Карбамоилфосфатсинтетаза III

Карбамоилфосфатсинтетаза III (CPS III) — одна из трех изоформ карбамоилфосфатсинтетазы — фермента, который катализирует активное производство карбамоилфосфата во многих организмах.

CPS III (EC 6.3.5.5.) представляет собой лигазу (3.), которая образует связи углерод-азот (6.3.) с глутамином в качестве амидо-N-донора (6.3.5.) (см. BRENDA ).

Контекст

Многие водные организмы, включая большинство видов рыб, являются аммианотелами , что означает, что они производят аммиак в виде отходов метаболизма , который они обычно выделяют путем диффузии через жабры . Подобно наземным позвоночным, некоторые виды рыб также содержат мочевину в качестве метаболических отходов. Это явление касается личиночных стадий, поскольку у них нет жабр для выделения аммиака, а также и взрослой стадии у некоторых видов. В зависимости от доли метаболических отходов, представленных мочевиной, эти виды являются частично или полностью уреотелическими.

Уреотелические виды производят мочевину посредством цикла орнитин-мочевина (OUC), в котором CPS играет важную роль. Карбамоилфосфатсинтетаза I в основном используется наземными позвоночными, и, похоже, некоторые водные виды полагаются на CPS III для производства мочевины. ^{[ 1 ]} Выделение мочевины вместо аммиака имеет несколько потенциальных преимуществ для видов, живущих в определенных средах. Например, он обеспечивает лучшую диффузионную способность, чем аммиак в щелочных водах. ^{[ 2 ]} и это уменьшает потерю воды, что может иметь решающее значение для видов, длительное время находящихся вне воды, таких как двоякодышащих рыб . виды ^{[ 3 ]} CPS III был описан у цихлид рода Alcolapia . ^{[ 2 ]} двоякодышащие рыбы, ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Opsanus рыба-жаба Залива beta , ^{[ 6 ]} радужная форель Oncorhyncus mykiss , ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Атлантический палтус Hippoglossus hippoglossus , ^{[ 9 ]} большеротый окунь Micropterus salmoides , ^{[ 10 ]} карп Cyprinus carpio , ^{[ 11 ]} и у пластиножаберных, таких как колючая акула Squalus acanthia. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} например. Таким образом, этот фермент , по-видимому, распространен среди рыб, демонстрирующих различную степень уреотельности.

Путь реакции

Орнитин-мочевиновый цикл

CPS III является предшественником цикла орнитин-мочевина (OUC). Этот путь происходит у организмов, которые не выделяют аммиак напрямую в виде катаболических отходов. Основная функция ОУК – преобразование высокотоксичных азотных отходов (NH ₃ ) в мочевину, проявляющую меньшую токсичность. Этот цикл включает пять биохимических реакций, первые две из которых происходят в митохондриальном матриксе, а три других — в цитозоле . У рыб цикл мочевины обнаружен лишь у некоторых костистых рыб, в основном у тех, кто размножается в воздухе, или у видов, живущих в очень специфической среде, такой как щелочная вода, ^{[ 14 ]} и у пластиножаберных.

CPS III обнаруживается в митохондриях некоторых пластиножаберных и в печени и/или внепеченочных тканях некоторых костистых рыб. Он вмешивается в первую реакцию цикла OUC, что имеет решающее значение, поскольку ограничивает остальную часть цикла. Таким образом, CPS III играет важную роль в регулировании количества аммиака в клетке, начиная его преобразование в мочевину для выведения, сохраняя при этом минимальную концентрацию для поддержания синтеза аминокислот .

Синтез карбамоилфосфата

Реакция, катализируемая CPS III: ^{[ 15 ]} 2 АТФ + L -глутамин + HCO ₃^- + H ₂ O → 2 АДФ + P _i + L -глутамат + карбамоилфосфат

Эта реакция происходит в митохондриальном матриксе и включает четыре стадии:

Бикарбонат (HCO ₃⁻) фосфорилируется с помощью АТФ с образованием карбоксифосфата (CHO ₆ P ^2-)
Глютамин (C ₅ H ₁₀ N ₂ O ₃ ) гидролизуется до глутамата (C ₅ H ₉ NO ₄ ) и аммиака (NH ₃ ). 1. и 2. происходят одновременно.
Нуклеофильное замещение аммиака на карбоксифосфат (замещение группы -OH на группу -NH ₂ ) с образованием промежуточного карбамата (CH ₂ NO ₂⁻)
Нуклеофильное замещение карбамата на второй АТФ с образованием карбамоилфосфата ( CH
₂ НЕТ
₅ П ²⁻
).

