ACETILHOLINESTERAZA: STRUKTURA, FUNKCIJE IN INHIBITORJI - BIOLOGIJA - 2026

Acetilholinesterazo (acetilholin acetil hidrolaze, ES 3.1.1.7) je encim, najdemo predvsem v centralnem živčnem sistemu. Kot pove že ime, je njegova naloga hidrolatna obdelava nevrotransmiterja acetilkolina.

To je encim, povezan s celično membrano, ki deluje skupaj z acetilholinskim receptorjem, da posreduje vzbujanje postinaptičnih celic in katerih katalitični mehanizem je presenetljivo hiter.

Struktura acetilholinesteraze (Vir: Wikimedia Commons)

Z mehanskega vidika lahko ta encim vidimo kot serin hidrolazo, v katalitičnem domenu njegovega aktivnega mesta pa vsebuje triado aminokislin, značilnih za serinske proteaze: serin, histidin in kisli ostanek. Vendar je kisli ostanek glutamat, medtem ko imajo serinske proteaze običajno aspartat.

Struktura acetilholina (vir: Alinebloom prek Wikimedia Commons)

Dale je leta 1914 izdelal eno prvih opažanj, ki je povezovala katalitično aktivnost acetilholinesteraze s holinergičnimi živčnimi tkivi in ​​mišičnimi tkivi; pozneje je bilo ugotovljeno, da je prisoten tudi v ne-holinergičnih nevronih in v hematopoetskih, osteogenih in neoplastičnih celicah.

Zahvaljujoč preučevanju različnih organizmov je trenutno znano, da je encim prisoten v membrani različnih vrst celic, kot so eritrociti, živčne in mišične celice, električni organi in drugi.

Struktura

Terciarna in kvartarna zgradba

V naravnih pogojih ali "in vivo" je acetilholinesteraza polimorfni encim, ki je sestavljen iz več katalitičnih podenot več ali manj 80 kDa, ki se sestavljajo in tvorijo oligomerno strukturo (iz več podenot).

Količina in kompleksnost teh podenot je odvisna od vrste celice in obravnavane vrste.

Nekatere bolj zapletene encimske oblike imajo katalitične podenote z globularnimi (G) ali asimetričnimi (A) oblikami, ki jih povezujejo disulfidni mostovi. Disulfidni mostovi so kovalentne vezi, ki nastanejo med dvema molekulama žvepla tiolnih skupin (-SH) dveh ostankov aminokisline cistein.

Vsaka podenota G vsebuje eno aktivno mesto, medtem ko je za podenote A značilno tri strukturne domene, in sicer: katalitična podenota, kolagenom podobne repove, bogate z ostanki glicina, hidroksiprolina in hidroksilizina in druge nekolagena lepila (različna od kolagena).

Asimetrične oblike acetilholinesteraze so znane kot A12, A8 in A4, ki imajo 12, 8 in 4 katalitične podenote.

Na splošno ostanke katalitske domene na aktivnem mestu najdemo v "globokem" območju podenot, kar bi lahko bilo videti nasprotujoče glede na hitrost reakcije, ki katalizira ta encim, in navidezno nedostopnost substrata do teh mest .

Ne glede na polimorfizem encima imajo globularne in asimetrične podenote podobne katalitične aktivnosti.

Variante

Nekatere celice, razen živčnih celic, na primer eritrociti, proizvajajo encime acetilholinesteraze, ki so pretežno globularni, dimerni in so večinoma povezani z zunanjo stranjo plazemske membrane.

Encitrocitni encim, čeprav manjše strukturne zapletenosti, je tudi amfipatski encim, katerega aktivno katalitično domeno najdemo v velikem hidrofilnem območju, medtem ko je hidrofobna domena, ki vsebuje karboksilno terminalno območje, odgovorna za njegovo vzdrževanje v membrani .

Primarna struktura

Večina sedanjega znanja o zaporedju acetilholinesteraze je nastala pri preučevanju encima Torpedo californica, ribe, ki živi v Tihem oceanu in ki se tradicionalno uporablja kot vzorčni organizem za preučevanje različnih beljakovin živčnega sistema.

Podenote acetilkolinesteraze so sintetizirane kot pro-beljakovine, ki se nato predelajo, da nastanejo zrele podenote. Vsaka podenota je sestavljena iz polipeptida z okoli 575 aminokislinami in 65 kDa molekulsko maso, ki se poveča z dodatkom 7-8% ogljikovih hidratnih ostankov (glikozilacija).

Katalitična aktivnost aktivnega mesta podenot je določena s serinskim ostankom na položaju 200, ki ga najdemo v "globokem" območju katalitične podenote.

Različne variante ali izoforme encima obstajajo v organizmih zaradi različnih mest za "alternativno spajanje" RNA pred messengerjem na obeh njihovih koncih (5 'in 3'). Karboksilno-končno zaporedje izoforme vsake podenote je tisto, kar določa sestavljanje oligomerov med seboj.

Lastnosti

Acetilholinesteraza je encim z več biološkimi funkcijami, ki niso nujno povezane med seboj. Dejstvo je potrjeno z diferencialnim izražanjem med embriogenezo, embrionalnim nevralnim podaljševanjem, razvojem mišic in sinaptogenezo.

Kot je poudarjeno zgoraj, ima pomembno vlogo pri hitri hidrolizi acetilholina in zato pri uravnavanju njegovega učinka v živčno-mišičnem sinaptičnem prostoru ali v holinergičnih sinaptičnih prostorih centralnega živčnega sistema.

