精氨酸酶的生理功能

背景及概述^[1]

精氨酸酶是参与鸟氨酸循环的重要酶之一，分子量为140kD，能水解精氨酸生成鸟氨酸和尿素。体内该酶以肝脏含量最多，其次为肾、心、脾、骨骼肌。在肝内精氨酸酶主要存在于细胞核和微粒体中。血清中该酶含量甚微，而红细胞和白细胞内精氨酸酶含量分别相当于同体积血清的200和10000倍，故测定时应绝对避免溶血或白细胞混入，以免测定结果偏高。

参考值^[1]

比色法0～6.5U/L。

生理功能^[2]

精氨酸为一种含阳离子的碱性半必需氨基酸，参与机体的多种生理过程，可由机体通过外源性的食物摄入，也可通过内源性途径自身合成。精氨酸在体内有多条代谢途径，主要有：1)经精氨酸脱羧酶分解为二氧化碳和精胺，其中精胺是NOS同工酶的弱竞争性抑制剂，可调节细胞中NO的合成，还可通过诱导鸟氨酸脱羧酶抗酶蛋白的合成，抑制该酶的活性，而该酶为多胺生物合成中的限速酶，其活性和多胺水平对细胞增殖起关键作用；2)在精氨酸-甘氨酸脒基转移酶作用下，与甘氨酸反应生成肌酸和鸟氨酸，其中肌酸被释放进入血液循环，并被运输至骨骼肌和神经，随后被磷酸化生成肌肉ATP的主要来源———磷酸肌酸，而鸟氨酸则是合成多胺类物质的前体；3)经精氨酸酶催化分解为尿素和鸟氨酸；4)在有氧条件下，经NOS催化生成瓜氨酸和NO，其中NO是细胞内、细胞间及神经递质作用的信使分子和效应分子，在血液循环系统中发挥重要作用。在精氨酸代谢中，精氨酸酶和NOS是关键的两个酶，二者的平衡对心血管系统疾病具有重要影响。

精氨酸酶是一种双核含锰金属酶，目前发现其有两种亚型：Ⅰ型和Ⅱ型，两者的氨基酸序列约有60%的同源性，主要区别在于各自的组织分布、亚细胞定位及免疫反应性。精氨酸酶Ⅰ在肝脏中高表达，可将精氨酸代谢为鸟氨酸和尿素，进而参与尿素循环，对体内氨解毒起重要作用。精氨酸酶Ⅱ是一种线粒体酶，在多种组织，包括肠、肾、脑、内皮、乳腺以及巨噬细胞中低表达，可将精氨酸分解为鸟氨酸，后者进一步代谢为腐胺、精胺、亚精胺等多胺以及脯氨酸等。多胺是细胞增殖和分化中的重要组分，在促进细胞增殖中发挥重要作用，脯氨酸则能促进胶原生成和伤口愈合。研究发现：精氨酸酶存在于血管系统中，如在血管平滑肌细胞中发现了精氨酸酶Ⅰ的选择性表达，在许多血管内皮细胞中则发现精氨酸酶Ⅰ和Ⅱ均有表达。在哺乳动物中，尽管NOS对L-精氨酸的亲和力(Km值为2～20μmol·L-1)远高于精氨酸酶(Km值为2～20mmol·L-1)，但精氨酸酶的活力是NOS活力的1000多倍，因此在生理浓度下，精氨酸酶可与NOS竞争L-精氨酸，从而影响精氨酸/NO通路中NO的合成。此外，精氨酸/NO通路也能通过底物竞争影响精氨酸经精氨酸酶的代谢，从而抑制血管平滑肌细胞的增殖。精氨酸/NO通路的两个产物NG-羟精氨酸(NG-hydroxy精氨酸酶inine)和NO分别通过不同的机制干扰细胞生长，即可能分别通过抑制精氨酸酶和鸟氨酸脱羧酶来阻碍细胞的增殖，且NO对鸟氨酸脱羧酶的抑制作用不依赖于cGMP。正常情况下，体内精氨酸酶和NOS处于动态平衡，而在许多疾病状态下，精氨酸酶含量升高，打破了二者的平衡状态，使得NO合成减少，从而导致内皮功能等异常。

