ACETYLCHOLINESTERÁZA: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE A INHIBÍTORY - BIOLÓGIE

Acetylcholínesterázy (acetylcholín acetyl hydrolázy, EC 3.1.1.7) je enzým nachádza predovšetkým v centrálnom nervovom systéme. Jeho úlohou, ako už názov napovedá, je hydrolytické spracovanie neurotransmiteru acetylcholínu.

Je to enzým spojený s bunkovou membránou, ktorý spolupracuje s acetylcholínovým receptorom na sprostredkovaní excitácie postsynaptických buniek a ktorého katalytický mechanizmus je prekvapivo rýchly.

Štruktúra acetylcholinesterázy (Zdroj: Wikimedia Commons)

Z mechanického hľadiska sa tento enzým môže považovať za serín hydrolázu a v katalytickej doméne svojho aktívneho miesta obsahuje triádu aminokyselín charakteristických pre serínové proteázy: serín, histidín a kyslý zvyšok. Kyslým zvyškom je však glutamát, zatiaľ čo serínové proteázy normálne obsahujú aspartát.

Štruktúra acetylcholínu (Zdroj: Alinebloom prostredníctvom Wikimedia Commons)

Jedno z prvých pozorovaní, ktoré spájalo katalytickú aktivitu acetylcholinesterázy s cholinergnými nervovými tkanivami a svalovými tkanivami, urobil Dale v roku 1914; neskôr sa zistilo, že je tiež prítomný v necholinergných neurónoch a v hematopoetických, osteogénnych a neoplastických bunkách.

Vďaka štúdiu rôznych organizmov je v súčasnosti známe, že enzým je prítomný v membráne rôznych typov buniek, ako sú erytrocyty, nervové a svalové bunky, elektrické orgány a ďalšie.

štruktúra

Terciárna a kvartérna štruktúra

V prírodných alebo "in vivo" podmienkach je acetylcholinesteráza polymorfný enzým, ktorý sa skladá z niekoľkých katalytických podjednotiek s viac alebo menej 80 kDa, ktoré sa zostavujú tak, aby vytvorili oligomérnu štruktúru (z niekoľkých podjednotiek).

Množstvo a zložitosť týchto podjednotiek závisí od typu bunky a uvažovaného druhu.

Niektoré z komplexnejších foriem enzýmov majú katalytické podjednotky s globulárnymi (G) alebo asymetrickými (A) formami spojenými disulfidovými mostíkmi. Disulfidové mostíky sú kovalentné väzby tvorené medzi dvoma molekulami síry tiolových skupín (-SH) dvoch zvyškov cysteínu aminokyseliny.

Každá podjednotka G obsahuje jedno aktívne miesto, zatiaľ čo podjednotky A sa všeobecne vyznačujú tým, že majú tri štruktúrne domény, konkrétne: katalytické podjednotky, kolagénové zvyšky bohaté na zvyšky glycínu, hydroxyprolínu a hydroxylyzínu a ďalšie nekogénne gleje (odlišné od kolagénu).

Asymetrické formy acetylcholinesterázy sú známe ako A12, A8 a A4, ktoré majú 12, 8 a 4 katalytické podjednotky.

Zvyčajne sa zvyšky katalytickej domény v aktívnom mieste nachádzajú v „hlbokej“ oblasti podjednotiek, čo by sa mohlo považovať za protirečivé vzhľadom na rýchlu reakciu, ktorá katalyzuje tento enzým, a zjavnú neprístupnosť substrátu na tieto miesta. ,

Bez ohľadu na polymorfizmus enzýmu majú globálne aj asymetrické podjednotky podobné katalytické aktivity.

varianty

Niektoré bunky iné ako nervové bunky, ako sú erytrocyty, produkujú acetylcholinesterázové enzýmy, ktoré sú prevažne guľovité, dimérne a väčšinou spojené s vonkajšou stranou plazmovej membrány.

