Tirozin-hidroksilaza ili tirozin 3-monooksigenaza je enzim koji je odgovoran za responsible kataliziranje konverzije aminkiseline L-tirozina u L-3,4-dihidroksifenilalanin (L-DOPA). To čini koristeći molekularni kisik (O2), kao i gvožđe (Fe2+) i tetrahidrobiopterin kao kofaktore. L -DOPA je prekursor dopamina, koji je, pak, prekursor važnih neurotransmitera norepinefrina (noradrenalin) i epinefrina (adrenalin). Tirozin-hidroksilaza katalizira korak ograničavanja brzine u ovoj sintezi kateholamina. U ljudi je tirozin-hidroksilaza kodirana je TH genom, i enzimima u centralnom nervnom sistemu (CNS), perifernim simpatičkim neuronima i srži nadbubrežne žlijezde. Tirozin-hidroksilaza, fenilalanin hidroksilaza i triptofan hidroksilaza zajedno čine porodicu hidroksilaze aromatskih aminokiselina (AAAH).
Reakcija
Tirozin-hidroksilaza katalizira reakciju u kojoj se L-tirozin hidroksilira u položaju meta da se dobije L-3,4-dihidroksifenilalanin (L-DOPA). Enzim je oksigenaza što znači da koristi molekulski kisik za hidroksilaciju svojih supstrata. Jedan od atoma kisika u O2 koristi se za hidroksilaciju molekule tirozina za dobijanje L-DOPA, a drugi se za hidroksilaciju kofaktora. Kao i druge aromatske aminokiselinske hidroksilaze (AAAH), tirozin-hidroksilaza koristi kofaktor tetrahidrobiopterin (BH4) u normalnim uvjetima, iako druge slične molekule mogu djelovati i kao kofaktor za tirozin-hidroksilazu.
AAAH-i pretvaraju kofaktor 5,6,7,8-tetrahidrobiopterin (BH4) u tetrahidrobiopterin-4a-karbinolamin (4a-BH4). U fiziološkim uvjetima, 4a-BH4 je dehidrirana u kinonoid-dihidrobiopterin (q-BH2), pomoću enzima pterin-4a-karbinolamin dehidraze (PCD), a u ovoj reakciji oslobađa se molekula vode. Zatim, NAD (P) H zavisni enzim dihidropteridin reduktaza (DHPR) pretvara q-BH2 nazad u BH4. Svaka od četiri podjedinice u tirozin-hidroksilazi koordinirana je s atomom gvožđa (II) predstavljenim na aktivnom mjestu. Oksidacijsko stanje ovog atoma gvožđa važno je za katalitski promet u enzimskoj reakciji. Ako se gvožđe oksidira u Fe (III), enzim se inaktivira.
Produkt enzimske reakcije,L-DOPA, može se transformirati u dopamin, pomoću enzima DOPA dekarboksilaza. Dopamin se može pretvoriti u norepinefrin pomoću enzima dopamin β-hidroksilaze, koji se dalje može modificirati pomoću enzima feniletanol N-metiltransferaze, kako bi se dobio epinefrin. Budući da je L-DOPA je prekursor neurotransmitera dopamina, noradrenalina i adrenalina, tirozin-hidroksilaza nalazi se u citosolu svih ćelija koje sadrže te kateholamine. Pokazalo se da je ova početna reakcija katalizirana tirozin-hidroksilazom korak ograničavanja brzine u proizvodnji kateholamina.
Enzim je vrlo specifičan, ne prihvaia derivate indola – što je neobično – kao i mnogi drugi enzimi uključeni u proizvodnju kateholamina. Triptofan je loš supstrat za tirozin-hidroksilazu, ali može hidroksilirati L-fenilalanin da formira L-tirozin i male količine 3-hidroksifenilalanina. Enzim zatim može dalje katalizirati L-tirozin, kako bi formirao L-DOPA. Tirozin-hidroksilaza također može biti uključena i u druge reakcije, kao što je oksidacija L-DOPA-e u nastanku 5-S-cisteinil-DOPA ili drugih L-DOPA derivata.
