ACETYLOCHOLINOESTERAZA: BUDOWA, FUNKCJE I INHIBITORY - BIOLOGIA - 2025

Acetylocholinoesterazy (acetylocholiny acetylo hydrolaza EC 3.1.1.7) jest enzymem występującym głównie w ośrodkowym układzie nerwowym. Jej zadaniem, jak sama nazwa wskazuje, jest hydrolityczna obróbka neuroprzekaźnika acetylocholiny.

Jest to enzym związany z błoną komórkową, który współpracuje z receptorem acetylocholiny, pośrednicząc w pobudzaniu komórek postsynaptycznych i którego mechanizm katalityczny jest zaskakująco szybki.

Struktura acetylocholinoesterazy (źródło: Wikimedia Commons)

Z mechanicznego punktu widzenia enzym ten można postrzegać jako hydrolazę serynową, a w domenie katalitycznej swojego miejsca aktywnego zawiera triadę aminokwasów charakterystycznych dla proteaz serynowych: serynę, histydynę i resztę kwasową. Jednak kwasową resztą jest glutaminian, podczas gdy proteazy serynowe zwykle posiadają asparaginian.

Struktura acetylocholiny (źródło: Alinebloom za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Jedną z pierwszych obserwacji łączących katalityczną aktywność acetylocholinoesterazy z cholinergicznymi tkankami nerwowymi i tkankami mięśniowymi dokonał Dale w 1914 roku; później ustalono, że występuje również w neuronach niecholinergicznych oraz komórkach krwiotwórczych, osteogennych i nowotworowych.

Dzięki badaniom różnych organizmów obecnie wiadomo, że enzym występuje w błonie różnych typów komórek, takich jak erytrocyty, komórki nerwowe i mięśniowe, narządy elektryczne i inne.

Struktura

Struktura trzeciorzędowa i czwartorzędowa

W warunkach naturalnych lub „in vivo” acetylocholinoesteraza jest polimorficznym enzymem, który składa się z kilku podjednostek katalitycznych o mniej więcej 80 kDa, które łączą się, tworząc strukturę oligomeryczną (z kilku podjednostek).

Ilość i złożoność tych podjednostek zależy od typu komórki i rozpatrywanego gatunku.

Niektóre z bardziej złożonych form enzymów mają podjednostki katalityczne z formami kulistymi (G) lub asymetrycznymi (A) połączonymi mostkami disiarczkowymi. Mostki dwusiarczkowe to wiązania kowalencyjne utworzone między dwiema cząsteczkami siarki grup tiolowych (-SH) dwóch reszt aminokwasu cysteiny.

Każda podjednostka G zawiera pojedyncze miejsce aktywne, podczas gdy podjednostki A ogólnie charakteryzują się trzema domenami strukturalnymi, a mianowicie: podjednostkami katalitycznymi, ogonami kolagenopodobnymi bogatymi w reszty glicyny, hydroksyproliny i hydroksylizyny oraz inne kleje niekolagenowe (inne niż kolagenowe).

Asymetryczne postacie acetylocholinoesterazy są znane jako A12, A8 i A4, które mają odpowiednio 12, 8 i 4 podjednostki katalityczne.

Ogólnie reszty domeny katalitycznej w miejscu aktywnym znajdują się w „głębokim” regionie podjednostek, co może być postrzegane jako sprzeczne w odniesieniu do dużej szybkości reakcji, która katalizuje ten enzym i pozornej niedostępności substratu do tych miejsc. .

Niezależnie od polimorfizmu enzymu, zarówno podjednostki kuliste, jak i asymetryczne mają podobną aktywność katalityczną.

Warianty

Niektóre komórki inne niż komórki nerwowe, takie jak erytrocyty, wytwarzają enzymy acetylocholinoesterazy, które są głównie globularne, dimeryczne i głównie związane z zewnętrzną powierzchnią błony komórkowej.