CPS III, как и CPS I, демонстрирует зависимость от N -ацетилглутамата , что означает, что этот аллостерический эффектор необходим для осуществления катализа. ^{[ 4 ]}

Структура

CPS III состоит из двух субъединиц: синтетазы и глутаминазы. Эти две субъединицы, по-видимому, слиты на N-конце синтетазы. ^{[ 16 ]} (Хонг и др., 1994 г.)

38 первых аминокислот последовательности (N-концевая последовательность) представляют собой митохондриальную сигнальную последовательность, передающую сигнал импорта в митохондрии.

Субъединица глутаминазы расположена между Phe39 и Ile407 и сама разделена на два домена: N-концевой домен между Phe39 и Asp165 и C-концевой домен глутаминамидтрансферазы (GAT), расположенный между Thr166 и Ile407. Остаток цистеина Cyst294 вместе с тремя остатками гистидина Hist337, Hist367 и Hist378 был идентифицирован как решающий для глутамин-зависимой активности. Другими словами, эти остатки позволяют CPS III использовать глутамин в качестве субстрата.

Субъединица синтетазы простирается от Lys425 до Gln15032 (С-конец) и также состоит из двух доменов. Первый расположен между Lys425 и Ile977, а второй — между Met978 и Gln1502. Каждый из них может содержать сайт связывания АТФ, расположенный между Arg719 и Asp768, а также между Arg1260 и Ile1304. Считается, что С-концевая область содержит сайт связывания для фиксации аллостерического эффектора N-ацетилглутамата (NAG), который необходим для функционирования CPS III. Два цистеина Cys1328 и Cys1338 были идентифицированы в CPS I, которые также используют NAG в качестве аллостерического эффектора, но не в CPS II, на активность которого NAG не влияет. Таким образом, эти два остатка цистеина, вероятно, играют решающую роль в аллостерической активности CPS III.

Эволюция и взаимосвязь с CPS I и CPS II

CPS III ближе к CPS I, чем к CPS II . ^{[ 16 ]} Эти два фермента работают одинаково и используют один и тот же аллостерический эффектор. Разница между ними в том, что CPS III использует в качестве субстрата глютамин, а CPS I — аммиак.

Считается, что эти ферменты произошли друг от друга. Одна из гипотез состоит в том, что CPS II появился впервые после слияния генов, кодирующих глутаминазу и аммиак-зависимую синтетазы. CPS III тогда будет результатом дупликации последовательности глутаминазы, создавая второй сайт связывания глутамина, который превратится в аллостерический сайт N-ацетилглутамата. Последний тип, CPS I, появится последним после того, как в качестве субстрата вместо глютамина будет использоваться аммиак. ^{[ 17 ]}^{[ 4 ]}^{[ 18 ]}