药理作用^[2]

研究发现：精氨酸酶上调对血管功能有很大影响，是引发血管功能紊乱的原因之一，但其上调的机制目前还不清楚，可能包括多种介质的参与。半胱氨酸-铁对精氨酸酶的激活呈剂量依赖性，并伴有·OH自由基的形成，有趣的是，采用水杨酸衍生物和超氧化物歧化酶抑制·OH的生成时，精氨酸酶的活性也受相应抑制，提示·OH自由基可能参与了精氨酸酶的激活。细胞因子如IL-4、IL-13等能上调精氨酸酶Ⅰ的表达，补充外源性精氨酸能恢复IL-4处理的巨噬细胞产生NO的能力。H2O2也能上调精氨酸酶的表达，从而抑制NO介导的内皮依赖性冠状动脉扩张。目前，关于血管细胞内调节精氨酸酶表达的信号通路的研究较少。

1）精氨酸酶水平上调与内皮细胞功能紊乱

血管内皮细胞中eNOS作用于L-精氨酸释放出的NO可激活鸟苷酰环化酶生成cGMP，进而引起平滑肌细胞松弛和血管舒张。NO的释放在维持血管稳态中起关键作用，在机体应激或受到刺激时，会释放NO，通过舒张血管来提高局部血流，并阻止血小板聚集。因此，抑制NO的释放会导致血管内皮细胞功能的紊乱。内皮细胞中的精氨酸酶在生理条件下适度表达，但在病理状态下，脂多糖和肿瘤坏死因子-α均能刺激精氨酸酶活性增加。精氨酸酶的过度表达抑制了NO的合成，进而损害内皮功能，造成血管内皮功能紊乱。在动物自发性高血压模型、高盐饮食致Dahl大鼠高血压模型和盐皮质激素-盐性高血压大鼠模型中，均发现血管内皮精氨酸酶的活性增高和表达上调，精氨酸酶水平的上调促进了血压的升高，而血压升高也可致精氨酸酶表达失调，二者相互关联，促进了内皮功能的紊乱。

另外，血糖水平过高也会导致精氨酸酶活性增加，从而促进肥胖和糖尿病患者的内皮功能紊乱。

2. 精氨酸酶水平上调与平滑肌细胞功能紊乱

研究发现：增殖的血管平滑肌细胞中精氨酸酶表达增加，并且多胺合成增多。抑制精氨酸酶的活性则可减少多胺的生成，抑制平滑肌细胞的生长。此外，NO已被确认可抑制平滑肌细胞的生长，故可认为精氨酸酶活性增高导致NO生成量减少进而限制了NO对平滑肌细胞生长的抑制作用。研究表明：绝经前妇女子宫动脉内膜异常增生与内皮细胞和平滑肌细胞中精氨酸酶活性的增加以及两种精氨酸酶亚型表达的增加有关。另有研究显示：大鼠血管损伤后，精氨酸酶表达增加，致新内膜形成，平滑肌细胞多胺水平升高，故认为精氨酸酶可能促进了血管重构的发生。

3. 精氨酸酶水平上调与其他疾病

近来研究发现，精氨酸酶水平的升高不仅影响血管内皮细胞和平滑肌细胞的功能，而且许多疾病，包括哮喘、肾小球肾炎、牛皮癣、关节炎等也都与精氨酸酶上调而导致NO合成减少有关。研究发现：肺囊性纤维化病患者的痰液中精氨酸酶活性升高，且其肺功能和呼出气体中NO含量均与精氨酸酶活性呈负相关。在糖尿病致勃起功能障碍患者的阴茎海绵体中，精氨酸酶Ⅱ的蛋白水平、基因表达和酶活性均增加，而精氨酸酶Ⅰ的蛋白水平和基因表达则无显著变化。可见，糖尿病患者阴茎海绵体中精氨酸酶Ⅱ表达的增加可能促进了勃起功能障碍的发生。精氨酸酶活性的升高使得精氨酸/NO通路中NO的合成减少，这种作用可被选择性作用于精氨酸酶Ⅱ的抑制剂逆转[32]。