Enzym erytrocytów, chociaż ma mniejszą złożoność strukturalną, jest również enzymem amfipatycznym, którego aktywna domena katalityczna znajduje się w dużym regionie hydrofilowym, podczas gdy domena hydrofobowa, która zawiera region końca karboksylowego, jest odpowiedzialna za utrzymanie go w błonie .

Podstawowa struktura

Znaczna część aktualnej wiedzy na temat sekwencji acetylocholinoesterazy pochodzi z badań enzymu Torpedo californica, płaszczki żyjącej na Oceanie Spokojnym, która jest tradycyjnie wykorzystywana jako organizm modelowy do badania różnych białek układu nerwowego.

Podjednostki acetylocholinoesterazy są syntetyzowane jako probiałka, które są następnie przetwarzane w celu uzyskania dojrzałych podjednostek. Każda podjednostka składa się z polipeptydu o około 575 aminokwasach i masie cząsteczkowej 65 kDa, zwiększonej przez dodanie 7-8% reszt węglowodanowych (glikozylacja).

Aktywność katalityczną centrum aktywnego podjednostek określa reszta seryny w pozycji 200, która znajduje się w „głębokim” regionie podjednostek katalitycznych.

W organizmach istnieją różne warianty lub izoformy enzymu dzięki różnym miejscom „alternatywnego składania” pre-informacyjnego RNA na obu końcach (5 'i 3'). Sekwencja końca karboksylowego izoformy każdej podjednostki jest tym, co określa łączenie się oligomerów ze sobą.

cechy

Acetylocholinoesteraza jest enzymem o wielu funkcjach biologicznych, które niekoniecznie są ze sobą powiązane. Fakt ten potwierdza zróżnicowana ekspresja w czasie embriogenezy, rozszerzenia nerwów embrionalnych, rozwoju mięśni i synaptogenezy.

Jak podkreślono powyżej, odgrywa ważną rolę w szybkiej hydrolizie acetylocholiny, a tym samym w regulacji jej działania w przestrzeni synaptycznej nerwowo-mięśniowej lub w cholinergicznych przestrzeniach synaptycznych ośrodkowego układu nerwowego.

Przykładem jego funkcji jest skurcz mięśnia szkieletowego, który zachodzi dzięki rodzajowi synapsy chemicznej zwanej płytką motoryczną, zlokalizowanej pomiędzy neuronem ruchowym a włóknem mięśniowym.

W synapsie wytwarzane są setki pęcherzyków obciążonych acetylocholiną, które są uwalniane z neuronu ruchowego w celu propagacji impulsu elektrycznego.

Ten proces neuroprzekaźnictwa jest dość złożony, jednak udział acetylocholinoesterazy ma kluczowe znaczenie dla zakończenia transmisji synaptycznej, która zależy od neuroprzekaźnika acetylocholiny, ponieważ musi zostać zdegradowana, a następnie musi dyfundować poza szczelinę synaptyczną, aby zakończyć się wzbudzenie membrany.

Zatem enzym acetylocholinoesteraza jest odpowiedzialny za regulację stężenia tego przekaźnika w synapsie neuromotorycznej.

Inne „nieklasyczne” funkcje enzymu są związane z neurytogenezą lub wzrostem komórek nerwowych; m.in. z procesami adhezji komórek, synaptogenezy, aktywacją neuronów dopaminy w istocie czarnej śródmózgowia, procesami krwiotwórczymi i skrzepliną poetyczną.

Inhibitory

Inhibitory acetylocholinoesterazy działają zapobiegając jej hydrolizie acetylocholiny, zwiększając tym samym poziom i czas działania tego neuroprzekaźnika. Ze względu na mechanizm działania można je sklasyfikować jako odwracalne i nieodwracalne.

Nieodwracalne inhibitory

Są to takie, które nieodwracalnie hamują hydrolityczną aktywność acetylocholinoesterazy poprzez jej kowalencyjne wiązanie z resztą seryny w miejscu aktywnym enzymu. Ta grupa składa się głównie z organofosforanów.

