Tyrosinase

Tyrosinase (auch als Monophenol-Monooxygenasen bezeichnet, EC 1.14.18.1) gehört zu einer Oxidase-Familie, deren katalytisches Zentrum aus einem dinuklearen Typ-3-Kupferzentrum besteht. Sie ist in pflanzlichen und tierischen Geweben weit verbreitet und katalysiert durch Oxidation die Bildung von Melanin und anderen Pigmenten aus Tyrosin, was zu Bräunungsreaktionen führt, wie sie bei Quetschungen oder längerer Lagerung auftreten. Die durch Tyrosinase katalysierte Reaktion ist geschwindigkeitsbestimmend für die Steuerung der Melaninproduktion aus Tyrosin und umfasst im Wesentlichen eine Kaskade aus zwei unterschiedlichen Reaktionen. Die ortho-Hydroxylierung von Monophenolen und die anschließende Oxidation der Diphenole führen zu Chinonen, die als reaktive Vorstufen mehrere Folgereaktionen durchlaufen und schließlich Melaninpigmente bilden. Tyrosinase befindet sich in Melanosomen, die in den Melanozyten der Haut synthetisiert werden. Beim Menschen wird das Tyrosinase-Enzym durch das TYR-Gen kodiert, dessen Expression durch den microphthalmia-associated transcription factor (MITF) reguliert wird. Tyrosinase ist an neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Parkinson beteiligt und vermittelt zudem Melanin-Bräunungsreaktionen, die für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie von Bedeutung sind.

Struktur

Tyrosinasen, die aus einer Vielzahl pflanzlicher, tierischer und pilzlicher Spezies isoliert wurden, unterscheiden sich hinsichtlich Primärstruktur, Größe, Glykosylierungsmuster, Aktivierungseigenschaften, zellulärer Lokalisation und Gewebeverteilung. Es gibt keine über alle Spezies hinweg einheitliche Tyrosinase-Proteinstruktur. Allen Tyrosinasen gemeinsam ist jedoch ein binukleares Typ-3-Kupferzentrum im aktiven Zentrum, wobei jedes der beiden Kupferatome jeweils durch drei Histidinreste koordiniert wird.

Die humane Tyrosinase ist ein Transmembranprotein mit einer einzelnen membranüberspannenden Domäne und wird in Melanosomen sortiert. Im Gegensatz zur pilzlichen Tyrosinase ist die humane Tyrosinase ein membrangebundenes Glykoprotein mit einem Kohlenhydratanteil von 13 %. Die katalytisch aktive Domäne der humanen Tyrosinase befindet sich innerhalb der Melanosomen. Nur ein kleiner, enzymatisch nicht essenzieller Anteil des Proteins ragt in das Zytoplasma des Melanozyten hinein.

Katalysierte Reaktion

Tyrosinase katalysiert die Oxidation von Phenolen wie Tyrosin und Dopamin unter Verwendung von Disauerstoff (O₂). In Gegenwart von Catechol entsteht Benzochinon, und Wasserstoff aus Catechol wird mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt. Die Substratspezifität der Säugetier-Tyrosinase ist stark eingeschränkt: Sie nutzt ausschließlich die L-Form von Tyrosin oder Dihydroxyphenylalanin (DOPA) als Substrate und erfordert L-DOPA als Kofaktor. Während der katalytischen Reaktion liegt das Typ-3-Kupferzentrum der Tyrosinase in drei Redoxformen vor. Die Deoxy-Form (Cu(I)–Cu(I)) ist eine reduzierte Spezies, die Sauerstoff bindet und in die Oxy-Form (Cu(II)–O2²⁻–Cu(II)) übergeht. In der Oxy-Form ist molekularer Sauerstoff als Peroxid in einer μ-η²:η²-side-on-Brückenbindung koordiniert, wodurch die O–O-Bindung destabilisiert und aktiviert wird. Die Met-Form (Cu(II)–Cu(II)) gilt als ruhende Enzymform, in der die Cu(II)-Ionen in der Regel mit einem kleinen Liganden wie einem Hydroxidion oder einem Wassermolekül verknüpft sind.

Abbildung 1. Durch Tyrosinase katalysierte Reaktion. (Lai X L; et al. 2018)

Bedeutung

a. Klinische Bedeutung

Die Tyrosinase-Aktivität ist entscheidend für die Melaninsynthese. Bei fehlender Regulation führt sie zu einer gesteigerten Melaninbildung. Bei Säugetieren trägt Tyrosinase zu Störungen der Hautpigmentierung bei, wie z. B. Fleckenbildung und Pigmentdefekten. Sie ist daher ein Zielmolekül zur Hemmung der Tyrosinase-Aktivität, um Erkrankungen im Zusammenhang mit Hyperpigmentierung der Haut, wie Melasma und Altersflecken, besser zu behandeln oder zu verhindern. Mehrere Polyphenole, darunter Flavonoide, Stilbenoide, Radikalfänger, Substratanaloga und Kupferchelatoren, wurden als Tyrosinase-Inhibitoren identifiziert. In der Medizin- und Kosmetikindustrie ist die Entwicklung und das Screening potenter Tyrosinase-Inhibitoren besonders attraktiv geworden, um Hauterkrankungen zu behandeln. Darüber hinaus kann eine Mutation im Tyrosinase-Gen die Tyrosinase-Produktion beeinträchtigen und zu okulokutanem Albinismus Typ I führen, einer hereditären Erkrankung, die etwa eine von 20.000 Personen betrifft.

b. Bedeutung in der Lebensmittelindustrie

Tyrosinase ist auch in der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung, wobei eine Tyrosinase-Hemmung erwünscht ist, da Tyrosinase die Umwandlung phenolischer Verbindungen aus Obst und Gemüse in Chinone beschleunigt. Dies führt nicht nur zu unerwünschtem Geschmack und unerwünschter Farbe, sondern reduziert auch die Verdaulichkeit der Produkte sowie die Bioverfügbarkeit bestimmter essenzieller Aminosäuren. Daher werden in der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie dringend hochwirksame Tyrosinase-Inhibitoren benötigt. Einige Verbindungen wie Kojisäure, Tropolon, Cumarine, Vanillinsäure, Vanillin und Vanillylalkohol sind als Tyrosinase-Inhibitoren gut bekannt.

c. Bedeutung bei Insekten

Bei Insekten gilt Tyrosinase als nützliches Enzym mit Funktionen bei der Sklerotisierung, Wundheilung, Melaninsynthese und Parasitenkapselung. Folglich ist sie aufgrund des Abwehrmechanismus von Insekten ein wichtiges Enzym. Einige Insektizide werden mit dem Ziel entwickelt, Tyrosinase zu inhibieren.

Referenz