临床意义^[1]

由于精氨酸酶定位于细胞内颗粒成分中，不易从肝细胞中逸出，只有在严重肝细胞损伤时精氨酸酶才明显升高，故血清精氨酸酶测定被认为是肝细胞损害的特异性试验，但对肝病诊断其灵敏度较低。

常见引起血清精氨酸酶升高的疾病有：

1.肝胆疾病急性肝炎时，多数患者精氨酸酶活性升高，基本与AST相平行，黄疸期最高，但持续时间较短。肝硬化患者精氨酸酶活性升高的幅度低于急性肝炎患者，但阳性率高于AST。肝癌、脂肪肝以及各种原因所致的肝性脑病患者血清精氨酸酶活性也升高。其他肝病或梗塞性黄疸患者此酶不升高。

2.心血管疾病心肌梗死患者血清精氨酸酶活性升高，可达参考值上限的5～6倍，变化病程为发病后4～6h血清开始升高，30～72h达到高峰，1周内恢复。另外，部分病毒性心肌炎和风湿热患者血清精氨酸酶活性也升高。精氨酸酶与CK、AST、LD联合检测可增加心肌梗死诊断的敏感性。

3.其他疾病儿童伤寒病、巨幼红细胞性贫血、地中海贫血、恶性高热患者血清精氨酸酶活性有时也会升高。

相关药物的研发^[2]

在多种疾病模型中均能观察到精氨酸酶表达和(或)活性的增加，精氨酸酶与NOS竞争底物L-精氨酸，从而抑制了血管内皮、平滑肌细胞以及其他病变组织中NO的合成，导致其功能紊乱。而抑制精氨酸酶活性和(或)下调其表达则可恢复NO的合成，因此将精氨酸酶作为治疗相关疾病的新靶点研制开发新药成为一个新的研究方向。可以通过以下3条途径，改善组织中NO的供应：1)补充底物L-精氨酸；2)抑制精氨酸酶的活性；3)采用反义寡聚核苷酸来抑制精氨酸酶的表达。目前相关新药的研制大多集中于精氨酸酶抑制剂。最初，有人从向日葵种子中提纯分离得到精氨酸酶抑制剂，近年来又研发了α-二氟甲基鸟氨酸、Nω-羟基-nor-L-精氨酸(Nω-hydroxy-nor-L-arginine，nor-NOHA)、2(S)-氨基-6-硼基己酸[2(S)-amino-6-boronohexanoicacid，ABH]及其结构修饰的类似物等精氨酸酶抑制剂。其中，nor-NOHA是目前常用的精氨酸酶抑制剂之一，其类似物Nω-羟基-L-精氨酸(NOHA)是NOS催化L-精氨酸生成L-瓜氨酸和NO的中间产物，是精氨酸酶的竞争性抑制剂；ABH则为活性最强的精氨酸酶抑制剂之一。

研究发现：在肛门内括约肌中，ABH抑制精氨酸酶的活性约是NOHA的250倍；二者分别对Ⅱ型和Ⅰ型精氨酸酶具有高选择性。运用X衍射研究了NOHA、nor-NOHA、ABH及其类似物与精氨酸酶结合的复合物晶体结构，揭示了新的结合位点，为精氨酸酶双核锰位点配位化学的研究提出了新的方向，从而为精氨

酸酶抑制剂的开发提供了新的思路。但是，目前研究开发的精氨酸酶抑制剂多为非特异性抑制剂，而在许多疾病中只有精氨酸酶Ⅰ或Ⅱ一种亚型的活性或表达增加，因此非特异性精氨酸酶抑制剂可能会带来一些副作用，亟待开发针对精氨酸酶亚型活性和表达的选择性抑制剂。

主要参考资料

[1] 临床肝病实验诊断学

[2] 精氨酸酶对血管功能的影响及相关药物研发