ACETYLCHOLINESTERASE: STRUKTUR, FUNKTIONER OG HÆMMERE - BIOLOGI - 2025

Den acetylcholinesterase (acetylcholin acetyl hydrolase, EF 3.1.1.7) er et enzym findes primært i centralnervesystemet. Dens opgave er, som navnet antyder, den hydrolytiske behandling af neurotransmitteren acetylcholin.

Det er et enzym, der er forbundet med cellemembranen, der arbejder sammen med acetylcholinreceptoren til at mediere excitation af postsynaptiske celler, og hvis katalytiske mekanisme er overraskende hurtig.

Struktur af Acetylcholinesterase (Kilde: Wikimedia Commons)

Fra et mekanisk synspunkt kan dette enzym ses som en serinhydrolase, og i det katalytiske domæne af det aktive sted indeholder det triaden af ​​aminosyrer, der er karakteristiske for serinproteaser: serin, histidin og en sur rest. Den sure rest er imidlertid et glutamat, hvorimod serinproteaser normalt besidder en aspartat.

Acetylcholinstruktur (Kilde: Alinebloom via Wikimedia Commons)

En af de første observationer, der forbinder den katalytiske aktivitet af acetylcholinesterase med kolinerge nervevæv og muskelvæv blev foretaget af Dale i 1914; senere er det blevet bestemt, at det også er til stede i ikke-kolinergiske neuroner og i hæmatopoietiske, osteogene og neoplastiske celler.

Takket være undersøgelsen af ​​forskellige organismer er det i øjeblikket kendt, at enzymet er til stede i membranen af ​​forskellige typer celler, såsom erythrocytter, nerve- og muskelceller, elektriske organer og andre.

Struktur

Tertiær og kvartær struktur

Under naturlige eller "in vivo" -betingelser er acetylcholinesterase et polymorfisk enzym, der er sammensat af flere katalytiske underenheder på mere eller mindre 80 kDa, som samles til dannelse af en oligomer struktur (af flere underenheder).

Mængden og kompleksiteten af ​​disse underenheder afhænger af celletypen og den betragtede art.

Nogle af de mere komplekse enzymformer har katalytiske underenheder med kugleformede (G) eller asymmetriske (A) former forbundet med disulfidbroer. Disulfidbroer er kovalente bindinger dannet mellem to svovlmolekyler af thiolgrupperne (-SH) af to rester af aminosyrecystein.

Hver G-underenhed indeholder et enkelt aktivt sted, mens A-underenhederne generelt er karakteriseret ved at have tre strukturelle domæner, nemlig: katalytiske underenheder, kollagenlignende haler rige på glycin, hydroxyprolin og hydroxylysinrester og andre ikke-kollagene lim (adskiller sig fra kollagen).

De asymmetriske former af acetylcholinesterase er kendt som A12, A8 og A4, som har henholdsvis 12, 8 og 4 katalytiske underenheder.

Generelt findes resterne af det katalytiske domæne i det aktive sted i et "dybt" område af underenhederne, hvilket kunne ses som modstridende med hensyn til den hurtige reaktionshastighed, der katalyserer dette enzym og den tilsyneladende utilgængelighed af underlaget til disse steder.

Uanset enzymets polymorfisme har både kugleformede og asymmetriske underenheder lignende katalytiske aktiviteter.

Varianter

Visse andre celler end nerveceller, såsom erythrocytter, producerer acetylcholinesterase-enzymer, der overvejende er kugleformede, dimere og mest forbundet med den ydre flade af plasmamembranen.

Selv om det er af mindre strukturel kompleksitet erythrocytteenzymet er også et amfipatisk enzym, hvis aktive katalytiske domæne findes i den store hydrofile region, medens det hydrofobe domæne, der indeholder den carboxylterminale region, er ansvarlig for at opretholde det i membranen.

Primær struktur

Meget af den aktuelle viden om sekvensen af ​​acetylcholinesterase stammede fra undersøgelsen af ​​enzymet Torpedo californica, en stingray-fisk, der lever i Stillehavet, og som traditionelt har været brugt som en modelorganisme til undersøgelse af forskellige proteiner i nervesystemet.

Acetylcholinesterase-underenhederne syntetiseres som pro-proteiner, der derefter behandles for at give anledning til modne underenheder. Hver underenhed består af et polypeptid på ca. 575 aminosyrer og 65 kDa molekylvægt, hvilket forøges ved tilsætning af 7-8% kulhydratrester (glycosylering).

Den katalytiske aktivitet af det aktive sted for underenhederne bestemmes af en serinrest i position 200, som findes i et "dybt" område af de katalytiske underenheder.

Forskellige varianter eller isoformer af enzymet findes i organismer takket være forskellige steder for den "alternative splejsning" af pre-messenger RNA'er i begge deres ender (5 'og 3'). Den carboxylterminale sekvens af isoformen af ​​hver underenhed er det, der bestemmer samlingen af ​​oligomerer med hinanden.

Funktioner

Acetylcholinesterase er et enzym med flere biologiske funktioner, der ikke nødvendigvis er relateret til hinanden. En kendsgerning attesteret af dens differentielle ekspression under embryogenese, embryonal neurale forlængelse, muskeludvikling og synaptogenese.

Som fremhævet ovenfor har det en vigtig rolle i den hurtige hydrolyse af acetylcholin og derfor i reguleringen af ​​dens virkning i det neuromuskulære synaptiske rum eller i de kolinerge synaptiske rum i centralnervesystemet.

