Аргіні́н (δ-гуанідин-α-аміновалеріанова кислота, скорочення Арг, Arg, R) — основна α-амінокислота, l-форма якої входить до 20 амінокислот, що кодуються генетичним кодом (кодони ЦГА, ЦГУ, ЦГГ, ЦГЦ, АГА та АГГ в мРНК) і становлять основу білків. Для людини аргінін є напівнезамінною амінокислотою, тобто біохімічні шляхи для її біосинтезу існують, проте в певні періоди життя, зокрема інтенсивного росту та розвитку, а також під час деяких захворювань вони не можуть забезпечувати достатньої кількості цієї сполуки, через що вона повинна потрапляти в організм із їжею. Для деяких видів тварин, як-от птахів, хижих та морських ссавців, аргінін є незамінною амінокислотою.
Завдяки гуанідиновому угрупуванню є найосновнішою з амінокислот. Часто входить до частин білків, що взаємодіють з ДНК. У організмі тварин деградується до сечовини.
Окрім того, що аргінін входить до складу білків, ця амінокислота також важлива для багатьох інших метаболічних шляхів клітини, зокрема синтезу оксиду азоту (II), поліамінів, проліну, глутамату, креатину та агматину.
Історія дослідження Аргінін був вперше виділений із проростків люпину 1886 року, а через 9 років з'ясувалося, що він входить до складу тваринних білків. 1897 року вдалося встановити хімічну будову цієї амінокислоти шляхом її лужного гідролізу до орнітину та сечовини, а пізніше (у 1910 р.) структура аргініну була підтверджена шляхом його синтезу із бензилорнітину. 1924 було відкрито, що аргінін є головною амінокислотою в основних білках сперми риб. А 1930 році Вільям Каммінг Роуз показав у своєму класичному експерименті, що аргінін належить до замінних амінокислот, тобто може синтезуватися в організмі ссавців. 1932 року Ганс Кребс та Курт Гензеляйт відкрили цикл сечовини, у якому аргінін є проміжним метаболітом, що поклало початок детальному вивченню метаболізму цієї амінокислоти.
У пізні 1930-ті та 1940-ві роки Фостер встановив, що аргінін є попередником у синтезі креатину. Тоді ж було виявлено, що надходження цієї амінокислоти із дієтою необхідне для росту курчат і молодих пацюків, але не обов'язкове для нормальної життєдіяльності дорослих здорових пацюків. Подальші дослідження, що тривали до 1970-х років, показали, що аргінін — замінна амінокислота для дорослих здорових людей та багатьох інших ссавців, але незамінна для їхніх малят та для хижаків.
Віндмюллер () та Спаєт () у 1980-х роках показали, що головним джерелом цитруліну в крові, який використовується тканинами для синтезу аргініну, є тонка кишка. Згодом це призвело до відкриття метаболічного шляху біосинтезу цитруліну із глутаміну/глутамату через Δ1-піролін-5-карбоксилат. Також наприкінці 1980-х років була з'ясована роль аргініну як попередника у синтезі NO в ендотелії та макрофагах, а пізніше і в багатьох інших типах клітин.
Структура та властивості
Аргінін як α-амінокислота містить аміно- та карбоксильну групу розташовані біля одного (α) атома вуглецю. Цей атом є хіральним, і в залежності від розташування замісників біля нього розрізняють l- та d-форми, до складу білків входить перша із них.
R-група аргініну складається із карбонового ланцюга довжиною три атоми, на кінці якого розташоване гуанідинове угрупування, завдяки якому ця амінокислота має сильні основні властивості. Коли аргінін перебуває в іонізованій формі, позитивний заряд у гуанідиновій групі рівномірно розподіляється між трьома атомами азоту й атомом вуглецю завдяки делокалізації електронів.
Логарифмічна константа дисоціації карбоксильної групи аргініну pK1 = 2,17; константа дисоціації α-аміногрупи pK2 = 9,04, а гуанідинового угрупування pKR(R група) = 12,48. Аргінін найосновніша із 20 стандартних амінокислот, ізоелектрична точка для неї становить pI = 10,76.
Індекс гідропатичності (заміна вільної енергії при перенесенні R групи із гідрофобного розчинника у воду) для аргініну становить -4,5 кДж/моль, вона найбільш гідрофільна із 20 стандартних амінокислот.
У розчині або у складі білків аргінін можна якісно та кількісно визначити завдяки реакції Сакагучі. Вона полягає у взаємодії гіпохлориту натрію і 2-нафтолу з гуанідином у лужному середовищі з утворенням сполук червоного забарвлення.
