Arginase

Arginase (EC 3.5.3.1) gehört zur Klasse der Ureohydrolasen. Der systematische Name dieses Enzyms ist L-Arginin-Amidinohydrolase. Weitere gebräuchliche Namen sind Arginin-Amidinase, Canavanase, L-Arginase, Arginin-Transamidinase. Arginase ist ein Mangan-Metalloenzym, das die Umwandlung von L-Arginin in L-Ornithin und Harnstoff katalysiert. Es wurde zuerst in Bakterien identifiziert und später in Bakterien, Hefen, Pflanzen, Wirbellosen und Wirbeltieren gefunden. Die meisten Wirbellosen, Pflanzen, Bakterien und Hefen haben nur eine Form von Arginase, die in Mitochondrien vorkommt, während Wirbeltiere zwei Formen von Arginase enthalten, die A1 und A2 genannt werden. A1 ist eine zytosolische Arginase und A2 ist eine mitochondriale Arginase.

Struktur

Die menschliche A1 (menschliche Arginase I) besteht aus 322 Aminosäuren, während A2 (menschliche Arginase II) aus 354 Aminosäuren besteht. Diese beiden Isoformen werden von verschiedenen Genen auf verschiedenen Chromosomen kodiert, aber mehr als 50 % der Aminosäurereste sind identisch, mit 100 % Homologie in Regionen, die für die Enzymfunktion entscheidend sind. Die dreidimensionale Struktur zeigt, dass beide Trimere aus drei identischen Untereinheiten bestehen und eine aktive Stelle am Boden der 15 Å tiefen Spalte haben. Die für die Arginase-Aktivität notwendigen Mangan-Ionen befinden sich am Boden der Spalte. Die Gesamtfaltung jeder Untereinheit gehört zur α/β-Familie, die aus parallelen, 8-strängigen β-Faltblättern besteht, die auf beiden Seiten von einer Anzahl von α-Helices flankiert werden.

Abbildung 1. Struktur des Ratten-Arginase-Trimers. (Dowling D.P. 2008)

Aminosäure-Seitenketten, die an das Mangan-Ion in der aktiven Stelle der Arginase koordiniert sind, befinden sich am Rand des zentralen β-Faltblatts, im Schleifenabschnitt, der an die Stränge 8, 7 und 4 angrenzt. Es gibt eine Trennung von Mn_A²⁺-Mn_B²⁺ im binukleären Cluster der unligandierten Arginase. Die Kristallstruktur der unligandierten Ratten-Arginase I zeigte, dass Mn_A²⁺ mit H101, D128, 124, D232 und dem Hydroxidion mit quadratischer pyramidal Geometrie koordiniert war. Die Kristallstruktur der unligandierten menschlichen Arginase I zeigt, dass Mn_A²⁺ mit einem anderen Wassermolekül koordiniert, um ein verzerrtes oktaedrisches Metall-Koordinationspolyeder zu bilden. In der Ratten-Arginase I und der menschlichen Arginase I wird Mn_B²⁺ von H126, D234, D124, D232 und einem Hydroxidion mit verzerrter oktaedrischer Geometrie koordiniert.

Abbildung 2. Sekundärstruktur der Arginase. (Dowling D.P. 2008)

Katalytischer Mechanismus

Im menschlichen Arginase I-2(S)-Amino-6-boronohexansäure (ABH) Komplex überbrückt die ABH-Boronsäure-Hydroxyl O1 fast symmetrisch Mn_A²⁺ und Mn_B²⁺. Die ABH-Boronsäure-Hydroxyl O2 hat eine echte innersphärische Koordinationsinteraktion. Da ABH die gleiche chemische Reaktion mit dem Substrat L-Arginin an der aktiven Stelle der Arginase durchläuft (nukleophiler Angriff durch das metallbrückende Hydroxidion), und das Boronatanion von ABH das tetraedrische Zwischenprodukt und seine flankierenden Übergangszustände in der Katalyse nachahmt, entspricht die ABH-Boronsäure-Hydroxylgruppe O2 der NH₂-Gruppe des Substrats L-Arginin. Wenn sich der Übergangszustand nähert, interagiert Mn_A²⁺ mit dem sp³ einsamen Elektronenpaar der NH₂-Gruppen durch die Interaktion einer starken innersphärischen bidentaten Koordination. Darüber hinaus liefert die Struktur des menschlichen Arginase I-ABH-Komplexes eine Schlussfolgerung für die katalytische Funktion von H141. Die Imidazolgruppe von H141 fungiert als Protonen-Shuttle, um die Ionisierung eines metallbrückenden Wassermoleküls zu fördern, wodurch nukleophile metallbrückende Hydroxidionen regeneriert werden. Die Struktur der menschlichen Arginase I-ABH zeigt, dass H141 eine Wasserstoffbrücke mit O2 von E277 bildet, und die Carboxylat-Seitenkette von E277 bildet ebenfalls eine schwache Wasserstoffbrücke mit der Boronsäure-Hydroxylgruppe O2. Protonen sind am N-Atom von H141 vorhanden, und daher wird angenommen, dass H141 durch Wasserstoffbindung mit E277 durch eine positiv geladene Imidazoliumgruppe stabilisiert wird. Dann ist H141 nahe der -CH₂-Gruppe von ABH, die -CH₂-Gruppe entspricht der abgehenden Aminogruppe von L-Ornithin im tetraedrischen Zwischenprodukt, und H141 kann als allgemeiner Säurekatalysator fungieren, um das Proton für den Abgang der Abgangsgruppe bereitzustellen. Diese Funktion erfordert eine 90°-konformationalen Änderung im Torsionswinkel der Seitenkette χ², um die Richtung des Protonentransfers von H141 zu bestimmen, was auch die Imidazolium-Protonen durch Zerstörung der Wasserstoffbrücke von E277 acidifiziert. Das H141-Imidazol wird dann als Protonen-Shuttle verwendet, um das nukleophile metallbrückende Hydroxidion im letzten Schritt der Katalyse zu regenerieren.

Abbildung 3. Mechanismus der menschlichen Arginase I. (Costanzo L.D. 2005)

Anwendung

Die Arginase-Aktivität hat zwei Haupt-Homöostase-Zwecke. Der erste besteht darin, Ammoniak aus dem Körper durch Harnstoffsynthese zu entfernen, der zweite besteht darin, Ornithin zu produzieren, das ein Vorläufer von Polyaminen und Prolin ist. Polyamine, die von Ornithin-Decarboxylase (ODC) produziert werden, sind für die Zellproliferation und die Regulation mehrerer Ionenkanäle erforderlich. Prolin, das von Ornithin-Aminotransferase (OAT) produziert wird, ist für die Kollagenproduktion unerlässlich.

Arginase spielt eine wichtige Rolle in Gesundheit und Krankheit und ist an Krankheiten und Verletzungen beteiligt, die das periphere kardiovaskuläre System und das zentrale Nervensystem (ZNS) betreffen. Der Ausdruck und die Aktivität der Arginase sind in vielen kardiovaskulär verwandten Krankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes und Atherosklerose hochreguliert. Der Ausdruck der Arginase ist auch in einer Vielzahl von ZNS-Erkrankungen wie Schlaganfall, Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Syndrom und ähnlichem hochreguliert.

Literaturverzeichnis