Et eksempel på dens funktioner er sammentrækningen af ​​knoglemuskler, der opstår takket være en type kemisk synapse, der er kendt som en motorplade, der er placeret mellem en motorneuron og en muskelfiber.

I denne synapse opnås hundreder af acetylcholin-belastede vesikler, der frigøres fra den motoriske neuron til forplantning af en elektrisk impuls.

Denne neurotransmissionsproces er ganske kompliceret, men deltagelsen af ​​acetylcholinesterase er afgørende for afslutningen af ​​synaptisk transmission, der afhænger af neurotransmitteren acetylcholin, da den skal nedbrydes og derefter må diffundere uden for det synaptiske spalte for at kulminere med membran excitation.

Således er enzymet acetylcholinesterase ansvarlig for at regulere koncentrationen af ​​denne sender i neuromotorisk synapse.

Andre "ikke-klassiske" funktioner af enzymet er relateret til neuritogenese eller vækst af nerveceller; med processerne med celleadhæsion, synaptogenese, aktivering af neuroner-dopamin i substantia nigra i mellemhovedet, hæmatopoietiske processer og poietisk thrombus, blandt andre.

hæmmere

Acetylcholinesteraseinhibitorer fungerer ved at forhindre, at den hydrolyserer acetylcholin, hvorved niveauet og varigheden af ​​virkningen af ​​denne neurotransmitter øges. De kan klassificeres i henhold til deres handlingsmekanisme som reversible og irreversible.

Irreversible hæmmere

Det er dem, der irreversibelt inhiberer den hydrolytiske aktivitet af acetylcholinesterase ved dets kovalente binding til serinresten på det aktive sted af enzymet. Denne gruppe er hovedsageligt sammensat af organofosfater.

Generelt er dette aktive forbindelser, der findes i mange insekticider og er ansvarlige for et stort antal utilsigtede forgiftningsdødsfald. De er estere eller thioler afledt af phosphorsyre, phosphonsyre, phosphinsyre eller phosphoramidinsyre.

Sarin, tabun, soman og cyclosarin er blandt de mest giftige forbindelser, der er syntetiseret af mennesker, da de kan dræbe et menneske ved at inducere respirations- og kredsløbssvigt ved at blokere acetylcholinesterase i det perifere nervesystem.

Molekylstruktur af organophosphatinhibitoren «Sarin» (Kilde: Sivizius via Wikimedia Commons)

Sarin er for eksempel en "nervegas", der er blevet brugt som et kemisk våben til terrorbrug.

Vendbare hæmmere

Denne rækkefølge af klassificering grupperer konkurrencedygtige og ikke-konkurrenceprægede inhibitorer, der arbejder gennem den forbigående og reversible carbamylering af en serinrest i det aktive sted, og mange er blevet syntetiseret og oprenset fra plante- eller svampekilder.

Carbamater, såsom fysostigmin og neostigmin, er reversible inhibitorer, der anvendes som lægemidler til behandling af sygdomme, som henholdsvis glaukom og myasthenia gravis.

Andre terapeutiske midler i denne gruppe anvendes også til behandling af Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom, post-operative tarmhindringer (postoperativ ileus), blæreforstyrrelse og som modgift til antikolinerg overdosis.

butyrylcholinesterase

En interessant naturlig mekanisme mod nogle acetylcholinesteraseinhiberende stoffer har at gøre med deltagelsen af ​​et mindre specifikt enzym kendt som butyrylcholinesterase.

Dette enzym er også i stand til at hydrolysere acetylcholin, og på samme tid kan det fungere som et molekylært lokkedyr, der reagerer med disse toksiner, før de udøver deres negative virkning på acetylcholinesterase.

Acetylcholinesterase og Alzheimers sygdom

Det er vist, at acetylcholinesterase danner et stabilt kompleks med komponenterne i senile plaques, der er karakteristiske for patologien. Endvidere har nogle ændrede glycosyleringsmønstre af dette enzym været relateret til tilstedeværelsen og dannelsen af ​​amyloidplaques i hjernen.

Mange af de reversible acetylcholinesteraseinhibitorer er derfor blevet anvendt som første generations lægemidler til behandling af denne sygdom og andre relaterede neurodegenerative tilstande. Disse inkluderer donepezil, rivastigmin og galantamin.

Referencer

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetylcholinesterase: Fra 3D-struktur til funktion. Kemisk-biologiske interaktioner, 187, 10-22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Acetylcholinesteraseinhibitorer fra planter og svampe. Naturlige produktrapporter, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Acetylcholinesteraseinhibitorer: Farmakologi og toksikologi. Nuværende neurofarmakologi, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Acetylcholinesteraseinhibitorer fra planter. Phytomedicin, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylcholinesterase: enzymstruktur, reaktionsdynamik og virtuelle overgangsstater. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Acetylcholinesteraseinhibitorer: nye aktiviteter fra gamle molekyler. Farmakologisk forskning, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylcholinesterase. Fremskridt inden for enzymologi og beslægtede områder i molekylærbiologi, 43, 103-218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesterase - nye roller for en gammel skuespiller. Naturanmeldelser, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylcholinesterase ved Alzheimers sygdom. Mechanismen for aldring og udvikling, 122, 1961–1969.