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.[7]
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.[8][9] Zatim, NAD (P) H zavisni enzim dihidropteridin reduktaza (DHPR) pretvara q-BH2 nazad u BH4[8]. 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.[10]
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.[7][12][13] 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.[7][14]
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.[16] Centralnih ~300 aminokiselina čine katalitsko jezgro, u kojem se nalaze svi ostaci potrebni za katalizu, zajedno sa nekovalentno vezanim atomom gvožđa.[12] Gvožđe drže na mjestu dva histidinska i jedan glutamatni ostatak, čineći ga enzimom koji ne sadrži hem, a nije gvožđe-sumpor.[17]Amino terminal od ~ 150 aminokiselina čine regulatorni domen, za koji se smatra da kontrolira pristup supstrata do aktivnog mjesta.[18] Smatra se da kod ljudi postoje četiri različite verzije ovog regulatornog domena, pa tako i četiri verzije enzima, ovisno o alternativnoj preradi,[19] iako nijedna njihova struktura još nije pravilno određena.[20] 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.[20] Međutim, pokazalo se da domen ima mali broj pojavljivanja sekundarne strukture , što ne slabi sumnje da ima neurednu ukupnu strukturu.[21] Što se tiče tetramerizacijskih i katalitskih domena, njihova struktura je pronađena tirozin-hidroksilazom pacova pomoću kristalografije X-zraka.[22][23] Ovo je pokazalo kako je njegova struktura vrlo slična fenilalanin-hidroksilazi i triptofan-hidroksilazi; zajedno troje čine porodicu homolognuhidroksilaze aromatskih aminokiselina.[24][25]
Regulacija
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.[12][26] Ser40 se fosforilizira cAMP-ovisnom protein-kinazom.[27]
Ser19 (i Ser40 u manjoj mjeri) je fosforiliran kalcij-kalmodulin-ovisnom protein kinazom.[28]MAPKAPK2 (mitogen-aktivirana-protein-kinaza-activirajuća protein-kinaza) preferira Ser40, ali i fosforilira Ser19 otprilike upola manje od Ser40.[29][30] Ser31 je fosforiliran pomoću ERK1 i ERK2 (vanćelijski regulirane kinaze 1 i 2),[31] i povećava aktivnost enzima u manjoj mjeri nego za fosforilaciju Ser40.[29] 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.[32] 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.[29][33]
Tirozin-hidroksilaza je uglavnom prisutna u citosolu, iako se u izvjesnoj mjeri nalazi i u plazmamembrani.[34] Pridruživanje membrane može biti povezano s pakiranjem kateholamina u vezikule i eksportom kroz sinapsnu membranu.[34] 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.[35]
Tirozin-hidroksilaza se također može regulirati inhibicijom. Fosforilacija na Ser40 ublažava inhibiciju povratnih informacija kateholaminskog dopamina, epinefrina i norepinefrina.[36][37] Kateholamini zadržavaju gvožđe na aktivnom mjestu u stanju Fe (III), inhibirajući enzim.[7]
Pokazano je da na ekspresiju tirozin-hidroksilaze može uticati ekspresija SRY. Smanjena regulacija gena SRY u substantia nigra može rezultirati smanjenjem ekspresije tirozin-hidroksilaze.[38]
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.[40] 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) .[41] Dodatne promjene u aktivnosti enzima tirozin-hidroksilaze mogu biti uključene u poremećaje kao što su Segawina distonija, Parkinsonova bolest i shizofrenija.[22][42] Tirozin-hidroksilaza se aktivira vezivanjem ovisnim o fosforilaciji na 14-3-3 proteinima.[35] 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.[43] Pokazalo se da je aktivnost tirozin-hidroksilaze u mozgu pacijenata s Alzheimerovom bolešću značajno smanjena u usporedbi sa zdravim osobama.[44] Tirozin-hidroksilaza je također autoantigen u autoimunskom poliendokrinom sindromu (APS) tip I.[45]
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.[7] 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.[7]
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[46] i akvajamicin.[47]
^"Human PubMed Reference:". National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine.
^"Mouse PubMed Reference:". National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine.
^Kaufman S (1995). "Tyrosine hydroxylase". Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology. Advances in Enzymology - and Related Areas of Molecular Biology. 70. str. 103–220. doi:10.1002/9780470123164.ch3. ISBN978-0-470-12316-4. PMID8638482.
^ abcNagatsu T (1995). "Tyrosine hydroxylase: human isoforms, structure and regulation in physiology and pathology". Essays in Biochemistry. 30: 15–35. PMID8822146.
^Fitzpatrick PF (1994). "Kinetic Isotope Effects on Hydroxylation of Ring-Deuterated Phenylalanines by Tyrosine Hydroxylase Provide Evidence against Partitioning of an Arene Oxide Intermediate". Journal of the American Chemical Society. 116 (3): 1133–1134. doi:10.1021/ja00082a046.
^Kobayashi K, Kaneda N, Ichinose H, Kishi F, Nakazawa A, Kurosawa Y, Fujita K, Nagatsu T (Jun 1988). "Structure of the human tyrosine hydroxylase gene: alternative splicing from a single gene accounts for generation of four mRNA types". Journal of Biochemistry. 103 (6): 907–12. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a122386. PMID2902075.