Ссылки

^ Андерсон ПМ (январь 1995 г.). Вуд С.М., Шаттлворт Т.Дж. (ред.). «3-й цикл мочевины у рыб: молекулярные и митохондриальные исследования». Физиология рыб . 14 . Академическая пресса: 57–83. дои : 10.1016/s1546-5098(08)60242-3 . ISBN 9780123504388 .
^ Jump up to: ^а ^б Уайт Л.Дж., Саттон Дж., Шечонге А., Дэй Дж.Дж., Дасмахапатра К.К., Паунолл М.Э. (октябрь 2020 г.). «Адаптация фермента карбамоилфосфатсинтетазы у рыб-экстремофилов» . Королевское общество открытой науки . 7 (10): 201200. Бибкод : 2020RSOS....701200W . дои : 10.1098/rsos.201200 . ПМЦ 7657897 . ПМИД 33204476 .
^ Jump up to: ^а ^б Чу С.Ф., Онг Т.Ф., Хо Л., Там В.Л., Лунг А.М., Хионг К.С. и др. (октябрь 2003 г.). «Синтез мочевины у африканской двоякодышащей рыбы Protopterus Dolloi - печеночная карбамоилфосфатсинтетаза III и глутаминсинтетаза активируются в течение 6 дней воздействия воздуха» . Журнал экспериментальной биологии . 206 (Часть 20): 3615–24. дои : 10.1242/jeb.00619 . ПМИД 12966053 . S2CID 9687376 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Лаберж Т., Уолш П.Дж. (июнь 2011 г.). «Филогенетические аспекты карбамоилфосфатсинтетазы у двоякодышащих рыб: переходный фермент у переходных рыб». Сравнительная биохимия и физиология. Часть D. Геномика и протеомика . 6 (2): 187–94. дои : 10.1016/j.cbd.2011.03.001 . ПМИД 21482211 .
^ Лунг А.М., Чнг Ю.Р., Чу С.Ф., Вонг В.П., Ип Ю.К. (апрель 2012 г.). «Молекулярная характеристика и экспрессия мРНК карбамоилфосфатсинтетазы III в печени африканской двоякодышащей рыбы Protopterus annectens во время летнего периода или воздействия аммиака». Журнал сравнительной физиологии B: Биохимическая, системная и физиология окружающей среды . 182 (3): 367–79. дои : 10.1007/s00360-011-0626-7 . ПМИД 22038021 . S2CID 6766714 .
^ Конг Х., Кахатапития Н., Кингсли К., Сало В.Л., Андерсон П.М., Ван Ю.С., Уолш П.Дж. (январь 2000 г.). «Индукция мРНК карбамоилфосфатсинтетазы III и глутаминсинтетазы во время стресса в условиях содержания у заливной жабы ( Opsanus beta )» . Журнал экспериментальной биологии . 203 (Часть 2): 311–20. дои : 10.1242/jeb.203.2.311 . ПМИД 10607541 .
^ Корте Дж.Дж., Сало В.Л., Кабрера В.М., Райт П.А., Фелски А.К., Андерсон П.М. (март 1997 г.). «Экспрессия мРНК карбамоил-фосфатсинтетазы III на ранних стадиях развития и в мышцах взрослой радужной форели ( Oncorhynchus mykiss )» . Журнал биологической химии . 272 (10): 6270–7. дои : 10.1074/jbc.272.10.6270 . ПМИД 9045644 .
^ Тодхэм А.Е., Андерсон ПМ, Райт П.А. (июнь 2001 г.). «Влияние физических упражнений на выведение азота, активность карбамоилфосфатсинтетазы III и связанных с ней ферментов цикла мочевины в мышечных и печеночных тканях молоди радужной форели ( Oncorhynchus mykiss )». Сравнительная биохимия и физиология. Часть A. Молекулярная и интегративная физиология . 129 (2–3): 527–39. дои : 10.1016/S1095-6433(01)00290-2 . ПМИД 11423323 .
^ Терьесен Б.Ф., Рённестад I, Норберг Б., Андерсон П.М. (август 2000 г.). «Обнаружение и основные свойства карбамоилфосфатсинтетазы III в онтогенезе костной кости: исследование на примере атлантического палтуса ( Hippoglossus hippoglossus L.)». Сравнительная биохимия и физиология. Часть B. Биохимия и молекулярная биология . 126 (4): 521–35. дои : 10.1016/S0305-0491(00)00221-2 . ПМИД 11026664 .
