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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.^[1]

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).

• Symmetrie: Die drei Untereinheiten lagern sich in einer dreizähligen Symmetrieachse ringförmig aneinander.
• Aktive Zentren: Jede der drei Untereinheiten besitzt ein eigenständiges aktive Zentrum. Das bedeutet, dass ein einziges Arginase-Enzymmolekül drei Reaktionen gleichzeitig katalysieren kann. Die Kooperation oder Interaktion zwischen den einzelnen Untereinheiten ist für die Katalyse selbst nicht zwingend erforderlich, erhöht aber die Stabilität des Gesamtkomplexes.

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):

• Der Binukleare Mn-Cluster: Die beiden Mangan-Ionen (oft als Mn_A und Mn_B bezeichnet) weisen einen präzisen Abstand von etwa 0,33 nm (Nanometer) zueinander auf. Sie werden durch die Seitengruppen hochkonservierter Aminosäuren (darunter Aspartat und Histidin) in Position gehalten.
• Das Brücken-Wassermolekül: Zwischen den beiden Mangan-Ionen ist ein Wassermolekül (bzw. ein Hydroxidion, OH^-) koordiniert. Die positive Ladung der beiden Metallionen polarisiert dieses Wassermolekül extrem stark und senkt dessen pK_a-Wert. Dadurch wird es zu einem hochreaktiven Nucleophil aktiviert.

Jede einzelne Untereinheit gehört strukturell zu der Familie der α/β-Proteine:

• Das Zentrum der Untereinheit besteht aus einem zentralen, parallel verlaufenden β-Faltblatt, das von insgesamt acht α-Helices umgeben ist.
• Diese Faltung sorgt für eine extrem starre und hitzestabile Umgebung um den Mangan-Cluster herum, was notwendig ist, um die Geometrie für den nukleophilen Angriff auf die Guanidiniumgruppe des L-Arginins exakt aufrechtzuerhalten.

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:

1. Arginase I (ARG1): Befindet sich primär im Zytoplasma von Hepatozyten. Sie macht den Großteil der Arginase-Aktivität im Körper aus und dient fast ausschließlich der Ammoniak-Entgiftung im Harnstoffzyklus.
2. Arginase II (ARG2): Ist in den Mitochondrien lokalisiert und kommt vor allem in extrahepatischem Gewebe (insbesondere Niere, Gehirn, Prostata und Makrophagen) vor. Sie dient eher der Regulation der Argininspiegels für die Synthese von Prolin, Glutamat und Polyaminen.^[2]

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.^[3]

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.

• ARG1 arginase 1 (Homo sapiens) auf ncbi.nlm.nih.gov
• ARG2 arginase 2 (Homo sapiens) auf ncbi.nlm.nih.gov
• Zoltan F. Kanyo, Laura R. Scolnick, David E. Ash, David W. Christianson: Structure of a unique binuclear manganese cluster in arginase. Nature, 10. Oktober 1996, S. 554–557, doi:10.1038/383554a0 (Ursprungsquelle). 

1. ↑ Georg Löffler: Basiswissen Biochemie mit Pathobiochemie. 7. Auflage. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-76511-0, S. 144 (springer.com [abgerufen am 28. Juni 2026]). 
2. ↑ Dualität der Arginasen. Abgerufen am 26. Juni 2026. 
3. ↑ Argininase-1-Mangel. Abgerufen am 26. Juni 2026.