^ abNakashima A, Hayashi N, Kaneko YS, Mori K, Sabban EL, Nagatsu T, Ota A (Nov 2009). "Role of N-terminus of tyrosine hydroxylase in the biosynthesis of catecholamines". Journal of Neural Transmission. 116 (11): 1355–62. doi:10.1007/s00702-009-0227-8. PMID19396395. S2CID930361.
^Obsilova V, Nedbalkova E, Silhan J, Boura E, Herman P, Vecer J, Sulc M, Teisinger J, Dyda F, Obsil T (Feb 2008). "The 14-3-3 protein affects the conformation of the regulatory domain of human tyrosine hydroxylase". Biochemistry. 47 (6): 1768–77. doi:10.1021/bi7019468. PMID18181650.
^ abGoodwill KE, Sabatier C, Marks C, Raag R, Fitzpatrick PF, Stevens RC (Jul 1997). "Crystal structure of tyrosine hydroxylase at 2.3 A and its implications for inherited neurodegenerative diseases". Nature Structural Biology. 4 (7): 578–85. doi:10.1038/nsb0797-578. PMID9228951. S2CID20007900.
^Goodwill KE, Sabatier C, Stevens RC (Sep 1998). "Crystal structure of tyrosine hydroxylase with bound cofactor analogue and iron at 2.3 A resolution: self-hydroxylation of Phe300 and the pterin-binding site". Biochemistry. 37 (39): 13437–45. doi:10.1021/bi981462g. PMID9753429.
^Ledley FD, DiLella AG, Kwok SC, Woo SL (Jul 1985). "Homology between phenylalanine and tyrosine hydroxylases reveals common structural and functional domains". Biochemistry. 24 (14): 3389–94. doi:10.1021/bi00335a001. PMID2412578.
^Haycock JW (Jul 1990). "Phosphorylation of tyrosine hydroxylase in situ at serine 8, 19, 31, and 40". The Journal of Biological Chemistry. 265 (20): 11682–91. PMID1973163.
^Roskoski R, Roskoski LM (Jan 1987). "Activation of tyrosine hydroxylase in PC12 cells by the cyclic GMP and cyclic AMP second messenger systems". Journal of Neurochemistry. 48 (1): 236–42. doi:10.1111/j.1471-4159.1987.tb13153.x. PMID2878973. S2CID14759673.
^Royo M, Fitzpatrick PF, Daubner SC (Feb 2005). "Mutation of regulatory serines of rat tyrosine hydroxylase to glutamate: effects on enzyme stability and activity". Archives of Biochemistry and Biophysics. 434 (2): 266–74. doi:10.1016/j.abb.2004.11.007. PMID15639226.
^Daubner SC, Lauriano C, Haycock JW, Fitzpatrick PF (Jun 1992). "Site-directed mutagenesis of serine 40 of rat tyrosine hydroxylase. Effects of dopamine and cAMP-dependent phosphorylation on enzyme activity". The Journal of Biological Chemistry. 267 (18): 12639–46. PMID1352289.
^Ramsey AJ, Fitzpatrick PF (Jun 1998). "Effects of phosphorylation of serine 40 of tyrosine hydroxylase on binding of catecholamines: evidence for a novel regulatory mechanism". Biochemistry. 37 (25): 8980–6. doi:10.1021/bi980582l. PMID9636040.
^Thibaut F, Ribeyre JM, Dourmap N, Meloni R, Laurent C, Campion D, Ménard JF, Dollfus S, Mallet J, Petit M (Feb 1997). "Association of DNA polymorphism in the first intron of the tyrosine hydroxylase gene with disturbances of the catecholaminergic system in schizophrenia". Schizophrenia Research. 23 (3): 259–64. doi:10.1016/s0920-9964(96)00118-1. PMID9075305. S2CID46062969.
^Steinacker P, Aitken A, Otto M (Sep 2011). "14-3-3 proteins in neurodegeneration". Seminars in Cell & Developmental Biology. 22 (7): 696–704. doi:10.1016/j.semcdb.2011.08.005. PMID21920445.
^Sawada M, Hirata Y, Arai H, Iizuka R, Nagatsu T (Mar 1987). "Tyrosine hydroxylase, tryptophan hydroxylase, biopterin, and neopterin in the brains of normal controls and patients with senile dementia of Alzheimer type". Journal of Neurochemistry. 48 (3): 760–4. doi:10.1111/j.1471-4159.1987.tb05582.x. PMID2879891.
^Hedstrand H, Ekwall O, Haavik J, Landgren E, Betterle C, Perheentupa J, Gustafsson J, Husebye E, Rorsman F, Kämpe O (Jan 2000). "Identification of tyrosine hydroxylase as an autoantigen in autoimmune polyendocrine syndrome type I". Biochemical and Biophysical Research Communications. 267 (1): 456–61. doi:10.1006/bbrc.1999.1945. PMID10623641.
