Tyrosinase

Tyrosinase ist eine Oxidase und das geschwindigkeitsbestimmende Enzym der Melaninproduktion . Das Enzym ist hauptsächlich an zwei verschiedenen Reaktionen der Melaninsynthese beteiligt, die auch als Raper-Mason-Weg bekannt sind: der Hydroxylierung eines Monophenols und der Umwandlung eines o-Diphenols in das entsprechende o-Chinon. o-Chinon durchläuft mehrere Reaktionen, bis schließlich Melanin entsteht. ^{[ 5 ]} Tyrosinase ist ein kupferhaltiges Enzym, das in pflanzlichen und tierischen Geweben vorkommt und die Bildung von Melanin und anderen Pigmenten aus Tyrosin durch Oxidation katalysiert. Es befindet sich in Melanosomen , die in den Hautmelanozyten synthetisiert werden . Beim Menschen wird das Tyrosinase-Enzym durch das TYR -Gen kodiert . ^{[ 6 ]}

Tyrosinase katalysiert die Oxidation von Phenolen wie Tyrosin und Dopamin mithilfe von Sauerstoff (O₂ ₎ . In Gegenwart von Brenzcatechin entsteht Benzochinon ( siehe Reaktion unten). Die vom Brenzcatechin abgespaltenen Wasserstoffatome verbinden sich mit Sauerstoff zu Wasser .

Die Substratspezifität ist bei der Tyrosinase von Säugetieren stark eingeschränkt, da sie nur die L-Form von Tyrosin oder DOPA als Substrate verwendet und nur in geringem Maße L-DOPA als Cofaktor benötigt. ^{[ 7 ]}

Monophenol-Monooxygenase
Catechol-Chinon
Kennungen
EG-Nr.	1.14.18.1
CAS-Nr.	9002-10-2
Datenbanken
IntEnz	IntEnz-Ansicht
BRENDA	BRENDA-Eintrag
ExPASy	NiceZyme-Ansicht
KEGG	KEGG-Eintrag
MetaCyc	Stoffwechselweg
PRIAM	Profil
PDB- Strukturen	RCSB PDB PDBe PDBsum
Gen-Ontologie	AmiGO / QuickGO
Suchen PMC Artikel PubMed Artikel NCBI Proteine

Tyrosinase
Dreidimensionale Struktur einer funktionellen Einheit aus Oktopus-Hämocyanin
Kennungen
Symbol	Tyrosinase
Pfam	PF00264
Pfam- Clan	CL0205
InterPro	IPR002227
PROSITE	PDOC00398
SCOP2	1hc2 / SCOPe / SUPFAM
Verfügbare Proteinstrukturen: PDB   IPR002227 PF00264 ( ECOD ; PDBsum )   AlphaFold IPR002227 PF00264

Die beiden Kupferatome im aktiven Zentrum der Tyrosinase-Enzyme reagieren mit Sauerstoff und bilden ein hochreaktives chemisches Zwischenprodukt, das anschließend das Substrat oxidiert . Die Aktivität der Tyrosinase ähnelt der der Catecholoxidase , einer verwandten Klasse der Kupferoxidasen . Tyrosinasen und Catecholoxidasen werden zusammenfassend als Polyphenoloxidasen bezeichnet .

Tyrosinasen wurden aus einer Vielzahl von Pflanzen-, Tier- und Pilzarten isoliert und untersucht. Tyrosinasen verschiedener Spezies unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Struktur, Gewebeverteilung und zellulären Lokalisation. ^{[ 9 ]} Es wurde keine für alle Spezies einheitliche Tyrosinase-Proteinstruktur gefunden. ^{[ 10 ]} Die in Pflanzen-, Tier- und Pilzgewebe vorkommenden Enzyme unterscheiden sich häufig in ihrer Primärstruktur, Größe, ihrem Glykosylierungsmuster und ihren Aktivierungseigenschaften. Allen Tyrosinasen ist jedoch ein zweikerniges Kupferzentrum vom Typ 3 in ihrem aktiven Zentrum gemeinsam . Hier sind jeweils zwei Kupferatome mit drei Histidinresten koordiniert .

