Strukturelle antioxidative Funktionen von Tyrosin und Tryptophan in Membranproteinen und Peptidhormonen

Abstract

Die Transmembrandomänen integraler Membranproteine zeigen eine außergewöhnliche Anreicherung mit den Aminosäuren Tyrosin und Tryptophan, besonders ausgeprägt in der Region, die dem Bereich der höchsten Dichte in der Lipidmembran entspricht. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, daß diese beiden Aminosäuren essentielle antioxidative Funktionen in der Lipidmembran ausüben und die Zelle vor oxidativer Zerstörung schützen. Tyrosin und Tryptophan enthaltende Peptide mit Sequenzen, wie sie in den Transmembrandomänen verschiedener integraler Membranproteine auftauchen, verhindern die Disintegration der Zellmembran und den Zelltod neuronaler Zellen unter oxidativem Streß. Langkettig acylierte Tyrosin- und Tryptophanderivate, nicht jedoch Derivate des Phenylalanins, anderer Aminosäuren, und auch nicht nur kurzkettig acylierte Derivate, sind effektive Inhibitoren der zellulären Peroxidakkumulation, der Lipidperoxidation sowie des oxidativen Zelltods. Die antioxidative Funktion von intramembranärem Tyrosin und Tryptophan liefert eine spezifische Erklärung für ihr distinktes Verteilungsmuster in Transmembranproteinen sowie möglicherweise auch für die hohe Vulnerabilität der sich durch einen sehr niedrigen Membranproteingehalt auszeichnenden neuronalen Membranen gegenüber oxidativem Streß. Diese hohe Vulnerabilität wird bei verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet, und langkettig acylierte Tyrosin- und Tryptophanderivate könnten Dank ihrer potentiellen Blut-Hirn-Schrankengängigkeit interessante Leitstrukturen für die pharmazeutische Entwicklung neuroprotektiver Agentien sein. Peptidhormone sind eine zweite, in dieser Arbeit neu beschriebene Klasse endogener, antioxidativ wirksamer Strukturen, deren radikalmodulatorische Effekte auf ihren Tyrosin-und Tryptophangehalt zurückzuführen sind. Die kurzkettigen sekretorischen Peptide LHRH, Enkephalin, Angiotensin und Oxytocin wirken als biochemische Antioxidantien in wäßrigen Systemen. Sie reagieren direkt mit freien Peroxylradikalen, verhindern die Oxidation von LDL, und sie hemmen die Peroxidation von Hirnmembranen. Außerdem sättigen sie reaktive Stickstoffspezies wie Stickstoffmonoxid und Peroxynitrit ab und wirken als direkte Spinquencher, wobei ihre antioxidativen Eigenschaften auf dem Vorhandensein frei zugänglicher Tyrosin- und Tryptophanreste beruhen. Als Produkte aus der Reaktion von Peptidhormonen mit freien Radikalen lassen sich verschiedene Peptid-Radikal-Addukte sowie auch modifizierte Peptiddimere nachweisen. Signifikante antioxidative Effekte werden in nanomolaren Konzentrationen beobachtet. Vermutlich stellen sekretorische Peptidhormone somit einen wichtigen Teil des endogenen antioxidativen Verteidigungssystems dar, und die direkte chemische Wechselwirkung zwischen radikalischen Signalmolekülen wie Peroxynitrit und Peptidhormonen könnte ein ungewöhnlicher Typus des Crosstalks zwischen biologischen Signalen sein. Das Potential der beschriebenen Antioxidantien für die Entwicklung neuer Pharmaka für den Einsatz bei degenerativen Erkrankungen des Menschen wird diskutiert. Schließlich werden die gefundenen, generellen antioxidativen Eigenschaften Tyrosin- und Tryptophan-tragender Strukturen mit einigen bislang nicht in diesem Zusammenhang diskutierten biochemischen Erkenntnissen in Beziehung gesetzt, und es wird die Hypothese aufgestellt, daß Tyrosin und Tryptophan evolutiv sehr junge Aminosäuren sind, die erst nach dem Auftreten von Sauerstoff in der Biosphäre vor 2,5 Milliarden Jahren zu den anderen codierten Aminosäuren hinzugekommen sind.

The transmembrane domains of integral membrane proteins show an astounding accumulation of tyrosine and tryptophan residues, especially in the membrane region with the highest lipid density. It is shown that these residues perform vital antioxidant functions inside lipid bilayers and protect cells from oxidative destruction. First, tyrosine- and tryptophan-containing peptides representing stretches from the transmembrane domains of different integral membrane proteins prevent oxidative lysis in neuronal cells. Second, long- chain acylated tyrosine and tryptophan, but not phenylalanine, other amino acids, or short-chain acylated derivatives, are potent inhibitors of intracellular peroxide accumulation, lipid peroxidation, and oxidative cell death of clonal cells, primary neurons and organotypic slice cultures. The antioxidant functions of tyrosine and tryptophan provide a specific explanation for (i) their unique transmembrane distribution pattern and (ii) the high vulnerabiliy of low-protein neuronal membranes to oxidative stress, which is a characteristic phenomenon observed in neurodegenerative disorders. Due to their high antioxidant efficacy and their presumed active passage through the blood-brain barrier, long-chain acylated tyrosine and tryptophan derivatives might be very promising lead structures for neuroprotective drug design. A second novel class of endogenous antioxidant structures whose radical-modulatory effects are based on tyrosine and tryptophan residues, are peptide hormones. The short-chain secretory peptides luteinizing hormone releasing hormone (LHRH), enkephalin, angiotensin, and oxytocin, are biochemical antioxidants in aqueous medium. They directly scavenge free peroxyl radicals, they prevent the oxidation of low-density lipoprotein, and they inhibit lipid peroxidation in brain membranes. Their capacity to directly suppress free radical-mediated reactions is demonstrated by electron spin resonance spectroscopy. Electrospray ionisation mass spectrometry analysis of the free radical-quenching reaction reveals distinct oxidation products, including peptide dimers. Moreover, secretory peptide hormones can scavenge reactive nitrogen species derived from nitric oxide and peroxynitrite. A structure-activity relationship analysis indicates that their antioxidant activity is based on the occurrence of solvent-exposed tyrosine and tryptophan residues, which is consistent with the mass spectrometry results. Significant effects in vitro can be observed at nanomolar concentrations, which makes these peptides comparable in potency to classical low molecular mass antioxidants. It is concluded that (i) secretory peptide hormones may constitute an important part of the endogenous antioxidant defence system, and that (ii) the immediate chemical interaction between radical signalling molecules and peptide hormones might represent a special type of direct cross- talk between biological signals. The potential of the described novel antioxidant molecules with respect to drug design and pharmacological use in human disease is discussed. Finally, the elucidated general antioxidant properties of tyrosine- and tryptophan-based cellular structures are combined with biochemical knowledge from other disciplines leading to the hypothesis that tyrosine and tryptophan may be two young amino acids from an evolutionary point of view, whose advent might have been triggered by the appearance of molecular oxygen in the biosphere 2.5 billion years ago.