Гомолог аргинина гомоаргинин в качестве субстрата аргинин: глицинамидинотрансферазы и аргиназ человека

L-гомоаргинин (гАрг) является некодируемой аминокислотой, снижение в крови уровня которой ассоциировано с повышением риска развития инсульта и инфаркта. В организме человека и животных гАрг образуется преимущественно в ходе реакции, катализируемой ферментом метаболического пути биосинтеза креатина – аргинин:глицинамидинотрансферазой (АГАТ, КФ 2.1.4.1), в случае, когда акцептором амидиновой группы аргинина вместо глицина выступает L-лизин. Метаболическое значение и причины снижения уровня гАрг в настоящее время изучены недостаточно.

Цель настоящего исследования – изучение возможности утилизации гАрг в качестве субстрата АГАТ и аргиназ человека.

Материалы и методы. В ходе экспериментов с рекомбинантными ферментами обнаружено, что Кm для гАрг в реакции, катализируемой АГАТ, в сторону образования гуанидинуксусной кислоты составляет (12,0 ± 1,1) мМ. В реакциях, катализируемых аргиназами обоих типов, активность в отношении гАрг, в отличие от аргинина, не регистрировалась.

Заключение. Таким образом, в результате проведенного исследования установлено, что у человека гАрг является субстратом не только для NO-синтаз, но также для АГАТ. Полученные данные указывают на то, что метаболическое значение гАрг, помимо регуляции сосудистого тонуса, может быть связано с участием в энергетическом обмене клеток. Согласно представленным данным, снижение уровня гАрг в крови при сердечно-сосудистых заболеваниях, по всей видимости, не связано с обнаруживаемым повышением активности аргиназ.

1. Onar A.N., Erdoğan B.Y., Ayan I., Acar Z. Homoarginine, β-ODAP, and asparagine contents of grass pea landraces cultivated in Turkey. Food Chem. 2014; 143: 277–281. DOI: 10.1016/j.foodchem.2013.07.051.

2. Davids M., Ndika J.D., Salomons G.S., Blom H.J., Teer- link T. Promiscuous activity of arginine:glycine amidinotransferase is responsible for the synthesis of the novel cardiovascular risk factor homoarginine. FEBS Lett. 2012; 586 (20): 3653–3657. DOI: 10.1016/j.febslet.2012.08.020.

3. Choe C.U., Atzler D., Wild P.S., Carter A.M., Böger R.H., Ojeda F., Simova O., Stockebrand M., Lackner K., Nabuurs C., Marescau B., Streichert T., Müller C., Lüneburg N., De Deyn P.P., Benndorf R.A., Baldus S., Gerloff C., Blankenberg S., Heerschap A., Grant P.J., Magnus T., Zeller T., Isbrandt D., Schwedhelm E. Homoarginine levels are regulated by L-arginine:glycine amidinotransferase and affect stroke outcome: results from human and murine studies. Circulation. 2013; 128 (13): 1451–1461. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.112.000580.

4. Van Pilsum J.F., Stephens G.C., Taylor D. Distribution of creatine, guanidinoacetate and the enzymes for their biosynthesis in the animal kingdom. Implications for phylogeny. Biochem. J. 1972; 126 (2): 325–345. DOI: 10.1042/ bj1260325.

5. März W., Meinitzer A., Drechsler C., Pilz S., Krane V., Kle- ber M.E., Fischer J., Winkelmann B.R., Böhm B.O., Ritz E., Wanner C. Homoarginine, cardiovascular risk, and mortality. Circulation. 2010; 122 (10): 967–975. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.109.908988.

6. Drechsler C., Meinitzer A., Pilz S., Krane V., Tomaschitz A., Ritz E., März W., Wanner C. Homoarginine, heart failure, and sudden cardiac death in haemodialysis patients. Eur. J. Heart Fail. 2011; 13 (8): 852–859. DOI: 10.1093/eurjhf/ hfr056.

7. Atzler D., Gore M.O., Ayers C.R., Choe C.U., Böger R.H., de Lemos J.A., McGuire D.K., Schwedhelm E. Homoarginine and cardiovascular outcome in the population-based Dallas Heart Study. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2014; 34 (11): 2501–2507. DOI: 10.1161/ATVBAHA.114.304398.

8. Moali C., Boucher J.L., Sari M.A., Stuehr D.J., Mansuy D. Substrate specificity of NO synthases: detailed comparison of L-arginine, homo-L-arginine, their Nomega-hydroxy derivatives, and Nomega-hydroxynor-L-arginine. Biochemistry. 1998; 37 (29): 10453–10460. DOI: 10.1021/bi980742t.

9. Ratner S., Rochovansky O. Biosynthesis of guanidinoacetic acid. I. Purification and properties of transamidinase. Arch. Biochem. Biophys. 1956; 63 (2): 277–295. DOI: 10.1016/0003-9861(56)90044-3.