In vivo werden pflanzliche PPOs als etwa 64–68 kDa große Proteine ​​exprimiert,die aus drei Domänen bestehen: einem chloroplastischen Transitpeptid ( das ein etwa 4–9 kDa großes Thylakoid-Signalpeptid enthält ) , einer katalytisch aktiven Domäne (etwa 37–42 kDa), die das zweikernige Kupferzentrum enthält , und einer C-terminalen Domäne (etwa 15–19 kDa), die das aktive Zentrum abschirmt . ^{[ 11 ]}

Die Tyrosinase von Säugetieren ist ein einzelnes, die Membran durchspannendes Transmembranprotein . ^{[ 12 ]} Beim Menschen wird die Tyrosinase in Melanosomen sortiert ^{[ 13 ]} , und die katalytisch aktive Domäne des Proteins befindet sich innerhalb der Melanosomen. Nur ein kleiner, enzymatisch unwichtiger Teil des Proteins ragt in das Zytoplasma des Melanozyten hinein .

Im Gegensatz zur Tyrosinase von Pilzen ist die humane Tyrosinase ein membrangebundenes Glykoprotein und hat einen Kohlenhydratgehalt von 13 %. ^{[ 14 ]}

Das abgeleitete TYR-Allel (rs2733832) ist mit einer helleren Hautpigmentierung in menschlichen Populationen assoziiert. Es ist am häufigsten in Europa anzutreffen , kommt aber auch in geringeren bis mittleren Häufigkeiten in Zentralasien , dem Nahen Osten , Nordafrika sowie bei den San- und Mbuti-Pygmäen vor . ^{[ 15 ]}

In Mooren wird angenommen, dass bakterielle Tyrosinasen als wichtige Regulatoren der Kohlenstoffspeicherung fungieren, indem sie phenolische Verbindungen entfernen, welche den Abbau von organischem Kohlenstoff hemmen . ^{[ 16 ]}

Beim Pilz Neurospora crassa wurden in verschiedenen Stämmen vier unterschiedliche Tyrosinaseformen unterschieden. ^{[ 17 ]} In jedem Stamm wurde nur eine strukturbestimmende genetische Region für das Enzym gefunden.

Das Gen für Tyrosinase wird durch den mit Mikrophthalmie assoziierten Transkriptionsfaktor (MITF) reguliert. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Eine Mutation im Tyrosinase-Gen, die zu einer verminderten Tyrosinase-Produktion führt, verursacht okulokutanen Albinismus Typ I , eine Erbkrankheit, von der einer von 20.000 Menschen betroffen ist. ^{[ 21 ]}

Die Tyrosinaseaktivität ist von großer Bedeutung. Ist sie während der Melaninbildung unkontrolliert , führt sie zu einer erhöhten Melaninproduktion. Die Senkung der Tyrosinaseaktivität ist ein Ziel der Forschung zur Verbesserung oder Vorbeugung von Hauterkrankungen, die mit Hyperpigmentierung einhergehen , wie beispielsweise Melasma und Altersflecken . ^{[ 22 ]}

Verschiedene Polyphenole, darunter Flavonoide oder Stilbenoide , Substratanaloga, Radikalfänger und Kupferchelatoren, sind dafür bekannt, die Tyrosinase zu hemmen. ^{[ 23 ]} Daher konzentrieren sich die medizinische und kosmetische Industrie auf die Forschung an Tyrosinasehemmern zur Behandlung von Hauterkrankungen. ^{[ 5 ]}

Bekannte Tyrosinase-Inhibitoren sind folgende: ^{[ 24 ]}

• Azelainsäure
• 4-Butylresorcin
• Hydrochinon
• L -Ascorbinsäure – Vitamin C
• Tranexamsäure

Obwohl Albinismus häufig vorkommt, gibt es nur wenige Studien zu den genetischen Mutationen in den Tyrosinasegenen von Tieren. Eine davon befasste sich mit Bubalus bubalis (Wasserbüffel). Die Tyrosinase-mRNA-Sequenz des Wildtyps von B. bubalis umfasst 1958 Basenpaare (bp) mit einem offenen Leserahmen (ORF) von 1593 bp Länge, was für 530 Aminosäuren kodiert. Das Tyrosinasegen des Albino -B. bubalis (GenBank JN_887463) ist hingegen an Position 477 verkürzt. Ursache hierfür ist eine Punktmutation im Nukleotid 1431, die ein Tryptophan (TGG) in ein Stoppcodon (TGA) umwandelt , wodurch das Tyrosinasegen verkürzt und inaktiv wird. ^{[ 25 ]} Andere Albinos weisen Punktmutationen auf, die die Tyrosinase anscheinend inaktivieren, ohne dass es zu einer Verkürzung kommt (siehe Tabelle und Abbildung für Beispiele).