Одержання Одержання орнітину
Основа: В пов'язує протон карбоксильної групи, після чого слідує нуклеофільна атака δ-NH2-групи (більш сильний нуклеофільний центр, ніж α-аміногрупа) по -зв'язку ціанаміду
Біосинтез аргініну
Шлях біосинтезу аргініну у ссавців Основними джерелами аргініну в організмі людини є їжа, обмін білків та ендогенний синтез. При чому у дорослих осіб тільки 5—15 % загальної кількості цієї амінокислоти в крові припадає на утворену de novo. Більшість синтезу аргініну в організмі відбувається за участі тонкого кишечника та нирок.
Біосинтез аргініну de novo розпочинається із глутамату, який фосфорилюється до γ-глутамілфосфату із використанням однієї молекули АТФ, після чого утворений продукт відновлюється до глутамат-γ-семіадьдегіду. Ці реакції каталізують глутаматкіназа та γ-глутамілфосфатредуктаза відповідно. Глутамат-γ-семіальдегід спонтанно циклізується у Δ1-піролін-5-карбоксилат (П5К), який далі може бути перетворений у пролін, проте під час біосинтезу аргініну глутамат-γ-семіальдегід повинен вступати в реакцію переамінування із глутаматом, внаслідок якої він перетворюється до l-орнітину. Рівновага реакції циклізації семіальдегу у П5К сприяє утворенню останнього, проте вона може протікати і в напрямку необхідному для синтезу орнітину, за умов нестачі аргініну в організмі. Орнітин також може бути синтезований із проліну, що окиснюється до П5К проліноксидазою.
Орнітин є проміжним продуктом циклу сечовини, в реакціях якого він перетворюється до аргініну. Спершу ця амінокислота вступає в реакцію конденсації із карбамоїлфосфатом, продуктом якої є l-цитрулін. Каталізує це перетворення орнітинкарбамоїлтрансфераза (інша назва орнітинтранскарбамоїлаза). Карбамоїлфосфат синтезується у мітохондріях із гідрокарбонату та аміаку ферментом карбамоїлфосфатсинтазою I, яка потребує наявності N-ацетилглутамату як алостеричного активатора. У цитоплазмі клітини аргініносукцинатсинтаза (АСС) каталізує взаємодію цитруліну із аспартатом, продуктом якої є аргініносукцинат, що відразу ж розщеплюється аргініносукциназою (аргініносукцинатліазою, АСЛ) до аргініну та фумарату.
Експресія ферментів біосинтезу аргініну органами ссавців Орнітинамінотрансфераза Більшість органів Аргініносукцинатсинтаза (АСС) Аргініносукцинатліаза (АСЛ) Карбамоїлфосфатсинтаза I Печінка, тонка кишка Орнітинтранскарбамоїлаза N-ацетилглутаматсинтаза Проліноксидаза Печінка, тонка кишка, нирки Глутаматкіназа Тонка кишка γ-глутамілфосфатредуктаза Експресія ферментів шляху біосинтезу аргініну із глутамату відрізняється в різних органах. Деякі із них, такі як орнітин-δ-амінотрансфераза, аргінінсукцинатсинтаза та аргінінсукциназа, наявні у більшості тканин, інші, наприклад карбамоїлфосфатсинтаза I, орнітинтранскарбамоїлаза та N-ацетилглутаматсинтаза (фермент, необхідний для синтезу N-ацетилглутамату), експресуються тільки печінкою та тонкою кишкою, проліноксидаза — крім цих органів також і нирками, а глутаматкіназа і γ-глутамілфосфатредуктаза наявні тільки в ентероцитах. Таким чином деякі реакції цього біохімічного шляху можуть відбуватись тільки в окремих органах. Більшість біосинтезу аргініну в організмі відбувається завдяки метаболічній колаборації між тонкою кишкою та нирками, відомій також як кишково-ниркова вісь ().
Кишково-ниркова вісь біосинтезу аргініну Клітини тонкої кишки поглинають глутамін і глутамат, а також пролін, із крові та порожнини кишки, у їхніх мітохондріях значна частина цих амінокислот перетворюється у цитрулін, в ентероцитах також може синтезуватись деяка кількість аргініну. Цитрулін вивільняється у кров, звідки може поглинатись іншими органами. Найактивніше його використовують нирки, на які припадає приблизно 60 % сумарного синтезу аргініну в дорослих ссавців. Перетворення цитруліну в аргінін відбувається завдяки активності АСС та АСЛ. Найбільша концентрація цих ферментів спостерігається у проксимальних звивистих канальцях.