Enzým erytrocytov, hoci má menšiu štrukturálnu zložitosť, je tiež amfipatickým enzýmom, ktorého aktívna katalytická doména sa nachádza vo veľkej hydrofilnej oblasti, zatiaľ čo hydrofóbna doména, ktorá obsahuje karboxylovú koncovú oblasť, je zodpovedná za jej udržanie v membráne. ,

Primárna štruktúra

Väčšina súčasných poznatkov o sekvencii acetylcholinesterázy vyplynula zo štúdie enzýmu Torpedo californica, stingray ryby, ktorá žije v Tichom oceáne a ktorá sa tradične používa ako modelový organizmus na štúdium rôznych proteínov nervovej sústavy.

Podjednotky acetylcholínesterázy sa syntetizujú ako proproteíny, ktoré sa potom spracujú na zrelé podjednotky. Každá podjednotka pozostáva z polypeptidu s asi 575 aminokyselinami a molekulovou hmotnosťou 65 kDa, ktorý sa zvyšuje pridaním 7 až 8% uhľohydrátových zvyškov (glykozylácia).

Katalytická aktivita aktívneho miesta podjednotiek je určená serínovým zvyškom v polohe 200, ktorý sa nachádza v „hlbokej“ oblasti katalytických podjednotiek.

Rôzne varianty alebo izoformy enzýmu existujú v organizmoch vďaka rôznym miestam pre „alternatívne zostrihovanie“ RNA prenášajúcich posolstvo na oboch ich koncoch (5 'a 3'). Karboxylová koncová sekvencia izoformy každej podjednotky je to, čo určuje zostavenie oligomérov navzájom.

Vlastnosti

Acetylcholinesteráza je enzým s mnohými biologickými funkciami, ktoré nemusia spolu navzájom súvisieť. Skutočnosť, ktorá sa prejavuje jeho diferenciálnou expresiou počas embryogenézy, embryonálneho nervového predĺženia, vývoja svalov a synaptogenézy.

Ako bolo zdôraznené vyššie, má dôležitú úlohu pri rýchlej hydrolýze acetylcholínu, a teda pri regulácii jeho účinku v neuromuskulárnom synaptickom priestore alebo v cholinergných synaptických priestoroch centrálneho nervového systému.

Príkladom jeho funkcií je kontrakcia kostrového svalu, ku ktorej dochádza vďaka typu chemickej synapsie známej ako motorická doska, ktorá sa nachádza medzi motorickým neurónom a svalovým vláknom.

V tejto synapsii sa získajú stovky acetylcholínom naložených vezikúl, ktoré sa uvoľňujú z motorického neurónu na šírenie elektrického impulzu.

Tento proces neurotransmisie je pomerne komplexný, avšak účasť acetylcholinesterázy je rozhodujúca pre ukončenie synaptického prenosu, ktorý závisí od neurotransmitera acetylcholínu, pretože musí byť degradovaný a potom musí difundovať mimo synaptickú štrbinu, aby vyvrcholil membránová excitácia.

Enzým acetylcholinesteráza je teda zodpovedná za reguláciu koncentrácie tohto vysielača v neuromotorickej synapsii.

Iné „neklasické“ funkcie enzýmu súvisia s neuritogenézou alebo rastom nervových buniek; s procesmi bunkovej adhézie, synaptogenézy, aktivácie neurónov-dopamínu v substantia nigra stredného mozgu, hematopoetických procesov a poetického trombu.

inhibítory

Inhibítory acetylcholínesterázy pôsobia tak, že jej bránia v hydrolýze acetylcholínu, čím zvyšujú hladinu a trvanie účinku tohto neurotransmitera. Podľa mechanizmu ich pôsobenia môžu byť klasifikované ako reverzibilné a nevratné.

Nevratné inhibítory

Sú to také, ktoré ireverzibilne inhibujú hydrolytickú aktivitu acetylcholínesterázy jej kovalentnou väzbou na serínový zvyšok v aktívnom mieste enzýmu. Táto skupina je zložená hlavne z organofosfátov.

Všeobecne sa jedná o účinné látky nachádzajúce sa v mnohých insekticídoch a sú zodpovedné za veľké množstvo náhodných otrav. Sú to estery alebo tioly odvodené od kyseliny fosforečnej, fosfónovej, fosfínovej alebo fosforamidovej.