Obwohl einige Studien zu den Genomdaten des Tyrosinase-Gens vorliegen, gibt es nur wenige Untersuchungen zu Mutationen bei Albino- Amphibien . Miura et al. (2018) untersuchten die Aminosäuremutationen im Tyrosinase-Gen bei drei Albino- Fröschen : Pelophylax nigromaculatus (Teichfrosch), Glandirana rugosa (Runzelfrosch) und Fejervarya kawamurai (Reisfrosch). Insgesamt wurden fünf verschiedene Populationen untersucht, darunter drei von P. nigromaculatus sowie je eine von G. rugosa und F. kawamurai . In zwei der drei Populationen von P. nigromaculatus trat eine Leserasterverschiebung durch die Insertion eines Thymins in die Exons 1 und 3 auf. Der dritten Population fehlten drei Nukleotide, die für Lysin in Exon 1 kodieren. Die Population von G. rugosa wies eine Missense-Mutation auf, bei der Glycin durch Asparaginsäure ersetzt wurde , und auch die Mutation von F. kawamurai führte zu einem Aminosäureaustausch von Glycin zu Arginin . Die Mutationen bei G. rugosa und F. kawamurai betreffen die Exons 1 und 3. Die Mutationen der dritten Population von P. nigromaculatus sowie die Mutationen von G. rugosa und F. kawamurai liegen in Bereichen, die bei Wirbeltieren hochkonserviert sind und zu einem dysfunktionalen Tyrosinase-Gen führen könnten. ^{[ 26 ]}

Tyrosinase ist ein hochkonserviertes Protein in Tieren und entstand offenbar bereits in Bakterien . Das Tyrosinase-verwandte Protein (Tyrp1) und die Dopachrom- Tautomerase (Dtc) kodieren für Proteine, die an der Melanin- Synthese beteiligt sind und gemeinsame regulatorische Elemente der Exon/Intron -Struktur darstellen. Die Entwicklung der drei Arten von Pigmentzellen der Wirbeltiere verläuft zwar unterschiedlich, konvergiert aber an einem bestimmten Punkt, um die Expression von Mitgliedern der Tyrosinase- Familie zur Produktion von Melanin-Pigmenten zu ermöglichen. ^{[ 28 ]} Gene der Tyrosinase-Familie spielen eine wichtige Rolle in der Evolution , Genetik und Entwicklungsbiologie von Pigmentzellen sowie beim Verständnis menschlicher Erkrankungen, die mit Defekten in ihrer Synthese, Regulation oder Funktion einhergehen. Drei Arten von Melanin- produzierenden Pigmentzellen sind seit embryonalem Ursprung bekannt: Zellen aus der Neuralleiste , dem Neuralrohr und der Zirbeldrüse . Alle drei besitzen die Fähigkeit, Melanin-Pigmente zu produzieren. Ihre Biosynthese wird durch evolutionär konservierte Enzyme der Tyrosinase-Familie (Tyr, Tyr1 und Tyr2), auch DOPAchrom- Tautomerase (dct) genannt, gesteuert. Tyr spielt dabei eine wichtige Rolle bei der Melaninproduktion. Sequenzierte Genome verschiedener Taxa sind für die detaillierte Evolutionsanalyse in der vorliegenden Studie jedoch unerlässlich. ^{[ 29 ]} Auch die Kupferproteine ​​vom Typ 3 erfüllen verschiedene biologische Funktionen , darunter Pigmentbildung, angeborene Immunität und Sauerstofftransport. Die kombinierte genetisch -phylogenetische und strukturelle Analyse ergab, dass das ursprüngliche Kupferprotein vom Typ 3 aus einem einzigen Peptid bestand und der α- Unterklasse zugeordnet wurde . Das Gen des Vorfahrenproteins erfuhr zwei Duplikationen: eine vor der Aufspaltung unbekannter eukaryotischer Linien und eine zweite vor der Diversifizierung . Die erste Duplikation führte zur cytosolischen Form ( β ), die zweite zur membrangebundenen Form ( Γ ). Der Strukturvergleich ergab, dass die aktiven Zentren der α- und γ- Formen von aliphatischen Aminosäuren bedeckt sind undDie β- Form ist mit aromatischen Resten bedeckt. Die Evolution dieser Genfamilie stellt somit die Abstammungslinie vielzelliger Eukaryoten dar , bedingt durch den Verlust einer oder mehrerer dieser drei Unterklassen und die linienspezifische Expansion einer oder beider der verbleibenden Unterklassen . ^{[ 30 ]} Die genomisch konservierten Nukleotidsequenzen der Tyrosinase innerhalb der Wirbeltierfamilie (Frösche, Schlangen und Menschen) legen nahe, dass sie sich aus einem einzigen Vorläufergen entwickelt hat. Die Duplikation und Mutation dieses Gens ist wahrscheinlich für die Entstehung eines Tyrosinase-verwandten Gens verantwortlich . ^{[ 31 ]}

