Arginasen (genauer: L-Arginase) sind Enzyme aus der Gruppe der Hydrolasen. Sie spielen eine zentrale Rolle im Proteinstoffwechsel fast aller lebenden Organismen. Bei Lebewesen mit Urothel bildet die Arginase den abschließenden und namensgebenden Schritt des Harnstoffzyklus, bei dem giftiges Ammoniak in ungiftigen Harnstoff umgewandelt und über die Niere ausgeschieden wird.
Die Arginase ist ein metallabhängiges Enzym, dessen dreidimensionale Struktur stark konserviert ist – das bedeutet, dass sich der Abbau von evolutionär alten Bakterien bis zum Menschen kaum verändert hat.
In ihrer funktionellen Form liegt die humane Arginase I als Homotrimer vor. Sie besteht aus drei identischen Proteinketten (Untereinheiten) mit einer relativen Molekülmasse von jeweils 35.000 (insgesamt 105.000).
Das Herzstück jeder Untereinheit ist eine katalytische Kavität (Substratbindungstasche), an deren Boden sich das katalytische Zentrum befindet. Für die Funktion des Enzyms sind zwei zweiwertige Mangan-Ionen (Mn2+) pro Untereinheit absolut essenziell (Coenzyme):
Jede einzelne Untereinheit gehört strukturell zu der Familie der α/β-Proteine:
Die Arginase katalysiert die hydrolytischen Spaltung der Aminosäure L-Arginin in L-Ornithin und Harnstoff.
L-Arginin + Wasser → L-Ornithin + Harnstoff
oder
C6H14N4O2 + H2O → C5H12N2O2 + CO(NH2)2 (vereinfacht: CO(NH2)2 = CH4N2O)
Beim Menschen und den meisten Säugetieren existieren zwei strukturell ähnliche, aber genetisch und funktionell verschiedene Isoformen der Arginase:
Die humane Arginase I liegt strukturell als Homotrimer vor, besteht also aus drei identischen Untereinheiten, die jeweils ein eigenes aktives Zentrum mit zwei Mangan-Ionen besitzen.
Ein angeborener, autosomal-rezessiv vererbter Defekt der Arginase I führt zur seltenen Stoffwechselkrankheit Arginanämie (auch Arginase-Mangel genannt). Da der Harnstoffzyklus blockiert ist, reichert sich Arginin im Blut an. Im Gegensatz zu Defekten anderer Enzyme des Zyklus äußert sich dies seltener in einer akuten, lebensbedrohlichen Hyperammonämie (Ammoniakvergiftung) im Säuglingsalter. Stattdessen führt die Erkrankung im Kindesalter zu fortschreitenden neurologischen Symptomen wie spastischer Diplegie (Lähmung der Beine), Krampfanfällen und kognitiven Entwicklungsverzögerungen.
Arginin I wird von bestimmten Immunzellen, insbesondere myeloide Suppressorzellen, in der Mikroumgebung von Tumoren ausgeschüttet. Da Tumorzellen und T-Zellen der Immunabwehr gleichermaßen auf Arginin angewiesen sind, führt der lokale Abbau von Arginin durch das Enzym zu einer selektiven „Aushungerung“ und Deaktivierung der körpereigenen T-Zellen. In der modernen Onkologie werden daher Arginase-Inhibitoren erforscht, um die Immunabwehr gegen Tumoren wieder zu reaktivieren.
