser-Met-Gly. Tras el cierre, estos residuos interactúan con la L-ornitina. La unión de CP induce un cambio conformacional global, mientras que la unión de la L-ornitina solo induce el movimiento del bucle SMG para cerrar y aislar el sitio de activación. [8]

Residuos de unión en un monómero humano de OTC. Los residuos de ornitina (OT) están en magenta, los residuos de unión de fosfato de carbamoilo (CP) están en azul oscuro y otros residuos que forman parte del bucle SMG están en agua. [9]

Sitio activo

Se muestra el CP situado en el sitio de unión de OTC con residuos que juegan un papel importante en la unión del CP. [9]

El motivo Ser-Thr-Arg-Thr-Arg de una subunidad y un His de la subunidad vecina interactúan con el grupo fosfato de CP para unirse. Los residuos Gln, Cys y Arg se unen al nitrógeno primario de CP. El oxígeno carbonílico de CP está unido a los residuos Thr, Arg e His. [10]

Composición de aminoácidos

 Los OTC de origen vegetal son los que presentan la mayor diferencia con respecto a otros OTC. Hay entre un 50 y un 70 % menos de residuos de leucina, mientras que hay el doble de residuos de arginina. El número de subunidades en los OTC varía de 322 a 340 residuos. Los animales tienen la mayor densidad de leucina. Esta descomposición de residuos provoca un pI para la enzima animal de 6,8, mientras que la enzima vegetal tiene un pI de 7,6. [11] Los OTC de rata, bovino y humano tienen el mismo residuo C terminal de fenilalanina. Por otro lado, sus residuos N-terminales difieren. Los de rata terminan con ser, los bovinos con aspartato y los humanos con glicina. [12] [13]

Genómica

El gen OTC humano se encuentra en el brazo corto del cromosoma X (Xp21.1). El gen se encuentra en la cadena Watson (plus) y tiene una longitud de 73 kbases. El marco de lectura abierto de 1.062 nucleótidos se distribuye entre 10 exones y nueve intrones. La proteína codificada tiene una longitud de 354 aminoácidos con un peso molecular previsto de 39,935 kD. La modificación postranscripcional deja el péptido maduro con 322 aminoácidos y un peso de 36,1 kD. [14] La proteína se encuentra en la matriz mitocondrial . En los mamíferos, OTC se expresa en el hígado y la mucosa del intestino delgado.

Mutaciones humanas

Se han descrito 341 mutaciones en el OTC humano. Al menos 259 de estas mutaciones se consideran mutaciones causantes de enfermedades. [15] Se sabe que 149 de estas mutaciones causan la aparición de hiperamonemia durante las primeras semanas de vida. 70 se manifiestan como hiperamonemia en pacientes varones más adelante en la vida. La mayoría de las mutaciones se producen en motivos funcionales conocidos, como el bucle SMG o los dominios de unión CP. [16]

Deficiencia

Monómero OTC

Las mutaciones en el gen OTC pueden causar deficiencia de ornitina transcarbamilasa. Se clasifica como un trastorno del ciclo de la urea debido al hecho de que sin la función adecuada de OTC, el amoníaco comienza a acumularse en la sangre. La acumulación de amoníaco en la sangre se conoce como hiperamonemia. Aunque tóxico en exceso, el amoníaco es una fuente de nitrógeno para el cuerpo. Por lo tanto, el aumento de amoníaco también aumentará los niveles de los aminoácidos no esenciales que contienen nitrógeno glutamato , glutamina y alanina . Los niveles de carbamoil fosfato (CP) comenzarán a disminuir a medida que disminuyen los niveles de nitrógeno ureico en la sangre. Esto hará que el CP se desvíe a la vía sintética del monofosfato de uridina . El ácido orótico es un producto de esta vía. El aumento de los niveles de ácido orótico en la orina puede ser un indicador de que un paciente sufre un trastorno relacionado con la hiperamonemia.

La deficiencia de OTC se manifiesta tanto en formas de aparición temprana como tardía.

Inicio temprano

La aparición temprana se observa en recién nacidos. Los síntomas de un trastorno del ciclo de la urea a menudo no se ven hasta que el niño está en casa y es posible que el médico de familia y de atención primaria no los reconozca de manera oportuna . Los síntomas en niños pequeños con hiperamonemia no son específicos: no querer comer, problemas con la respiración, la temperatura corporal, convulsiones, movimientos corporales inusuales (espasmos) y somnolencia. [17] A medida que continúa la acumulación de amoníaco, los síntomas progresan de somnolencia a letargo que potencialmente termina en coma . La postura anormal (movimiento incontrolado) y la encefalopatía (daño cerebral) a menudo están relacionadas con el grado de hinchazón del sistema nervioso central y la presión sobre el tronco encefálico. Aproximadamente el 50% de los neonatos con hiperamonemia grave tienen convulsiones.

Inicio tardío

En las deficiencias más leves (o parciales) de las enzimas del ciclo de la urea, la acumulación de amoníaco puede ser provocada por una enfermedad o estrés en casi cualquier momento de la vida, lo que da lugar a múltiples elevaciones leves de la concentración plasmática de amoníaco [Bourrier et al. 1988]. Los pacientes con deficiencias parciales de las enzimas pueden presentar un retraso en la aparición de los síntomas durante meses o años. Los indicadores de que puede sufrir una deficiencia de OTC o un trastorno del ciclo de la urea incluyen "episodios de delirio, comportamiento errático o disminución de la conciencia, dolores de cabeza, vómitos, aversión a los alimentos ricos en proteínas y convulsiones". [18]

Tratamiento

Un posible tratamiento para los altos niveles de amoníaco es administrar benzoato de sodio , que se combina con glicina para producir hipurato , al mismo tiempo que elimina un grupo amonio. La biotina también desempeña un papel importante en el funcionamiento de la enzima OTC [19] y se ha demostrado que reduce la intoxicación por amoníaco en experimentos con animales. Además, se ha propuesto y estudiado el uso de hipotermia terapéutica (HT) de cuerpo entero como tratamiento. Se cree que la HT aumenta la eficacia de la diálisis para extraer amoníaco del cuerpo. [20] [21]

Referencias

  1. ^ abc GRCh38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSG00000036473 – Ensembl , mayo de 2017
  2. ^ abc GRCm38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSMUSG00000031173 – Ensembl , mayo de 2017
  3. ^ "Referencia de PubMed humana:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  4. ^ "Referencia PubMed de ratón:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU . .
  5. ^ Cunin R, Glansdorff N, Piérard A, Stalon V (septiembre de 1986). "Biosíntesis y metabolismo de la arginina en bacterias". Microbiological Reviews . 50 (3): 314–52. doi :10.1128/mr.50.3.314-352.1986. PMC 373073 . PMID  3534538. 
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  7. ^ Sankaranarayanan R, Cherney MM, Cherney LT, Garen CR, Moradian F, James MN (enero de 2008). "Las estructuras cristalinas de la ornitina carbamoiltransferasa de Mycobacterium tuberculosis y su complejo ternario con fosfato de carbamoilo y L-norvalina revelan el mecanismo catalítico de la enzima". Journal of Molecular Biology . 375 (4): 1052–63. doi :10.1016/j.jmb.2007.11.025. PMID  18062991.
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