10. Walker J.B. Arginine-ornithine transamidination in kidney. J. Biol. Chem. 1956; 221 (2): 771–776.

11. Walker J.B. Studies on the mechanism of action of kidney transamidinase. J. Biol. Chem. 1957; 224 (1): 57–66.

12. Conconi F., Grazi E. Transamidinase of hog kidney. I. Purification and properties. J. Biol. Chem. 1965; 240 (6): 2461–2464.

13. Hrabák A., Bajor T., Temesi A. Comparison of substrate and inhibitor specificity of arginase and nitric oxide (NO) synthase for arginine analogues and related compounds in murine and rat macrophages. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1994; 198 (1): 206–212. DOI: 10.1006/ bbrc.1994.1029.

14. Christiansen B., Wellendorph P., Bräuner-Osborne H. Known regulators of nitric oxide synthase and arginase are agonists at the human G-protein-coupled receptor GPRC6A. Br. J. Pharmacol. 2006; 147 (8): 855–863. DOI: 10.1038/sj.bjp.0706682.

15. Mielczarek-Puta M., Chrzanowska A., Barańczyk-Kuź- ma A. Nowe oblicza arginazy. Część I. Struktura i właściwości. Postepy Hig. Med. Dosw. (Online). 2008; 62: 206–213.

16. Pernow J., Jung C. Arginase as a potential target in the treatment of cardiovascular disease: reversal of arginine steal? Cardiovasc. Res. 2013; 98 (3): 334–343. DOI: 10.1093/cvr/cvt036.

17. Bartolomeo M.P., Maisano F. Validation of a reversed-phase HPLC method for quantitative amino acid analysis. J. Biomol. Tech. 2006; 17 (2): 131–137.

18. Zhloba A.A., Subbotina T.F., Lupan D.S., Bogova V.A., Kusheleva O.A. Arginine and lysine as products of basic carboxypeptidase activity associated with fibrinolysis. Biochemistry (Moscow) Suppl. Ser. B: Biomed. Chem. 2012; 6 (3): 261–265. DOI:10.1134/S1990750812030158.

19. Hou Y., Jia S., Nawaratna G., Hu S., Dahanayaka S., Bazer F.W., Wu G. Analysis of L-homoarginine in biological samples by HPLC involving precolumn derivatization with o-phthalaldehyde and N-acetyl-L-cysteine. Amino Acids. 2015; 47 (9): 2005–2014. DOI: 10.1007/s00726015-1962-9.

20. Scolnick L.R., Kanyo Z.F., Cavalli R.C., Ash D.E., Christianson D.W. Altering the binuclear manganese cluster of arginase diminishes thermostability and catalytic function. Biochemistry. 1997; 36 (34): 10558–10565. DOI: 10.1021/bi970800v.

21. Spector E.B., Rice S.C.H., Moedjono S., Bernard B., Cederbaum, S.D. Biochemical properties of arginase in hu man adult and fetal tissues. Biochemical Medicine. 1982; 28 (2): 165–175. DOI: 10.1016/0006-2944(82)90067-9.

22. Colleluori D.M., Morris S.M. Jr., Ash D.E. Expression, purification, and characterization of human type II arginase. Arch. Biochem. Biophys. 2001; 389 (1): 135–143. DOI: 10.1006/abbi.2001.2324.

23. Gross M.D., Eggen M.A., Simon A.M., Van Pilsum J.F. The purification and characterization of human kidney L-arginine:glycine amidinotransferase. Arch. Biochem. Biophys. 1986; 251 (2): 747–755. DOI: 10.1016/00039861(86)90385-1.

24. Fritsche E., Humm A., Huber R. Substrate binding and catalysis by L-arginine:glycine amidinotransferase. A mutagenesis and crystallographic study. Eur. J. Biochem. 1997; 247 (2): 483–490. DOI: 10.1111/j.14321033.1997.00483.x.

25. Knowles R.G., Merrett M., Salter M., Moncada S. Differential induction of brain, lung and liver nitric oxide synthase by endotoxin in the rat. Biochem. J. 1990; 270 (3): 833–836. DOI: 10.1042/bj2700833.

26. Kato T., Sano M., Mizutani N., Hayakawa C. Homocitrullinuria and homoargininuria in hyperargininaemia. J. Inherit. Metab. Dis. 1988; 11 (3): 261–265. DOI: 10.1007/bf01800367.

27. Amayreh W., Meyer U., Das A.M. Treatment of arginase deficiency revisited: guanidinoacetate as a therapeutic target and biomarker for therapeutic monitoring. Dev. Med. Child Neurol. 2014; 56 (10): 1021–1024. DOI: 10.1111/dmcn.12488.

28. Atzler D., McAndrew D.J., Cordts K., Schneider J.E., Zervou S., Schwedhelm E., Neubauer S., Lygate C.A. Dietary supplementation with homoarginine preserves cardiac function in a murine model of post-myocardial infarction heart failure. Circulation. 2017; 135 (4): 400–402. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.116.025673.