Ogólnie są to związki czynne występujące w wielu środkach owadobójczych i odpowiedzialne za dużą liczbę przypadkowych zgonów spowodowanych zatruciem. Są to estry lub tiole pochodzące z kwasu fosforowego, fosfonowego, fosfinowego lub fosforoamidowego.

Sarin, tabun, soman i cyklosaryna należą do najbardziej toksycznych związków syntetyzowanych przez człowieka, ponieważ mogą zabić człowieka poprzez wywołanie niewydolności oddechowej i krążenia poprzez blokowanie acetylocholinoesterazy w obwodowym układzie nerwowym.

Struktura molekularna inhibitora fosforoorganicznego «Sarin» (źródło: Sivizius za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Na przykład Sarin to „gaz paraliżujący” używany jako broń chemiczna do celów terrorystycznych.

Odwracalne inhibitory

Ta kolejność klasyfikacji grup konkurencyjnych i niekonkurencyjnych inhibitorów, które działają poprzez przejściową i odwracalną karbamylację reszty seryny w miejscu aktywnym i wiele z nich zsyntetyzowano i oczyszczono ze źródeł roślinnych lub grzybowych.

Karbaminiany, takie jak fizostygmina i neostygmina, są odwracalnymi inhibitorami, które są stosowane jako leki do leczenia chorób, takich jak odpowiednio jaskra i miastenia.

Inne środki lecznicze z tej grupy są również stosowane w leczeniu choroby Alzheimera, choroby Parkinsona, pooperacyjnych niedrożności jelit (pooperacyjna niedrożność jelit), wzdęcia pęcherza oraz jako odtrutki na przedawkowanie leków przeciwcholinergicznych.

Butyrylocholinesteraza

Ciekawy naturalny mechanizm przeciwko niektórym substancjom hamującym acetylocholinoesterazę ma związek z udziałem mniej specyficznego enzymu znanego jako butyrylocholinoesteraza.

Enzym ten jest również zdolny do hydrolizowania acetylocholiny, a jednocześnie może działać jako wabik molekularny, który reaguje z tymi toksynami, zanim wywrą negatywny wpływ na acetylocholinoesterazę.

Acetylocholinesteraza i choroba Alzheimera

Wykazano, że acetylocholinoesteraza tworzy stabilny kompleks ze składnikami płytek starczych charakterystycznych dla tej patologii. Co więcej, niektóre zmienione wzorce glikozylacji tego enzymu zostały powiązane z obecnością i tworzeniem się blaszek amyloidowych w mózgu.

Dlatego też wiele odwracalnych inhibitorów acetylocholinoesterazy stosowano jako leki pierwszej generacji do leczenia tej choroby i innych powiązanych schorzeń neurodegeneracyjnych. Należą do nich donepezil, rywastygmina i galantamina.

Bibliografia

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetylocholinoesteraza: od struktury 3D do funkcji. Interakcje chemiczno-biologiczne, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y. i Howes, M. (2006). Inhibitory acetylocholinoesterazy z roślin i grzybów. Natural Product Reports, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM i Vasi, VM (2013). Inhibitory acetylocholinoesterazy: farmakologia i toksykologia. Current Neuropharmacology, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M. i Houghton, PJ (2007). Inhibitory acetylocholinoesterazy z roślin. Phytomedicine, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylocholinesteraza: struktura enzymu, dynamika reakcji i wirtualne stany przejściowe. Chem. Rev., 87,955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Inhibitory acetylocholinoesterazy: nowe działanie starych cząsteczek. Pharmacological Research, 50, 441–451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylocholinoesteraza. Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology, 43, 103–218.
8. Soreq, H. i Seidman, S. (2001). Acetylocholinesteraza - nowe role dla starego aktora. Nature Reviews, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylocholinesteraza w chorobie Alzheimera. Mechanizmy starzenia się i rozwoju, 122, 1961–1969.