АЦЕТИЛХОЛИНЕСТЕРАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И ИНХИБИТОРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На ацетилхолинестераза (ацетилхолин ацетил хидролаза, ЕО 3.1.1.7) е ензим, намиращ се предимно в централната нервна система. Нейната задача, както подсказва името, е хидролитичната обработка на невротрансмитер ацетилхолин.

Това е ензим, свързан с клетъчната мембрана, който работи заедно с ацетилхолиновия рецептор, за да посредничи в възбуждането на постсинаптични клетки и чийто каталитичен механизъм е изненадващо бърз.

Структура на ацетилхолинестеразата (Източник: Wikimedia Commons)

От механична гледна точка, този ензим може да се разглежда като серин хидролаза, а в каталитичния домейн на активния му сайт съдържа триадата от аминокиселини, характерни за сериновите протеази: серин, хистидин и киселинен остатък. Въпреки това, киселинният остатък е глутамат, докато сериновите протеази обикновено притежават аспартат.

Ацетилхолинова структура (Източник: Alinebloom чрез Wikimedia Commons)

Едно от първите наблюдения, които свързват каталитичната активност на ацетилхолинестеразата с холинергичните нервни и мускулни тъкани, е направено от Дейл през 1914 г.; по-късно е установено, че той също присъства в нехолинергични неврони и в хематопоетични, остеогенни и неопластични клетки.

Благодарение на изследването на различни организми, в момента е известно, че ензимът присъства в мембраната на различни видове клетки като еритроцити, нервни и мускулни клетки, електрически органи и други.

структура

Третична и кватернерна структура

При естествени или "in vivo" условия, ацетилхолинестеразата е полиморфен ензим, който е съставен от няколко каталитични субединици с повече или по-малко 80 kDa, които се събират, за да образуват олигомерна структура (от няколко субединици).

Количеството и сложността на тези субединици зависи от типа на клетката и разглежданите видове.

Някои от по-сложните ензимни форми имат каталитични субединици с глобуларни (G) или асиметрични (А) форми, свързани с дисулфидни мостове. Дисулфидните мостове са ковалентни връзки, образувани между две серни молекули от тиоловите групи (-SH) от два остатъка от аминокиселината цистеин.

Всяка G субединица съдържа един активен сайт, докато А субединиците обикновено се характеризират с три структурни домена, а именно: каталитични субединици, колагеновидни опашки, богати на глицин, хидроксипролин и хидроксилизин остатъци и други не колагенни лепила (различни от колаген).

Асиметричните форми на ацетилхолинестераза са известни като A12, A8 и A4, които имат съответно 12, 8 и 4 каталитични субединици.

Обикновено остатъците от каталитичния домен в активния сайт се намират в "дълбок" участък на субединиците, което може да се разглежда като противоречиво по отношение на бързата скорост на реакцията, която катализира този ензим и очевидната недостъпност на субстрата до тези места., Независимо от полиморфизма на ензима, и глобуларната, и асиметричната субединици имат сходни каталитични активности.

варианти

Някои клетки, различни от нервните клетки, като еритроцитите, произвеждат ацетилхолинестеразни ензими, които са предимно кълбовидни, димерни и най-вече свързани с външната страна на плазмената мембрана.

Еритроцитният ензим, макар и с по-малка структурна сложност, също е амфипатичен ензим, чийто активен каталитичен домен се намира в големия хидрофилен регион, докато хидрофобният домен, който съдържа карбоксилния терминален регион, е отговорен за поддържането му в мембраната,

Първична структура

Голяма част от съвременните знания за последователността на ацетилхолинестеразата възникват от изследването на ензима Torpedo californica, риба жилава, която живее в Тихия океан и която традиционно се използва като моделен организъм за изследване на различни протеини на нервната система.

Ацетилхолинестеразните субединици се синтезират като про-протеини, които след това се преработват, за да се получат зрели субединици. Всяка субединица се състои от полипептид с около 575 аминокиселини и 65 kDa молекулно тегло, което се увеличава чрез добавяне на 7-8% въглехидратни остатъци (гликозилиране).

Каталитичната активност на активното място на субединиците се определя от серинов остатък в позиция 200, който се намира в "дълбок" участък на каталитичните субединици.

Различни варианти или изоформи на ензима съществуват в организмите благодарение на различни места за "алтернативното сплайсиране" на РНК преди съобщението в двата им края (5 'и 3'). Карбоксилно-крайната последователност на изоформата на всяка субединица е това, което определя монтажа на олигомерите един с друг.

Характеристика

Ацетилхолинестеразата е ензим с множество биологични функции, които не са непременно свързани помежду си. Факт, който се потвърждава от диференциалната му експресия по време на ембриогенезата, ембрионалното невронно разширение, мускулното развитие и синаптогенезата.

Както бе подчертано по-горе, той има важна роля за бързата хидролиза на ацетилхолина и следователно за регулирането на ефекта му в нервно-мускулното синаптично пространство или в холинергичните синаптични пространства на централната нервна система.

