Введение
Энзим для контроля производства меланина
Тирозиназа – это оксидаза, являющаяся лимитирующим по скорости ферментом, контролирующим производство меланина. Этот фермент в основном участвует в двух различных реакциях синтеза меланина, известных как путь Рапера-Мейсона. Во-первых, это гидроксилирование монофенола, а во-вторых – превращение о-дифенола в соответствующий о-хинон. О-хинон подвергается ряду реакций, в конечном итоге приводящих к образованию меланина. Тирозиназа – это содержащий медь фермент, присутствующий в растительных и животных тканях, который катализирует образование меланина и других пигментов из тирозина посредством окисления. Он находится внутри меланосом, которые синтезируются в меланоцитах кожи. У человека фермент тирозиназа кодируется геном TYR.
Катализированная реакция
Тирозиназа катализирует окисление фенолов, таких как тирозин и дофамин, с использованием диоксигена (O2). В присутствии катехола образуется бензохинон (см. реакцию ниже). Атомы водорода, отщепляемые от катехола, соединяются с кислородом с образованием воды. Специфичность к субстрату у тирозиназы млекопитающих значительно снижается: она использует только L-форму тирозина или DOPA в качестве субстратов и имеет ограниченную потребность в L-DOPA как в кофакторе.
Активный сайт
Два атома меди в активном центре ферментов тирозиназы взаимодействуют с диоксигеном, образуя высокореакционное химическое промежуточное соединение, которое затем окисляет субстрат. Активность тирозиназы сходна с активностью катехолоксидазы, родственного класса медных оксидаз. Тирозиназы и катехолоксидазы в совокупности называются полифенолоксидазами.
Структура
Тирозиназы были выделены и изучены из широкого спектра видов растений, животных и грибов. Тирозиназы разных видов различаются по своим структурным свойствам, распределению в тканях и внутриклеточной локализации. Общая структура белка тирозиназы, встречающаяся у всех видов, не обнаружена. Ферменты, найденные в растительных, животных и грибковых тканях, часто отличаются по первичной структуре, размеру, характеру гликозилирования и особенностям активации. Однако все тирозиназы имеют общим двухъядерный медный центр типа 3 в своих активных центрах. В этом центре два атома меди координированы с тремя остатками гистидина каждый.
Растение
In vivo, растительные ППО экспрессируются как белки массой около 64–68 кДа, состоящие из трех доменов: хлоропластического транзитного пептида (содержащего тилакоидный сигнальный пептид размером около 4–9 кДа), каталитически активного домена (~37–42 кДа), содержащего двуядерный медный центр, и C-концевого домена (~15–19 кДа), экранирующего активный центр.
млекопитающие
Тирозиназа млекопитающих – это одномембранный трансмембранный белок. У человека тирозиназа направляется в меланосомы, а каталитически активный домен белка локализуется внутри меланосом. Лишь небольшая, не имеющая существенного значения для ферментативной активности часть белка выходит в цитоплазму меланоцита. В отличие от тирозиназы грибов, тирозиназа человека является мембранным гликопротеином и содержит 13% углеводов.
Бактериальные
В торфяниках бактериальные тирозиназы предположительно играют ключевую роль в регулировании накопления углерода, удаляя фенольные соединения, которые подавляют разложение органического вещества.
Регулирование генов
Ген тирозиназы регулируется транскрипционным фактором, связанным с микрофтальмией (MITF).
Эволюция
Тирозиназа – высококонсервативный белок, встречающийся у животных и, по всей видимости, возникший еще у бактерий. Тирозиназо-связанный белок (Tyrp1) и допахромная таутомераза (Dtc) кодируют белки, участвующие в синтезе меланина и являющиеся общими регуляторными элементами структуры экзонов/интронов. Развитие трех типов пигментных клеток позвоночных, несмотря на различия, в определенной точке сходится, обеспечивая экспрессию представителей семейства тирозиназ для производства пигментов меланина. Гены, связанные с семейством тирозиназ, играют важную роль в эволюции, генетике и биологии развития пигментных клеток, а также в изучении нарушений у человека, связанных с дефектами их синтеза, регуляции или функции. У позвоночных хорошо известны три типа пигментных клеток, производящих меланин, которые берут начало еще в эмбриональном периоде – из нервного гребня, нервной трубки и шишковидной железы. Все они способны производить пигмент меланин. Их биосинтез регулируется эволюционно консервативными ферментами семейства тирозиназ (tyr, tyr1 и tyr2), также называемыми допахромной таутомеразой (dct). Среди них Tyr играет ключевую роль в производстве меланина. Однако, секвенирование геномов различных таксонов для углубленного эволюционного анализа становится все более важным в настоящем исследовании. Семейство медносодержащих белков типа 3 выполняет разнообразные биологические функции, включая образование пигмента, врожденный иммунитет и транспорт кислорода. Комбинированный генетический, филогенетический и структурный анализ показал, что исходный белок меди типа 3 состоял из одного пептида и был отнесен к подклассу α. Ген предкового белка подвергся двум дупликациям: первая произошла до дивергенции неизвестной эукариотической линии, а вторая – до диверсификации. Первая дупликация привела к образованию цитозольной формы (β), а вторая – мембранной формы (Γ). Структурное сравнение показало, что активные центры форм α и γ покрыты алифатическими аминокислотами, а форма β – ароматическими остатками. Таким образом, эволюция этих генных семей связана с линией многоклеточных эукариот, вследствие потери одного или нескольких из этих трех подклассов и видоспецифического расширения одного или обоих оставшихся подклассов. Геномные консервативные выравнивания нуклеотидных последовательностей тирозиназы у позвоночных, таких как лягушки, змеи и человек, позволяют предположить, что она произошла от одного предкового гена тирозиназы. Дупликация и мутация этого гена, вероятно, ответственны за появление генов, связанных с тирозиназой.
В пищевой промышленности
В пищевой промышленности подавление активности тирозиназы является желательным, поскольку тирозиназа катализирует окисление фенольных соединений, содержащихся во фруктах и овощах, в хиноны, что приводит к нежелательному вкусу и изменению цвета, а также снижает биодоступность некоторых незаменимых аминокислот и ухудшает усвояемость продуктов. Таким образом, высокоэффективные ингибиторы тирозиназы востребованы как в сельском хозяйстве, так и в пищевой промышленности. К хорошо известным ингибиторам тирозиназы относятся кожиковая кислота, трополон, кумарины, ваниловая кислота, ванилин и ваниловый спирт.
В косметической промышленности
Светлый цвет кожи ассоциируется с молодостью и красотой в различных азиатских культурах. Недавние исследования косметических компаний были сосредоточены на разработке новых осветляющих средств, которые селективно подавляют активность тирозиназы для уменьшения гиперпигментации, избегая при этом цитотоксичности здоровых меланоцитов. Традиционные фармакологические препараты, такие как кортикостероиды, гидрохинон и аминонумерик хлорид, осветляют кожу путем ингибирования созревания меланоцитов. Однако эти препараты связаны с побочными эффектами. Косметические компании сосредоточены на разработке новых осветляющих средств, которые селективно подавляют активность тирозиназы для уменьшения гиперпигментации, избегая при этом цитотоксичности меланоцитов, поскольку тирозиназа является лимитирующей стадией пути меланогенеза.
У насекомых
Тирозиназа выполняет широкий спектр функций у насекомых, включая заживление ран, склеротизацию, синтез меланина и капсулирование паразитов. Таким образом, это важный фермент, поскольку он является частью системы защиты насекомых. Некоторые инсектициды направлены на ингибирование тирозиназы.