^ Конг Х., Эдберг Д.Д., Корте Дж.Дж., Сало В.Л., Райт П.А., Андерсон П.М. (февраль 1998 г.). «Выделение азота и экспрессия активности карбамоилфосфатсинтетазы III и мРНК во внепеченочных тканях большеротого окуня ( Micropterus salmoides )». Архив биохимии и биофизики . 350 (2): 157–68. дои : 10.1006/abbi.1997.0522 . ПМИД 9473289 .
^ Фельски А.К., Андерсон П.М., Райт П.А. (1 февраля 1998 г.). «Экспрессия и активность карбамоилфосфатсинтетазы III и ферментов цикла орнитинмочевины в различных тканях четырех видов рыб». Сравнительная биохимия и физиология. Часть B. Биохимия и молекулярная биология . 119 (2): 355–364. дои : 10.1016/S0305-0491(97)00361-1 . ISSN 1096-4959 .
^ Хонг Дж., Сало В.Л., Чен Ю., Аткинсон Б.Г., Андерсон П.М. (декабрь 1996 г.). «Промоторная область гена карбамоилфосфатсинтетазы III Squalus acanthias ». Журнал молекулярной эволюции . 43 (6): 602–9. Бибкод : 1996JMolE..43..602H . дои : 10.1007/BF02202108 . ПМИД 8995057 . S2CID 6835045 .
^ Хана-Муньос А., Ендрошек А., Сённихсен М., Кристиансен Р., Йенсен Дж.К., Андреасен П.А. и др. (23 августа 2017 г.). «Мультитканевая РНК-секвенация и характеристика транскриптома колючей акулы ( Squalus acanthias ) предоставляют молекулярный инструмент для биологических исследований и выявляют новые гены, участвующие в осморегуляции» . ПЛОС ОДИН . 12 (8): e0182756. Бибкод : 2017PLoSO..1282756C . дои : 10.1371/journal.pone.0182756 . ПМЦ 5568229 . ПМИД 28832628 .
^ Рэндалл DJ, Вуд CM, Перри С.Ф., Бергман Х, Малой ГМ, Моммсен Т.П., Райт П.А. (январь 1989 г.). «Выделение мочевины как стратегия выживания рыб, живущих в очень щелочной среде». Природа . 337 (6203): 165–6. Бибкод : 1989Natur.337..165R . дои : 10.1038/337165a0 . ПМИД 2911349 . S2CID 4272256 .
^ Холден Х.М., Тоден Дж.Б., Раушел Ф.М. (октябрь 1999 г.). «Карбамоилфосфатсинтетаза: удивительная биохимическая одиссея от субстрата к продукту» . Клеточные и молекулярные науки о жизни . 56 (5–6): 507–22. дои : 10.1007/s000180050448 . ПМЦ 11147029 . ПМИД 11212301 . S2CID 23446378 .
^ Jump up to: ^а ^б Хонг Дж., Сало В.Л., Ласти СиДжей, Андерсон П.М. (октябрь 1994 г.). «Карбамилфосфатсинтетаза III, эволюционный промежуточный продукт при переходе между глютамин-зависимой и аммиачно-зависимой карбамилфосфатсинтетазой». Журнал молекулярной биологии . 243 (1): 131–40. дои : 10.1006/jmbi.1994.1638 . ПМИД 7932737 .
^ Девани М.А., Пауэрс-Ли С.Г. (январь 1984 г.). «Иммунологическая перекрестная реактивность между карбамилфосфатсинтетазами I, II и III» . Журнал биологической химии . 259 (2): 703–6. дои : 10.1016/S0021-9258(17)43514-9 . ПМИД 6363405 .
^ Линдли Т.Э., Лаберж Т., Холл А, Хьюитт-Эммет Д., Уолш П.Дж., Андерсон П.М. (март 2007 г.). «Последовательность, экспрессия и эволюционные связи карбамоилфосфатсинтетазы I у жабы Xenopus laevis». Журнал экспериментальной зоологии. Часть A: Экологическая генетика и физиология . 307 (3): 163–75. дои : 10.1002/jez.a.364 . ПМИД 17397070 .