In der Lebensmittelindustrie ist die Hemmung der Tyrosinase erwünscht, da Tyrosinase die Oxidation von in Obst und Gemüse vorkommenden phenolischen Verbindungen zu Chinonen katalysiert . Dies führt zu einem unerwünschten Geschmack und einer unerwünschten Farbe und verringert zudem die Verfügbarkeit bestimmter essentieller Aminosäuren sowie die Verdaulichkeit der Produkte. Daher werden hochwirksame Tyrosinasehemmer auch in der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie benötigt. ^{[ 14 ]} Bekannte Tyrosinasehemmer sind Kojisäure , ^{[ 32 ]} Tropolon , ^{[ 33 ]} Cumarine , ^{[ 34 ]} Vanillinsäure , Vanillin und Vanillinsäurealkohol . ^{[ 35 ]}

In verschiedenen asiatischen Kulturen wird ein hellerer Hautton mit Jugend und Schönheit assoziiert. Aktuelle Forschung von Kosmetikunternehmen konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger Aufhellungsmittel, die die Tyrosinaseaktivität selektiv hemmen, um Hyperpigmentierung zu reduzieren und gleichzeitig die Zytotoxizität für gesunde Melanozyten zu vermeiden . ^{[ 36 ]} Traditionelle pharmakologische Wirkstoffe wie Kortikosteroide , Hydrochinon und Aminonumericchlorid hellen die Haut durch die Hemmung der Melanozytenreifung auf. ^{[ 37 ]} Diese Wirkstoffe sind jedoch mit Nebenwirkungen verbunden. Kosmetikunternehmen konzentrieren sich daher auf die Entwicklung neuartiger Aufhellungsmittel, die die Tyrosinaseaktivität selektiv hemmen, um Hyperpigmentierung zu reduzieren und gleichzeitig die Zytotoxizität für Melanozyten zu vermeiden, da die Tyrosinase der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Melanogenese ist.

Tyrosinase erfüllt bei Insekten vielfältige Funktionen, darunter Wundheilung, Sklerotisierung , Melanin-Synthese und Parasiteneinkapselung. Daher ist sie ein wichtiges Enzym und Teil des Abwehrmechanismus von Insekten. Einige Insektizide zielen darauf ab, die Tyrosinase zu hemmen. ^{[ 14 ]}

Die Tyrosinase-aktivierte Polymerisation von Peptiden mit Cystein- und Tyrosinresten führt zu Polymeren , die an Muschelkleber erinnern. Die Tyrosinreste werden enzymatisch zu Dopaquinonen oxidiert , an die Thiolgruppen des Cysteins über eine intermolekulare Michael-Addition ^binden können . Die resultierenden Polymere adsorbieren mit hoher Adhäsionsenergie stark an verschiedenen Oberflächen . ^{[ 38 ] [} 39 ^]

• Eintrag in GeneReviews/NCBI/NIH/UW zu okulokutanem Albinismus Typ 1
• Tyrosinase in den Medical Subject Headings (MeSH) der US National Library of Medicine