Arginase

Arginase (EC 3.5.3.1) gehört zur Enzymklasse der Ureohydrolasen. Der systematische Name dieses Enzyms lautet L-Arginin-Amidinohydrolase. Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind u. a. Arginin-Amidinase, Canavanase, L-Arginase und Arginin-Transamidinase. Arginase ist ein manganhaltiges Metalloenzym, das die Umwandlung von L-Arginin zu L-Ornithin und Harnstoff katalysiert. Sie wurde zunächst in Bakterien identifiziert und später in Bakterien, Hefen, Pflanzen, Wirbellosen und Wirbeltieren nachgewiesen. Die meisten Wirbellosen, Pflanzen, Bakterien und Hefen besitzen nur eine Arginase-Form, die in den Mitochondrien lokalisiert ist; Wirbeltiere hingegen verfügen über zwei Arginase-Isoformen, A1 und A2. A1 ist eine zytosolische Arginase, A2 eine mitochondriale Arginase.

Struktur

Humanes A1 (humane Arginase I) besteht aus 322 Aminosäuren, während A2 (humane Arginase II) aus 354 Aminosäuren besteht. Diese beiden Isoformen werden von unterschiedlichen Genen auf verschiedenen Chromosomen kodiert; dennoch sind mehr als 50 % der Aminosäurereste identisch, mit 100%iger Homologie in für die Enzymfunktion kritischen Regionen. Die dreidimensionale Struktur zeigt, dass beide als Trimere aus drei identischen Untereinheiten vorliegen und ein aktives Zentrum am Boden einer 15 Å tiefen Spalte besitzen. Die für die Arginase-Aktivität erforderlichen Manganionen befinden sich am Boden dieser Spalte. Die Gesamtfaltung jeder Untereinheit gehört zur α/β-Familie und besteht aus parallelen, achtsträngigen β-Faltblättern, die beidseitig von mehreren α-Helices flankiert werden.

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

Die an das Manganion im aktiven Zentrum der Arginase koordinierenden Aminosäure-Seitenketten befinden sich am Rand des zentralen β-Faltblatts, im Loop-Segment benachbart zu den Strängen 8, 7 und 4. Im binuklearen Cluster der unligandierten Arginase besteht eine Trennung zwischen Mn_A²⁺ und Mn_B²⁺. Die Kristallstruktur der unligandierten Ratten-Arginase I zeigte, dass Mn_A²⁺ mit H101, D128, 124, D232 sowie dem Hydroxidion in quadratisch-pyramidaler Geometrie koordiniert ist. Die Kristallstruktur der unligandierten humanen Arginase I zeigt, dass Mn_A²⁺ zusätzlich ein weiteres Wassermolekül koordiniert und dadurch ein verzerrtes oktaedrisches Metall-Koordinationspolyeder bildet. In der Ratten-Arginase I und der humanen Arginase I wird Mn_B²⁺ durch H126, D234, D124, D232 und ein Hydroxidion koordiniert und weist eine verzerrt oktaedrische Geometrie auf.

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

Katalytischer Mechanismus

Im Komplex aus humaner Arginase I und 2(S)-Amino-6-boronohexansäure (ABH) überbrückt das Boronat-Hydroxyl O1 von ABH Mn_A²⁺ und Mn_B²⁺ nahezu symmetrisch. Das Boronat-Hydroxyl O2 von ABH zeigt eine echte Inner-Sphere-Koordinationsinteraktion. Da ABH im aktiven Zentrum der Arginase dieselbe chemische Reaktion wie das Substrat L-Arginin durchläuft (nukleophiler Angriff durch das metallüberbrückende Hydroxidion) und das Boronat-Anion von ABH das tetraedrische Zwischenprodukt sowie die flankierenden Übergangszustände der Katalyse nachahmt, entspricht die Boronat-Hydroxylgruppe O2 von ABH der NH₂-Gruppe des Substrats L-Arginin. Beim Annähern an den Übergangszustand interagiert Mn_A²⁺ mit dem sp³-freien Elektronenpaar der NH₂-Gruppe über eine starke Inner-Sphere-bidentate Koordination. Darüber hinaus erlaubt die Struktur des humanen Arginase-I–ABH-Komplexes Rückschlüsse auf die katalytische Funktion von H141. Die Imidazolgruppe von H141 wirkt als Protonen-Shuttle und fördert die Ionisierung eines metallüberbrückenden Wassermoleküls, wodurch nukleophile metallüberbrückende Hydroxidionen regeneriert werden. Die Struktur der humanen Arginase I–ABH zeigt, dass H141 eine Wasserstoffbrücke mit O2 von E277 bildet; die Carboxylat-Seitenkette von E277 bildet zudem eine schwache Wasserstoffbrücke mit der Boronat-Hydroxylgruppe O2. Protonen befinden sich am N-Atom von H141; daher wird angenommen, dass H141 durch eine positiv geladene Imidazoliumgruppe mittels Wasserstoffbrückenbindung an E277 stabilisiert wird. Anschließend liegt H141 nahe an der -CH₂-Gruppe von ABH; diese -CH₂-Gruppe entspricht der abgehenden Aminogruppe von L-Ornithin im tetraedrischen Zwischenprodukt, und H141 kann als allgemeiner Säurekatalysator dienen, um das Proton für das Abgehen der Abgangsgruppe bereitzustellen. Diese Funktion erfordert eine 90°-Konformationsänderung im Seitenketten-Torsionswinkel χ², um die Richtung des Protonentransfers von H141 festzulegen; dabei werden die Imidazolium-Protonen zudem durch Aufhebung der E277-Wasserstoffbrücke acidifiziert. Das Imidazol von H141 wird anschließend als Protonen-Shuttle genutzt, um im letzten Schritt der Katalyse das nukleophile metallüberbrückende Hydroxidion zu regenerieren.

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

Anwendung

Die Arginase-Aktivität erfüllt zwei wesentliche homöostatische Funktionen. Erstens dient sie der Entfernung von Ammoniak aus dem Körper durch Harnstoffsynthese; zweitens der Bildung von Ornithin, einem Vorläufer von Polyaminen und Prolin. Polyamine, die durch Ornithin-Decarboxylase (ODC) gebildet werden, sind für Zellproliferation und die Regulation mehrerer Ionenkanäle erforderlich. Prolin, das durch Ornithin-Aminotransferase (OAT) gebildet wird, ist essenziell für die Kollagenproduktion.

Arginase spielt eine wichtige Rolle in Gesundheit und Krankheit und ist an Erkrankungen und Verletzungen beteiligt, die das periphere kardiovaskuläre System sowie das zentrale Nervensystem (ZNS) betreffen. Die Expression und Aktivität der Arginase sind bei vielen kardiovaskulär assoziierten Erkrankungen wie Hypertonie, Diabetes und Atherosklerose hochreguliert. Auch bei einer Vielzahl von ZNS-Erkrankungen wie Schlaganfall, Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Syndrom und ähnlichen Krankheitsbildern ist die Arginase-Expression hochreguliert.

Literatur