[1] Андерсон ПМ (январь 1995 г.). Вуд С.М., Шаттлворт Т.Дж. (ред.). «3-й цикл мочевины у рыб: молекулярные и митохондриальные исследования». Физиология рыб . 14 . Академическая пресса: 57–83. дои : 10.1016/s1546-5098(08)60242-3 . ISBN 9780123504388 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б Уайт Л.Дж., Саттон Дж., Шечонге А., Дэй Дж.Дж., Дасмахапатра К.К., Паунолл М.Э. (октябрь 2020 г.). «Адаптация фермента карбамоилфосфатсинтетазы у рыб-экстремофилов» . Королевское общество открытой науки . 7 (10): 201200. Бибкод : 2020RSOS....701200W . дои : 10.1098/rsos.201200 . ПМЦ 7657897 . ПМИД 33204476 .

[:1-3] Jump up to: ^а ^б Чу С.Ф., Онг Т.Ф., Хо Л., Там В.Л., Лунг А.М., Хионг К.С. и др. (октябрь 2003 г.). «Синтез мочевины у африканской двоякодышащей рыбы Protopterus Dolloi - печеночная карбамоилфосфатсинтетаза III и глутаминсинтетаза активируются в течение 6 дней воздействия воздуха» . Журнал экспериментальной биологии . 206 (Часть 20): 3615–24. дои : 10.1242/jeb.00619 . ПМИД 12966053 . S2CID 9687376 .

[:2-4] Jump up to: ^а ^б ^с Лаберж Т., Уолш П.Дж. (июнь 2011 г.). «Филогенетические аспекты карбамоилфосфатсинтетазы у двоякодышащих рыб: переходный фермент у переходных рыб». Сравнительная биохимия и физиология. Часть D. Геномика и протеомика . 6 (2): 187–94. дои : 10.1016/j.cbd.2011.03.001 . ПМИД 21482211 .

[5] Лунг А.М., Чнг Ю.Р., Чу С.Ф., Вонг В.П., Ип Ю.К. (апрель 2012 г.). «Молекулярная характеристика и экспрессия мРНК карбамоилфосфатсинтетазы III в печени африканской двоякодышащей рыбы Protopterus annectens во время летнего периода или воздействия аммиака». Журнал сравнительной физиологии B: Биохимическая, системная и физиология окружающей среды . 182 (3): 367–79. дои : 10.1007/s00360-011-0626-7 . ПМИД 22038021 . S2CID 6766714 .

[6] Конг Х., Кахатапития Н., Кингсли К., Сало В.Л., Андерсон П.М., Ван Ю.С., Уолш П.Дж. (январь 2000 г.). «Индукция мРНК карбамоилфосфатсинтетазы III и глутаминсинтетазы во время стресса в условиях содержания у заливной жабы ( Opsanus beta )» . Журнал экспериментальной биологии . 203 (Часть 2): 311–20. дои : 10.1242/jeb.203.2.311 . ПМИД 10607541 .

[7] Корте Дж.Дж., Сало В.Л., Кабрера В.М., Райт П.А., Фелски А.К., Андерсон П.М. (март 1997 г.). «Экспрессия мРНК карбамоил-фосфатсинтетазы III на ранних стадиях развития и в мышцах взрослой радужной форели ( Oncorhynchus mykiss )» . Журнал биологической химии . 272 (10): 6270–7. дои : 10.1074/jbc.272.10.6270 . ПМИД 9045644 .

[8] Тодхэм А.Е., Андерсон ПМ, Райт П.А. (июнь 2001 г.). «Влияние физических упражнений на выведение азота, активность карбамоилфосфатсинтетазы III и связанных с ней ферментов цикла мочевины в мышечных и печеночных тканях молоди радужной форели ( Oncorhynchus mykiss )». Сравнительная биохимия и физиология. Часть A. Молекулярная и интегративная физиология . 129 (2–3): 527–39. дои : 10.1016/S1095-6433(01)00290-2 . ПМИД 11423323 .

[9] Терьесен Б.Ф., Рённестад I, Норберг Б., Андерсон П.М. (август 2000 г.). «Обнаружение и основные свойства карбамоилфосфатсинтетазы III в онтогенезе костной кости: исследование на примере атлантического палтуса ( Hippoglossus hippoglossus L.)». Сравнительная биохимия и физиология. Часть B. Биохимия и молекулярная биология . 126 (4): 521–35. дои : 10.1016/S0305-0491(00)00221-2 . ПМИД 11026664 .