Primer njegovih funkcij je krčenje skeletne mišice, do katerega pride zaradi vrste kemične sinapse, imenovane motorna plošča, ki se nahaja med motoričnim nevronom in mišičnim vlaknom.

V tej sinapsi dobimo na stotine napolnjenih z acetilholinom veziklov, ki se sprostijo iz motoričnega nevrona za širjenje električnega impulza.

Ta nevrotransmisija je precej zapletena, vendar je udeležba acetilholinesteraze ključnega pomena za prekinitev sinaptičnega prenosa, ki je odvisen od nevrotransmiterja acetilholina, saj mora biti razkrojen in nato razpršen zunaj sinaptične razcepke, da doseže vrhunec membransko vzbujanje.

Tako je encim acetilholinesteraza odgovoren za uravnavanje koncentracije tega prenašalca v nevromotorni sinapsi.

Druge "neklasične" funkcije encima so povezane z nevritogenezo ali rastjo živčnih celic; s postopki celične adhezije, sinaptogeneze, aktivacije nevronov-dopamina v substanci nigra srednjega mozga, hematopoetskih procesov in poetičnega tromba.

Zaviralci

Zaviralci acetilkolinesteraze delujejo tako, da preprečujejo hidrolizo acetilholina in s tem povečajo stopnjo in trajanje delovanja tega nevrotransmiterja. Glede na mehanizem delovanja jih lahko razvrstimo med reverzibilne in nepovratne.

Nepovratni inhibitorji

Ti so tisti, ki nepovratno zavirajo hidrolizno aktivnost acetilholinesteraze z njeno kovalentno vezavo na serinski ostanek na aktivnem mestu encima. To skupino sestavljajo predvsem organofosfati.

Na splošno so to aktivne spojine, ki jih najdemo v številnih insekticidih in so odgovorne za veliko število naključnih smrti zaradi zastrupitve. So estri ali tioli, pridobljeni iz fosforne, fosfonske, fosfinske ali fosforamidne kisline.

Sarin, tabun, soman in ciklosarin spadajo med najbolj strupene spojine, ki jih je sintetiziral človek, saj lahko ubijejo človeka s tem, da povzročijo odpoved dihal in obtočil z blokiranjem acetilholinesteraze v perifernem živčnem sistemu.

Molekularna struktura zaviralca organofosfata «Sarin» (Vir: Sivizius via Wikimedia Commons)

Sarin je na primer "živčni plin", ki je bil uporabljen kot kemično orožje za teroristično uporabo.

Reverzibilni inhibitorji

Ta vrstni red razvrstitve konkurenčnih in nekonkurenčnih zaviralcev, ki delujejo s prehodnim in reverzibilnim karbamilacijo serinskega ostanka na aktivnem mestu in so bili številni sintetizirani in očiščeni iz rastlinskih ali glivičnih virov.

Karbamati, kot sta fizostigmin in neostigmin, so reverzibilni inhibitorji, ki se uporabljajo kot zdravila za zdravljenje bolezni, kot sta glavkom in miastenija gravis.

Druga terapevtska sredstva v tej skupini se uporabljajo tudi za zdravljenje Alzheimerjeve bolezni, Parkinsonove bolezni, pooperativnih črevesnih obstrukcij (pooperativni ileus), odvajanja mehurja in kot antidotov za antiholinergično preveliko odmerjanje.

Butirilholinesteraza

Zanimiv naravni mehanizem proti nekaterim zaviralcem acetilholinesteraze je povezan s sodelovanjem manj specifičnega encima, znanega kot butirilkolinesteraza.

Ta encim je sposoben hidrolizirati acetilholin, hkrati pa lahko deluje kot molekulski okras, ki reagira s temi toksini, preden negativno vplivajo na acetilkolinesterazo.

Acetilholinesteraza in Alzheimerjeva bolezen

Pokazalo se je, da acetilkolinesteraza tvori stabilen kompleks s sestavinami senilnih oblog, značilnih za patologijo. Poleg tega so bili nekateri spremenjeni vzorci glikozilacije tega encima povezani s prisotnostjo in tvorbo amiloidnih plakov v možganih.

Mnogi reverzibilni inhibitorji acetilholinesteraze so bili zato uporabljeni kot zdravila prve generacije za zdravljenje te bolezni in drugih povezanih nevrodegenerativnih stanj. Sem spadajo donepezil, rivastigmin in galantamin.

Reference

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetilholinesteraza: od 3D strukture do funkcije. Kemijsko-biološke interakcije, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Zaviralci acetilkolinesteraze iz rastlin in gliv. Poročila o naravnih izdelkih, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Inhibitorji acetilkolinesteraze: Farmakologija in toksikologija. Trenutna nevrofarmakologija, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Zaviralci acetilkolinesteraze iz rastlin. Fitomedicina, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetilholinesteraza: struktura encima, reakcijska dinamika in stanje navideznega prehoda. Chem. Rev., 87, 955–979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Zaviralci acetilkolinesteraze: nove aktivnosti starih molekul. Farmakološke raziskave, 50, 441–451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetilholinesteraza. Napredek v enzimologiji in z njo povezana področja molekularne biologije, 43, 103–218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetilholinesteraza - nove vloge za starega igralca. Pregledi narave, 2, 294–302.
9. Talesa, VN (2001). Acetilholinesteraza pri Alzheimerjevi bolezni. Mehanizmi staranja in razvoja, 122, 1961–1969.