Aminokiselinska sekvenca Dužina polipeptidnog lanca je 528 aminokiselina, а molekulska težina 58.600 Da. 1020304050 MPTPDATTPQAKGFRRAVSELDAKQAEAIMVRGQGAPGPSLTGSPWPGTA APAASYTPTPRSPRFIGRRQSLIEDARKEREAAVAAAAAAVPSEPGDPLE AVAFEEKEGKAVLNLLFSPRATKPSALSRAVKVFETFEAKIHHLETRPAQ RPRAGGPHLEYFVRLEVRRGDLAALLSGVRQVSEDVRSPAGPKVPWFPRK VSELDKCHHLVTKFDPDLDLDHPGFSDQVYRQRRKLIAEIAFQYRHGDPI PRVEYTAEEIATWKEVYTTLKGLYATHACGEHLEAFALLERFSGYREDNI PQLEDVSRFLKERTGFQLRPVAGLLSARDFLASLAFRVFQCTQYIRHASS PMHSPEPDCCHELLGHVPMLADRTFAQFSQDIGLASLGASDEEIEKLSTL YWFTVEFGLCKQNGEVKAYGAGLLSSYGELLHCLSEEPEIRAFDPEAAAV QPYQDQTYQSVYFVSESFSDAKDKLRSYASRIQRPFSVKFDPYTLAIDVL DSPQAVRRSLEGVQDELDTLAHALSAIG
C: Cistein D: Asparaginska kiselina E: Glutaminska kiselina F: Fenilalanin G: Glicin H: Histidin I: Izoleucin K: Lizin L: Leucin M: Metionin N: Asparagin P: Prolin Q: Glutamin R: Arginin S: Serin T: Treonin V: Valin W: Triptofan Y: Tirozin
Struktura thumb|left|280px|Tirozin-hidroksilaza iz pacova pokazuje dva svoja domena, domen tetramerizacije (ružičasta) i katalitski domen (plava). Regulatorni domen (nije prikazan) bi se nalazio negdje na desnoj strani slike, odakle bi ušao i enzimski supstrat.
Tirozin-hidroksilaza je tetramer od četiri identične podjedinice (homotetramer). Svaka podjedinica sastoji se od tri domena. Na karboksilnom terminalu peptidnog lanca postoji kratki domen alfa-heliksa koji omogućava tetramerizaciju. Centralnih ~300 aminokiselina čine katalitsko jezgro, u kojem se nalaze svi ostaci potrebni za katalizu, zajedno sa nekovalentno vezanim atomom gvožđa. Gvožđe drže na mjestu dva histidinska i jedan glutamatni ostatak, čineći ga enzimom koji ne sadrži hem, a nije gvožđe-sumpor. Amino terminal od ~ 150 aminokiselina čine regulatorni domen, za koji se smatra da kontrolira pristup supstrata do aktivnog mjesta. Smatra se da kod ljudi postoje četiri različite verzije ovog regulatornog domena, pa tako i četiri verzije enzima, ovisno o alternativnoj preradi, iako nijedna njihova struktura još nije pravilno određena. Sugerirano je da bi ovo područje moglo biti intrinzično nestrukturirani protein, koji nema jasno definiranu tercijarnu strukturu, ali do sada nisu prezentirani dokazi koji potkrepljuju ovu tvrdnju. Međutim, pokazalo se da domen ima mali broj pojavljivanja sekundarne strukture , što ne slabi sumnje da ima neurednu ukupnu strukturu. Što se tiče tetramerizacijskih i katalitskih domena, njihova struktura je pronađena tirozin-hidroksilazom pacova pomoću kristalografije X-zraka. Ovo je pokazalo kako je njegova struktura vrlo slična fenilalanin-hidroksilazi i triptofan-hidroksilazi; zajedno troje čine porodicu homolognu hidroksilaze aromatskih aminokiselina.