Профіль синтезу аргініну різними органами змінюється із віком: відразу після народження весь біохімічний шлях утворення цієї амінокислоти відбувається у тонкій кишці, пізніше в ентероцитах збільшується експресія аргінази і основним їхнім продуктом стає цитрулін. Одночасно в нирках зростає активність ферментів, необхідних для перетворення цитруліну в аргінін.
Основним чинником, що визначає активність біосинтезу аргініну нирками, є концентрація цитруліну в крові, оскільки та частина біохімічного шляху, яка відбувається у тонкій кишці, протікає значно повільніше. Проте експериментальні дані свідчать, що утворення цитруліну не є строго регульованим процесом. Зокрема, його інтенсивність у щурів та свиней не збільшується за умов вживання дієти бідної на аргінін, навіть коли попередники (глутамін, глутамат) наявні у великій кількості. Припускається, що для регуляції загального вмісту аргініну в організмі більше значення має контроль над його катаболізмом, ніж над біосинтезом.
Біосинтез аргініну в печінці У гепатоцитах велика кількість аргініну постійно утворюється в циклі сечовини, проте, він одразу ж розщеплюється аргіназою. Таким чином для того, щоб у печінці відбувався сумарний синтез цієї амінокислоти, цикл сечовини повинен поповнюватись за рахунок інших метаболітів, таких як орнітин. Крім того, всі ферменти циклу сечовини організовані у метаболон, в якому проміжні метаболіти не вивільняються у цитоплазму (чи матрикс мітохондрій), а передаються від одного активного центру до іншого. Про те, що печінка робить дуже малий вклад у сумарний синтез аргініну (або взагалі не робить), свідчать випадки трансплантації цього органа людям із вродженими дефектами ферментів циклу сечовини. Навіть після отримання здорової печінки вони повинні отримувати весь аргінін із дієти.
Синтез аргініну NO-продукуючими клітинами Аргінін є основним джерелом для синтезу NO у багатьох типах клітин, фермент NO-синтаза (iNOS) перетворює його на оксид азоту (II) та цитрулін. Останній може знову перетворюватись в аргінін, у шляху відомому як цитрулін/NO цикл (або цитрулін/аргінін-цикл), основними ферментами якого є АСС та АСЛ. Проте інтенсивність цього шляху значно нижча, ніж циклу сечовини у печінці, внаслідок чого в клітинах може накопичуватись цитрулін. Причиною цього може бути знижена активність АСС у порівнянні із iNOS або/і браком каналювання субстратів між ферментами.
Бактерійний шлях біосинтезу аргініну
У бактерій шлях біосинтезу аргініну із глутамату de novo схожий до такого у ссавців, проте він може протікати більш ефективно, через те, що аміногрупа в α-положенні глутамату захищається ацетильною групою, через що циклізація семіальдегіду стає неможливою. Першою реакцією цього шляху є утворення N-ацетилглутамату, внаслідок перенесення ацетильної групи із ацетил-КоА ферментом N-ацетилглутаматсинтазою. Далі N-ацетилглутамат активується приєднанням фосфатної групи і відновлюється до N-ацетилглутамат-γ-семіальдегіду. Останній вступає в реакцію переамінування із глутаматом, одним із продуктів якої є N-ацетилорнітин, який перетворюється в орнітин шляхом відщеплення ацетильної групи (фермент N-ацетилорнітиназа). Подальші перетворення орінтину аналогічні до тих, що відбуваються у ссавців.
Транспорт аргініну Аргінін поглинається клітинами із плазми, його час півжиття у крові дорослої свині становить 1,06 год, вагітної — 0,75 год, а неонатальної — 0,65 год. Транспорт цієї амінокислоти через мембрану забезпечується однією із систем y+, bo,+, Bo,+, y+L. З яких найважливішою є перша — y+ — високоафінний Na-незалежний транспортер аргініну, лізину та орнітину. Перелічені системи транспорту експресуються тканиноспецифічно, наприклад y+ наявна майже у всіх клітинах організму, крім гепатоцитів. Кількість транспортерів аргініну підлягає регулюванню, зокрема вона може бути збільшена у відповідь на дію бактерійних ендотоксинів або цитокінів запалення.
Включення у білки