^Ono M, Okamoto M, Kawabe N, Umezawa H, Takeuchi T (Mar 1971). "Oudenone, a novel tyrosine hydroxylase inhibitor from microbial origin". Journal of the American Chemical Society. 93 (5): 1285–6. doi:10.1021/ja00734a054. PMID5545929.
Masserano JM, Weiner N (1983). "Tyrosine hydroxylase regulation in the central nervous system". Molecular and Cellular Biochemistry. 53–54 (1–2): 129–52. doi:10.1007/BF00225250. PMID6137760. S2CID19361815.
Meloni R, Biguet NF, Mallet J (2002). "Post-genomic era and gene discovery for psychiatric diseases: there is a new art of the trade? The example of the HUMTH01 microsatellite in the Tyrosine Hydroxylase gene". Molecular Neurobiology. 26 (2–3): 389–403. doi:10.1385/MN:26:2-3:389. PMID12428766. S2CID8814324.
Haycock JW (Jul 1990). "Phosphorylation of tyrosine hydroxylase in situ at serine 8, 19, 31, and 40". The Journal of Biological Chemistry. 265 (20): 11682–91. PMID1973163.
Craig SP, Buckle VJ, Lamouroux A, Mallet J, Craig I (1986). "Localization of the human tyrosine hydroxylase gene to 11p15: gene duplication and evolution of metabolic pathways". Cytogenetics and Cell Genetics. 42 (1–2): 29–32. doi:10.1159/000132246. PMID2872999.
Grima B, Lamouroux A, Boni C, Julien JF, Javoy-Agid F, Mallet J (1987). "A single human gene encoding multiple tyrosine hydroxylases with different predicted functional characteristics". Nature. 326 (6114): 707–11. Bibcode:1987Natur.326..707G. doi:10.1038/326707a0. PMID2882428. S2CID4314044.
Kaneda N, Kobayashi K, Ichinose H, Kishi F, Nakazawa A, Kurosawa Y, Fujita K, Nagatsu T (Aug 1987). "Isolation of a novel cDNA clone for human tyrosine hydroxylase: alternative RNA splicing produces four kinds of mRNA from a single gene". Biochemical and Biophysical Research Communications. 146 (3): 971–5. doi:10.1016/0006-291X(87)90742-X. PMID2887169.
O'Malley KL, Anhalt MJ, Martin BM, Kelsoe JR, Winfield SL, Ginns EI (Nov 1987). "Isolation and characterization of the human tyrosine hydroxylase gene: identification of 5' alternative splice sites responsible for multiple mRNAs". Biochemistry. 26 (22): 6910–4. doi:10.1021/bi00396a007. PMID2892528.
Le Bourdellès B, Boularand S, Boni C, Horellou P, Dumas S, Grima B, Mallet J (Mar 1988). "Analysis of the 5' region of the human tyrosine hydroxylase gene: combinatorial patterns of exon splicing generate multiple regulated tyrosine hydroxylase isoforms". Journal of Neurochemistry. 50 (3): 988–91. doi:10.1111/j.1471-4159.1988.tb03009.x. PMID2892893. S2CID44602622.
Ginns EI, Rehavi M, Martin BM, Weller M, O'Malley KL, LaMarca ME, McAllister CG, Paul SM (maj 1988). "Expression of human tyrosine hydroxylase cDNA in invertebrate cells using a baculovirus vector". The Journal of Biological Chemistry. 263 (15): 7406–10. PMID2896667.
Kobayashi K, Kaneda N, Ichinose H, Kishi F, Nakazawa A, Kurosawa Y, Fujita K, Nagatsu T (Jun 1988). "Structure of the human tyrosine hydroxylase gene: alternative splicing from a single gene accounts for generation of four mRNA types". Journal of Biochemistry. 103 (6): 907–12. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a122386. PMID2902075.
Coker GT, Vinnedge L, O'Malley KL (Dec 1988). "Characterization of rat and human tyrosine hydroxylase genes: functional expression of both promoters in neuronal and non-neuronal cell types". Biochemical and Biophysical Research Communications. 157 (3): 1341–7. doi:10.1016/S0006-291X(88)81022-2. PMID2905129.
Vulliet PR, Woodgett JR, Cohen P (Nov 1984). "Phosphorylation of tyrosine hydroxylase by calmodulin-dependent multiprotein kinase". The Journal of Biological Chemistry. 259 (22): 13680–3. PMID6150037.
Zhou QY, Quaife CJ, Palmiter RD (Apr 1995). "Targeted disruption of the tyrosine hydroxylase gene reveals that catecholamines are required for mouse fetal development". Nature. 374 (6523): 640–3. Bibcode:1995Natur.374..640Z. doi:10.1038/374640a0. PMID7715703. S2CID4259663.
Knappskog PM, Flatmark T, Mallet J, Lüdecke B, Bartholomé K (Jul 1995). "Recessively inherited L-DOPA-responsive dystonia caused by a point mutation (Q381K) in the tyrosine hydroxylase gene". Human Molecular Genetics. 4 (7): 1209–12. doi:10.1093/hmg/4.7.1209. PMID8528210.