Regulacija thumb|right| Tirozin-hidroksilaza katalizira korak ograničavanja brzine u biosintezi kateholamina Aktivnost tirozin-hidroksilaze se kratkoročno povećava za fosforilaciju. Regulatorni domen tirozin-hidroksilaze sadrži više serinskih (Ser) ostataka, uključujući Ser8, Ser19, Ser31 i Ser40, koji su fosforilirani raznim protein-kinazama. Ser40 se fosforilizira cAMP-ovisnom protein-kinazom. Ser19 (i Ser40 u manjoj mjeri) je fosforiliran kalcij-kalmodulin-ovisnom protein kinazom. MAPKAPK2 (mitogen-aktivirana-protein-kinaza-activirajuća protein-kinaza) preferira Ser40, ali i fosforilira Ser19 otprilike upola manje od Ser40. Ser31 je fosforiliran pomoću ERK1 i ERK2 (vanćelijski regulirane kinaze 1 i 2), i povećava aktivnost enzima u manjoj mjeri nego za fosforilaciju Ser40. Fosforilacija u Ser19 i Ser8 nema direktan učinak na aktivnost tirozin-hidroksilaze. Ali fosforilacija u Ser19 povećava brzinu fosforilacije u Ser40, što dovodi do povećanja aktivnosti enzima. Fosforilacija u Ser19 uzrokuje dvostruko povećanje aktivnosti, mehanizmom koji zahtijeva 14-3-3 protein. Fosforilacija u Ser31 uzrokuje blagi porast aktivnosti, a ovdje mehanizam nije poznat. Tirozin-hidroksilaza je donekle stabilizirana na inaktivaciju toplote kada se fosforiliraju regulatorni serini.
Tirozin-hidroksilaza je uglavnom prisutna u citosolu, iako se u izvjesnoj mjeri nalazi i u plazmamembrani. Pridruživanje membrane može biti povezano s pakiranjem kateholamina u vezikule i eksportom kroz sinapsnu membranu. Vezivanje tirozin-hidroksilaze za membrane uključuje N-terminalnu regiju enzima, a može biti regulirano trosmjernom interakcijom između 14-3-3 proteina, N-terminalne regije tirozin-hidroksilaze i negativno nabijenih membrana.
Tirozin-hidroksilaza se također može regulirati inhibicijom. Fosforilacija na Ser40 ublažava inhibiciju povratnih informacija kateholaminskog dopamina, epinefrina i norepinefrina. Kateholamini zadržavaju gvožđe na aktivnom mjestu u stanju Fe (III), inhibirajući enzim.
Pokazano je da na ekspresiju tirozin-hidroksilaze može uticati ekspresija SRY. Smanjena regulacija gena SRY u substantia nigra može rezultirati smanjenjem ekspresije tirozin-hidroksilaze.
Dugotrajna regulacija tirozin hidroksilaze može biti posredovana i mehanizmima fosforilacije. Hormoni (npr. glukokortikoidi), lijekovi (npr. kokain) ili drugi glasnici, kao što je Ciklični adenozin-monofosfat (cAMP) povećavaju transkripciju tirozin-hidroksilaze. Povećanje aktivnosti tirozin-hidroksilaze uslijed fosforilacije može se održati nikotinom do 48 sati. Aktivnost tirozin-hidroksilaze regulirana je hronično (danima) preko protein- sintaza.