[10] Конг Х., Эдберг Д.Д., Корте Дж.Дж., Сало В.Л., Райт П.А., Андерсон П.М. (февраль 1998 г.). «Выделение азота и экспрессия активности карбамоилфосфатсинтетазы III и мРНК во внепеченочных тканях большеротого окуня ( Micropterus salmoides )». Архив биохимии и биофизики . 350 (2): 157–68. дои : 10.1006/abbi.1997.0522 . ПМИД 9473289 .

[11] Фельски А.К., Андерсон П.М., Райт П.А. (1 февраля 1998 г.). «Экспрессия и активность карбамоилфосфатсинтетазы III и ферментов цикла орнитинмочевины в различных тканях четырех видов рыб». Сравнительная биохимия и физиология. Часть B. Биохимия и молекулярная биология . 119 (2): 355–364. дои : 10.1016/S0305-0491(97)00361-1 . ISSN 1096-4959 .

[12] Хонг Дж., Сало В.Л., Чен Ю., Аткинсон Б.Г., Андерсон П.М. (декабрь 1996 г.). «Промоторная область гена карбамоилфосфатсинтетазы III Squalus acanthias ». Журнал молекулярной эволюции . 43 (6): 602–9. Бибкод : 1996JMolE..43..602H . дои : 10.1007/BF02202108 . ПМИД 8995057 . S2CID 6835045 .

[13] Хана-Муньос А., Ендрошек А., Сённихсен М., Кристиансен Р., Йенсен Дж.К., Андреасен П.А. и др. (23 августа 2017 г.). «Мультитканевая РНК-секвенация и характеристика транскриптома колючей акулы ( Squalus acanthias ) предоставляют молекулярный инструмент для биологических исследований и выявляют новые гены, участвующие в осморегуляции» . ПЛОС ОДИН . 12 (8): e0182756. Бибкод : 2017PLoSO..1282756C . дои : 10.1371/journal.pone.0182756 . ПМЦ 5568229 . ПМИД 28832628 .

[14] Рэндалл DJ, Вуд CM, Перри С.Ф., Бергман Х, Малой ГМ, Моммсен Т.П., Райт П.А. (январь 1989 г.). «Выделение мочевины как стратегия выживания рыб, живущих в очень щелочной среде». Природа . 337 (6203): 165–6. Бибкод : 1989Natur.337..165R . дои : 10.1038/337165a0 . ПМИД 2911349 . S2CID 4272256 .

[15] Холден Х.М., Тоден Дж.Б., Раушел Ф.М. (октябрь 1999 г.). «Карбамоилфосфатсинтетаза: удивительная биохимическая одиссея от субстрата к продукту» . Клеточные и молекулярные науки о жизни . 56 (5–6): 507–22. дои : 10.1007/s000180050448 . ПМЦ 11147029 . ПМИД 11212301 . S2CID 23446378 .

[:3-16] Jump up to: ^а ^б Хонг Дж., Сало В.Л., Ласти СиДжей, Андерсон П.М. (октябрь 1994 г.). «Карбамилфосфатсинтетаза III, эволюционный промежуточный продукт при переходе между глютамин-зависимой и аммиачно-зависимой карбамилфосфатсинтетазой». Журнал молекулярной биологии . 243 (1): 131–40. дои : 10.1006/jmbi.1994.1638 . ПМИД 7932737 .

[17] Девани М.А., Пауэрс-Ли С.Г. (январь 1984 г.). «Иммунологическая перекрестная реактивность между карбамилфосфатсинтетазами I, II и III» . Журнал биологической химии . 259 (2): 703–6. дои : 10.1016/S0021-9258(17)43514-9 . ПМИД 6363405 .

[18] Линдли Т.Э., Лаберж Т., Холл А, Хьюитт-Эммет Д., Уолш П.Дж., Андерсон П.М. (март 2007 г.). «Последовательность, экспрессия и эволюционные связи карбамоилфосфатсинтетазы I у жабы Xenopus laevis». Журнал экспериментальной зоологии. Часть A: Экологическая генетика и физиология . 307 (3): 163–75. дои : 10.1002/jez.a.364 . ПМИД 17397070 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]