Tyrosinase

Tyrosinase (auch als Monophenol-Monooxygenasen, EC 1.14.18.1, bezeichnet) gehört zu einer Oxidase-Familie, deren katalytisches Zentrum aus einem dinukleären Kupfer vom Typ 3 besteht. Es ist weit verbreitet in pflanzlichen und tierischen Geweben, um die Produktion von Melanin und anderen Pigmenten aus Tyrosin durch Oxidation zu katalysieren, was zu einer Bräunung führt, die beim Quetschen oder bei langfristiger Lagerung auftritt. Die katalytische Reaktion von Tyrosinase ist die geschwindigkeitsbestimmende für die Kontrolle der Melaninproduktion aus Tyrosin, die hauptsächlich eine Kaskade von zwei unterschiedlichen Reaktionen umfasst. Die Ortho-Hydroxylierung von Monophenol und die anschließende Oxidation des Diphenols führen zu Quinon, einem reaktiven Vorläufer, der mehrere Reaktionen durchläuft, um schließlich Melanin-Pigmente zu bilden. Tyrosinase wird in Melanosomen gefunden, die in den Hautmelanozyten synthetisiert werden. Bei Menschen wird das Tyrosinase-Enzym durch das TYR-Gen kodiert, das durch den mit Mikrophthalmie assoziierten Transkriptionsfaktor (MITF) reguliert wird. Tyrosinase ist an neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit beteiligt und führt auch zu Melanin-Bräunungsreaktionen, die für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie wichtig sind.

Struktur

Tyrosinasen, die aus einer Vielzahl von pflanzlichen, tierischen und pilzlichen Arten isoliert wurden, sind in Bezug auf ihre primäre Struktur, Größe, Glykosylierungsmuster, Aktivierungsmerkmale, zelluläre Lage und Gewebeverteilung vielfältig. Es gibt keine gemeinsame Tyrosinase-Proteinstruktur, die bei allen Arten vorkommt. Allerdings haben alle Tyrosinasen ein gemeinsames binukleares Kupferzentrum vom Typ 3 innerhalb ihrer aktiven Stellen, wo die beiden Kupferatome jeweils mit drei Histidin-Resten koordiniert sind.

Die menschliche Tyrosinase ist ein einzelnes, membranüberspannendes Transmembranprotein und wird in Melanosomen sortiert. Im Gegensatz zur pilzlichen Tyrosinase ist die menschliche Tyrosinase ein membrangebundener Glykoprotein mit einem Kohlenhydratanteil von 13%. Die katalytisch aktive Domäne der menschlichen Tyrosinase befindet sich innerhalb der Melanosomen. Nur ein kleiner, enzymatisch nicht wesentlicher Teil des Proteins erstreckt sich in das Zytoplasma des Melanozyten.

Katalysierte Reaktion

Tyrosinase führt die Oxidation von Phenolen wie Tyrosin und Dopamin unter Verwendung von Dioxygen (O₂) durch. In Anwesenheit von Catechol wird Benzoquinon gebildet, und Wasserstoff aus Catechol wird mit Sauerstoff kombiniert, um Wasser zu produzieren. Die Substratspezifität der Säugetier-Tyrosinase ist dramatisch eingeschränkt, da sie nur die L-Form von Tyrosin oder Dihydroxyphenylalanin (DOPA) als Substrate verwendet und L-DOPA als Kofaktor benötigt. 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 mit Sauerstoff bindet, um die Oxy-Form (Cu(II)–O22−–Cu(II)) zu erzeugen. In der Oxy-Form ist molekularer Sauerstoff als Peroxid in einer μ-η²:η² seitlichen Brückenform gebunden, wodurch die O–O-Bindung destabilisiert und aktiviert wird. Die Met-Form (Cu(II)–Cu(II)) wird als ruhende enzymatische Form betrachtet, bei der Cu(II)-Ionen normalerweise mit einem kleinen Liganden, wie einem Hydroxidion oder einem Wassermolekül, verbunden sind.

Abbildung 1. Reaktion, die von Tyrosinase katalysiert wird. (Lai X L; et al. 2018)

Bedeutung

a. Klinische Bedeutung

Die Tyrosinase-Aktivität ist entscheidend für die Melaninsynthese. Wenn sie unkontrolliert bleibt, führt dies zu einer Erhöhung der Melaninsynthese. Bei Säugetieren trägt Tyrosinase zu Hautpigmentierungsanomalien wie Flecken und Defekten bei. Sie ist ein Ziel geworden, um die Tyrosinase-Aktivität zu hemmen, um die Behandlung oder Prävention von mit der Hyperpigmentierung der Haut verbundenen Zuständen wie Melasma und Altersflecken zu verbessern. Mehrere Polyphenole, einschließlich Flavonoide, Stilbenoide, Radikalfänger, Substratanaloga und Kupferchelatoren, wurden identifiziert, um Tyrosinase zu hemmen. In der medizinischen und kosmetischen Industrie ist die Entwicklung und das Screening von potenten Inhibitoren der Tyrosinase besonders attraktiv geworden, um Hauterkrankungen zu behandeln. Darüber hinaus kann eine Mutation im Tyrosinase-Gen die Tyrosinase-Produktion beeinträchtigen und zu Typ I oculocutaneous Albinismus führen, einer erblichen Erkrankung, die eine von 20.000 Personen betrifft.

b. Bedeutung in der Lebensmittelindustrie

Tyrosinase ist auch von großer Bedeutung in den Bereichen Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie, wo eine Hemmung der Tyrosinase gewünscht ist, da Tyrosinase die Umwandlung von phenolischen Verbindungen, die in Früchten und Gemüse vorkommen, in Quinone beschleunigt. Dies führt nicht nur zu einem unerwünschten Geschmack und einer unerwünschten Farbe, sondern verringert auch die Verdaulichkeit der Produkte und die Verfügbarkeit bestimmter essentieller Aminosäuren. Daher werden in der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie dringend Tyrosinase-Inhibitoren mit hoher Effizienz benötigt. Einige Verbindungen wie Kojinsäure, Tropolon, Coumarine, Vanillinsäure, Vanillin und Vanillin-Alkohol sind bekannte Tyrosinase-Inhibitoren.

c. Bedeutung bei Insekten

Bei Insekten wird Tyrosinase als ein nützliches Enzym anerkannt, das Funktionen wie Sklerotisierung, Wundheilung, Melaninsynthese und Parasitenkapselung erfüllt. Folglich ist es ein wichtiges Enzym aufgrund des Abwehrmechanismus von Insekten. Einige Insektizide werden entwickelt, um die Tyrosinase zu hemmen.

Referenz