Klinički značaj Nedostatak tirozin-hidroksilaze dovodi do poremećene sinteze dopamina, kao i epinefrina i norepinefrina. Predstavlja ga progresivna encefalopatija i loša prognoza. Kliničke značajke uključuju distoniju koja minimalno ili ne reagira na levodopu, ekstrapiramidni simptomi, ptoza, mioza i hipotenzija stasa. Ovo je progresivni i često smrtonosni poremećaj, koji se levodopom može popraviti, ali ne i izliječiti. Odgovor na liječenje je promjenjiv, a dugoročni i funkcionalni ishod je nepoznat. Da bi se pružila osnova za bolje razumijevanje epidemiologije, korelacije genotip/fenotip i ishoda ovih bolesti, njihov uticaj na kvalitet života pacijenata, a za procjenu dijagnostičkih i terapijskih strategija, nekomercijalno je uspostavljen registar pacijenata „Međunarodna radna grupa za poremećaje povezane s neurotransmiterima (International Working Group on Neurotransmitter Related Disorders) (iNTD) . Dodatne promjene u aktivnosti enzima tirozin-hidroksilaze mogu biti uključene u poremećaje kao što su Segawina distonija, Parkinsonova bolest i shizofrenija. Tirozin-hidroksilaza se aktivira vezivanjem ovisnim o fosforilaciji na 14-3-3 proteinima. Budući da su proteini 14-3-3 također vjerojatno povezani s neurodegenerativnim bolestima, kao što su Alzheimerova, Parkinsonova i Huntingtonova bolest, to čini indirektnu vezu između tirozin-hidroksilaze i ovih bolesti. Pokazalo se da je aktivnost tirozin-hidroksilaze u mozgu pacijenata s Alzheimerovom bolešću značajno smanjena u usporedbi sa zdravim osobama. Tirozin-hidroksilaza je također autoantigen u autoimunskom poliendokrinom sindromu (APS) tip I.
Dosljedna abnormalnost u Parkinsonovoj bolesti je degeneracija dopaminergičnih neurona u substantia nigra, što dovodi do smanjenja nivoa strijatalnog dopamina. Kako tirozin hidroksilaza katalizira stvaranje L-DOPA, korak koji ograničava brzinu u biosintezi dopamina, nedostatak tirozin hidroksilaze ne uzrokuje Parkinsonovu bolest, ali tipično dovodi do infantilnog parkinsonizma, iako se spektar proteže do stanje nalik distonija odgovorna na dopamin.
Predložena je i direktna patogenetska uloga tirozin hidroksilaze, jer je enzim izvor H2O2 i drugih reaktivnih vrsta kisika (ROS) i meta za ozljede posredovane radikalima. Pokazano je da se LDOPA efikasno oksidira tirozin-hidroksilazom sisara, vjerovatno doprinoseći citotoksičnim efektima L-DOPA. Kao i drugi ćelijski proteini, tirozin-hidroksilaza je takođe moguća meta za štetne promjene izazvane ROS-om. Ovo sugerira da bi neka oksidativna oštećenja tirozin-hidroksilaze mogla nastati samim sistemom tirozin-hidroksilaze.
Tirozin-hidroksilaza može se inhibirati lijekom α-metil-para-tirozin (metirozin). Ova inhibicija može dovesti do iscrpljivanja dopamina i norepineferina u mozgu, zbog nedostatka prekursora L-Dopa (L-3,4-dihidroksifenilalanin) koji se sintetizira pomoću tirozin-hidroksilaze. Ovaj lijek se rijetko koristi i može uzrokovati depresiju; koristan je u liječenju feohromocitoma, ali i rezistentnu hipertenziju. Stariji primjeri inhibitora koji se spominju u literaturi uključuju oudenon i akvajamicin.
Reference
Dopunska literatura
Vanjski linkovi GeneReviews/NIH/NCBI/UW entry on Tyrosine Hydroxylase Deficiency including Tyrosine Hydroxylase-Deficient Dopa-Responsive Dystonia or Segawa Syndrome and Autosomal Recessive Infantile Parkinsonism
Kategorija:EC 1.14.16 Kategorija:Geni na hromosomu 11 Kategorija:Ljudski proteini Kategorija:Enzimi Kategorija:Proteomika