Пример за неговите функции е свиването на скелетния мускул, което се случва благодарение на вид химичен синапс, известен като моторна плоча, разположен между моторен неврон и мускулно влакно.

В този синапс се получават стотици заредени с ацетилхолин везикули, които се освобождават от моторния неврон за разпространението на електрически импулс.

Този процес на невротрансмисия е доста сложен, но участието на ацетилхолинестераза е от решаващо значение за прекратяване на синаптичното предаване, което зависи от невротрансмитера ацетилхолин, тъй като той трябва да бъде разграден и след това трябва да се разсее извън синаптичната цепнатина, за да завърши с възбуждане на мембраната.

По този начин ензимът ацетилхолинестераза е отговорен за регулирането на концентрацията на този предавател в невромоторния синапс.

Други „некласически“ функции на ензима са свързани с невритогенезата или растежа на нервните клетки; с процесите на клетъчна адхезия, синаптогенеза, активиране на неврони-допамин в веществото нигра на средния мозък, хематопоетични процеси и поетичен тромб, наред с други.

Инхибиторите

Инхибиторите на ацетилхолинестеразата действат, като не й позволяват да хидролизира ацетилхолин, като по този начин повишава нивото и продължителността на действие на този невротрансмитер. Те могат да бъдат класифицирани според механизма им на действие като обратими и необратими.

Необратими инхибитори

Те са тези, които необратимо инхибират хидролитичната активност на ацетилхолинестеразата чрез нейното ковалентно свързване със сериновия остатък в активното място на ензима. Тази група се състои главно от органофосфатите.

По принцип това са активни съединения, които се намират в много инсектициди и са отговорни за голям брой смъртни случаи при отравяне. Те са естери или тиоли, получени от фосфорна, фосфонова, фосфинова или фосфорамидна киселина.

Сарин, табун, соман и циклосарин са сред най-токсичните съединения, синтезирани от човека, тъй като те могат да убият човек чрез предизвикване на дихателна и циркулаторна недостатъчност, като блокират ацетилхолинестеразата в периферната нервна система.

Молекулна структура на органофосфатния инхибитор «Sarin» (Източник: Sivizius via Wikimedia Commons)

Сарин, например, е "нервен газ", който е използван като химическо оръжие за терористична употреба.

Обратими инхибитори

Този ред на класификационни групи конкурентни и неконкурентни инхибитори, които действат чрез преходното и обратимо карбамилиране на серинов остатък в активното място и много от тях са синтезирани и пречистени от растителни или гъбични източници.

Карбамати като физостигмин и неостигмин са обратими инхибитори, които се използват като лекарства за лечение на заболявания като глаукома и миастения гравис, съответно.

Други терапевтични средства от тази група се използват и за лечение на болестта на Алцхаймер, болестта на Паркинсон, следоперативни чревни обструкции (следоперативен илеус), отделяне на пикочния мехур и като антидоти за предозиране на антихолинергични лекарства.

бутирилхолинетеразата

Интересен естествен механизъм срещу някои инхибитори на ацетилхолинестеразата е свързан с участието на по-малко специфичен ензим, известен като бутирилхолинестераза.

Този ензим също е способен да хидролизира ацетилхолин и в същото време може да действа като молекулярно примамка, която реагира с тези токсини, преди да упражнят отрицателния си ефект върху ацетилхолинестеразата.

Ацетилхолинестераза и болест на Алцхаймер

Показано е, че ацетилхолинестеразата образува стабилен комплекс с компонентите на сенилни плаки, характерни за патологията. Освен това някои променени модели на гликозилиране на този ензим са свързани с присъствието и образуването на амилоидни плаки в мозъка.

Поради това много от инхибиторите на обратимата ацетилхолинестераза се използват като лекарства от първо поколение за лечение на това заболяване и други свързани невродегенеративни състояния. Те включват донепезил, ривастигмин и галантамин.

Препратки

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Ацетилхолинестераза: От 3D структура до функция. Химико-биологични взаимодействия, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Инхибитори на ацетилхолинестеразата от растения и гъби. Отчети за естествени продукти, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Инхибитори на ацетилхолинестеразата: фармакология и токсикология. Текуща неврофармакология, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Инхибитори на ацетилхолинестераза от растения. Фитомедицина, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Ацетилхолинестераза: ензимна структура, динамика на реакцията и виртуални състояния на преход. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Инхибитори на ацетилхолинестеразата: нови активности на стари молекули. Фармакологични изследвания, 50, 441-451.
7. Розенберри, Т. (1975). Ацетилхолинестеразният. Напредък в ензимологията и свързаните с нея области на молекулярната биология, 43, 103–218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Ацетилхолинестераза - нови роли за стар актьор. Nature Reviews, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Ацетилхолинестераза при болестта на Алцхаймер. Механизми на стареене и развитие, 122, 1961-1969.