Sarin, tabun, soman a cyklosarin patria medzi najtoxickejšie zlúčeniny syntetizované človekom, pretože môžu zabíjať človeka tým, že indukujú zlyhanie dýchacích ciest a obehového systému blokovaním acetylcholinesterázy v periférnom nervovom systéme.

Molekulárna štruktúra inhibítora organofosfátov «Sarin» (Zdroj: Sivizius prostredníctvom Wikimedia Commons)

Sarin je napríklad „nervový plyn“, ktorý sa používa ako chemická zbraň na teroristické použitie.

Reverzibilné inhibítory

Toto poradie klasifikačných skupín konkurenčných a nekompetitívnych inhibítorov, ktoré pôsobia cez prechodnú a reverzibilnú karbamyláciu serínového zvyšku v aktívnom mieste a mnohé z nich boli syntetizované a purifikované z rastlinných alebo hubových zdrojov.

Karbamáty, ako je fyzostigmín a neostigmín, sú reverzibilné inhibítory, ktoré sa používajú ako liečivá na liečenie chorôb, ako je glaukóm a myasténia gravis.

Iné terapeutické látky v tejto skupine sa tiež používajú na liečbu Alzheimerovej choroby, Parkinsonovej choroby, pooperačných intestinálnych obštrukcií (pooperačný ileus), distenzie močového mechúra a ako antidotá pri predávkovaní anticholinergikami.

butyrylcholínesterázy

Zaujímavý prírodný mechanizmus proti niektorým látkam inhibujúcim acetylcholinesterázu súvisí s účasťou menej špecifického enzýmu známeho ako butyrylcholinesteráza.

Tento enzým je tiež schopný hydrolyzovať acetylcholín a súčasne môže pôsobiť ako molekulárna návnada, ktorá reaguje s týmito toxínmi predtým, ako uplatnia svoj negatívny účinok na acetylcholinesterázu.

Acetylcholinesteráza a Alzheimerova choroba

Ukázalo sa, že acetylcholinesteráza tvorí stabilný komplex so zložkami senilných plakov charakteristických pre patológiu. Ďalej, niektoré zmenené glykozylačné vzorce tohto enzýmu súviseli s prítomnosťou a tvorbou amyloidných plakov v mozgu.

Mnohé z reverzibilných inhibítorov acetylcholínesterázy sa preto použili ako lieky prvej generácie na liečenie tohto ochorenia a iných súvisiacich neurodegeneratívnych stavov. Patria sem donepezil, rivastigmín a galantamín.

Referencie

Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, a Sussman, JL (2010). Acetylcholinesteráza: Od 3D štruktúry k funkcii. Chemico-Biological Interactions, 187, 10–22.
Houghton, P., Ren, Y. a Howes, M. (2006). Inhibítory acetylcholínesterázy z rastlín a húb. Natural Product Reports, 23, 181 - 1991.
Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM a Vasi, VM (2013). Inhibítory acetylcholínesterázy: Farmakológia a toxikológia. Current Neuropharmacology, 11, 315 - 335.
Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M. a Houghton, PJ (2007). Inhibítory acetylcholinesterázy z rastlín. Phytomedicine, 14, 289 - 300.
Quinn, DM (1987). Acetylcholinesteráza: štruktúra enzýmu, reakčná dynamika a virtuálne prechodné stavy. Chem. Rev., 87, 955 - 979.
Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Inhibítory acetylcholínesterázy: nové aktivity starých molekúl. Pharmacological Research, 50, 441-451.
Rosenberry, T. (1975). Acetylcholínesterázy. Pokroky v enzymológii a príbuzných oblastiach molekulárnej biológie, 43, 103–218.
Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesteráza - nové úlohy pre starého herca. Nature Reviews, 2, 294-302.
Talesa, VN (2001). Acetylcholinesteráza pri Alzheimerovej chorobe. Mechanizmy starnutia a rozvoja, 122, 1961-1969.

ACETYLCHOLINESTERÁZA: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE A INHIBÍTORY - BIOLÓGIE - 2024