Bildung von Melanin

Bräunungspigment enträtselt

Wissenschaftler aus Mainz und Kiel decken den molekularen Mechanismus der
Melaninbildung durch Mutation beteiligter Enzyme auf

Melanin ist ein Pigment, das in fast allen Lebewesen vorkommt und beim Menschen für die Braunfärbung der Haut und die Haarfarbe sorgt. Wie das Pigment genau gebildet wird, war bisher nicht vollständig bekannt. Wissenschaftler der Universitäten in Mainz und Kiel haben jetzt mit einem biotechnologischen Trick den molekularen Mechanismus der Melaninbildung aufgedeckt. Im Zentrum des Vorgangs steht die Aktivität des Enzyms Tyrosinase. Eine wichtige Lücke im Verständnis der Funktionsweise dieses Enzyms konnte nun geschlossen werden. Die Entdeckung öffnet den Weg für zahlreiche Anwendungen in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie, in der Umwelttechnik und auch in der Medizin.
Die Bildung von Melanin wird durch die Tyrosinase gestartet. „Diese Aktivität haben wir bisher nicht ganz verstanden, wohingegen die Aktivität der verwandten, aber weniger effektiven Catecholoxidasen, die ebenfalls Melanin bilden können, besser bekannt ist“, erklärt Prof. Dr. rer. nat. Heinz Decker, Leiter des Instituts für Molekulare Biophysik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Über den Hintergrund der unterschiedlichen Reaktivität von Tyrosinasen und Catecholoxidasen war in den vergangenen Jahrzehnten viel geforscht worden, jedoch ohne Erfolg.

 

 

 

 

 

 

Abb.: Blick in das katalytische Zentrum einer Tyrosinase: Die zwei Aminosäuren Glu235 und Asn240 fixieren ein Wassermolekül HOH112, das dem Substrat (p-Tyrosol) ein Proton entreißt (weiß). Das entstandene Phenolat kann nun an das Kupfer­ion (CuA) binden und die Tyrosinase-Reaktion starten.

(Bild: Institut für Molekulare Biophysik, JGU)

Zwei Aminosäuren bilden den Schlüssel für unter­schiedliche Reaktivität


Ausgehend von Hinweisen, die eine israelische Studie unter der Leitung von Dr. A. Fishman geliefert hatte, klärten Decker und Even Solem von der JGU und Felix Tuczek von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel den Reaktionsmechanismus experimentell auf. Sie wandelten dazu eine Catecholoxidase aus Riesling-Weinblättern biotechnologisch in eine Tyrosinase um, indem sie eine gezielte Mutation vornahmen. Als Schlüssel für die unterschiedliche Reaktivität erweisen sich zwei Aminosäuren, die hoch konservierte Glutaminsäure und Asparagin in der Nähe des katalytischen Zentrums. Sie binden ein spezielles Wassermolekül innerhalb der Proteinmatrix so stark, dass eine Ladungsverschiebung im Wassermolekül erfolgt. Dadurch wird eine Seite sehr negativ, sodass sie ein positives Proton von dem Monophenol abzieht. Damit startet die Tyrosinase. Sie wandelt Monophenole in chemisch sehr reaktive Substanzen, sogenannte Chinone, um, die sich selbstständig zu Melanin verbinden. Fehlt dagegen das Asparagin oder das Wassermolekül in dem Protein, liegt keine Tyrosinase vor, sondern nur eine Catecholoxidase. Mit dieser Entdeckung ist ein entscheidender Schritt in der Katalyse von Tyrosinasen und damit der Synthese von Melanin verstanden. Dies erlaubt es in Zukunft, die Aktivierung, Hemmung und Modifikation sowie biotechnologische Anwendungen im Bereich der Medizin, Kosmetik und Umweltforschung gezielt mittels gentechnischer Methoden zu optimieren. „Gleichzeitig haben wir damit ein weiteres Kapitel in der Kupferchemie aufgeklärt“, fasst Decker zusammen.

 

Quelle:
E. Solem, F. Tuczek, H. Decker
Tyrosinase versus Catechol Oxidase: One Asparagine Makes the Difference
Angewandte Chemie International Edition,
DOI: 10.1002/anie.201508534

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