ACETYLCHOLINESTERASE: STRUKTUR, FUNKSJONER OG HEMMERE - BIOLOGI - 2025

Den acetylkolinesterase (acetylcholin acetyl hydrolase, EC 3.1.1.7) er et enzym som finnes primært i det sentrale nervesystemet. Dens oppgave er, som navnet tilsier, den hydrolytiske prosesseringen av nevrotransmitteren acetylcholine.

Det er et enzym assosiert med cellemembranen som fungerer sammen med acetylkolinreseptoren for å formidle eksitasjonen av postsynaptiske celler, og hvis katalytiske mekanisme er overraskende rask.

Struktur av Acetylcholinesterase (Kilde: Wikimedia Commons)

Fra mekanisk synspunkt kan dette enzymet sees som en serinhydrolase, og i det katalytiske domenet til det aktive setet inneholder det triaden av aminosyrer som er karakteristiske for serinproteaser: serin, histidin og en sur rest. Imidlertid er den sure resten et glutamat, mens serinproteaser normalt har en aspartat.

Acetylcholine Structure (Kilde: Alinebloom via Wikimedia Commons)

En av de første observasjonene som koblet den katalytiske aktiviteten til acetylkolinesterase med kolinerge nervevev og muskelvev ble gjort av Dale i 1914; senere har det blitt bestemt at det også er til stede i ikke-kolinergiske nevroner og i hematopoietiske, osteogene og neoplastiske celler.

Takket være studien av forskjellige organismer er det for tiden kjent at enzymet er til stede i membranen til forskjellige typer celler som erytrocytter, nerve- og muskelceller, elektriske organer og andre.

Struktur

Tertiær og kvartær struktur

Under naturlige eller "in vivo" forhold er acetylcholinesterase et polymorf enzym som er sammensatt av flere katalytiske underenheter på mer eller mindre 80 kDa, som samles for å danne en oligomer struktur (av flere underenheter).

Mengden og kompleksiteten til disse underenhetene avhenger av celletypen og arten som er vurdert.

Noen av de mer komplekse enzymformene har katalytiske underenheter med kuleformede (G) eller asymmetriske (A) former knyttet til disulfidbroer. Disulfidbroer er kovalente bindinger dannet mellom to svovelmolekyler av tiolgruppene (-SH) av to rester av aminosyren cystein.

Hver G-underenhet inneholder et enkelt aktivt sted, mens A-underenhetene generelt er karakterisert ved å ha tre strukturelle domener, nemlig: katalytiske underenheter, kollagenlignende haler rike på glycin, hydroksyprolin og hydroksylysinrester, og andre ikke-kollagene lim (forskjellig fra kollagen).

De asymmetriske formene av acetylkolinesterase er kjent som A12, A8 og A4, som har henholdsvis 12, 8 og 4 katalytiske underenheter.

Generelt finnes restene av det katalytiske domenet i det aktive setet i et "dyp" område av underenhetene, noe som kan sees på som motstridende med hensyn til den raske reaksjonshastigheten som katalyserer dette enzymet og den tilsynelatende utilgjengeligheten av underlaget til disse setene. .

Uansett enzymets polymorfisme har både kuleformede og asymmetriske underenheter lignende katalytiske aktiviteter.

varianter

Enkelte andre celler enn nerveceller, for eksempel erytrocytter, produserer acetylkolinesterase-enzymer som hovedsakelig er kuleformede, dimere og mest assosiert med den ytre overflaten av plasmamembranen.

Selv om det er av mindre strukturell kompleksitet erytrocyttenzymet er også et amfipatisk enzym, hvis aktive katalytiske domene finnes i det store hydrofile området, mens det hydrofobe domene, som inneholder karboksylterminalregionen, er ansvarlig for å opprettholde det i membranen .

Primær struktur

Mye av den nåværende kunnskapen om sekvensen av acetylkolinesterase oppsto fra studiet av enzymet Torpedo californica, en stingray-fisk som lever i Stillehavet og som tradisjonelt har blitt brukt som en modellorganisme for studier av forskjellige proteiner i nervesystemet.

Acetylkolinesterase-underenhetene syntetiseres som pro-proteiner som deretter behandles for å gi opphav til modne underenheter. Hver underenhet består av et polypeptid med omtrent 575 aminosyrer og 65 kDa molekylvekt, som økes ved tilsetning av 7-8% karbohydratrester (glykosylering).

Den katalytiske aktiviteten til det aktive setet for underenhetene bestemmes av en serinrest i posisjon 200, som finnes i et "dyp" område av de katalytiske underenhetene.

Ulike varianter eller isoformer av enzymet finnes i organismer takket være forskjellige steder for "alternativ spleising" av pre-messenger RNA i begge ender (5 'og 3'). Karboksylterminalsekvensen for isoformen til hver underenhet er det som bestemmer sammensetningen av oligomerer med hverandre.

Egenskaper

Acetylcholinesterase er et enzym med flere biologiske funksjoner som ikke nødvendigvis er relatert til hverandre. Et faktum attesteres av dets differensielle uttrykk under embryogenese, embryonal neurale ekstensjon, muskelutvikling og synaptogenese.

Som fremhevet ovenfor har det en viktig rolle i den raske hydrolysen av acetylkolin og derfor i reguleringen av dens virkning i det neuromuskulære synaptiske rommet eller i de kolinerge synaptiske rom i sentralnervesystemet.

Et eksempel på funksjonene er sammentrekning av skjelettmuskulatur, som oppstår takket være en type kjemisk synapse kjent som en motorisk endeplate, lokalisert mellom en motorisk nevron og en muskelfiber.

I denne synapsen oppnås hundrevis av acetylkolinbelastede vesikler som frigjøres fra motorneuronet for utbredelse av en elektrisk impuls.

Denne nevrotransmisjonsprosessen er ganske kompleks. Imidlertid er deltakelsen av acetylkolinesterase avgjørende for avslutningen av synaptisk overføring som er avhengig av nevrotransmitteren acetylcholine, siden den må nedbrytes og deretter må diffundere utenfor synaptisk spalte for å kulminere med membraneksitasjon.

Dermed er enzymet acetylcholinesterase ansvarlig for å regulere konsentrasjonen av denne senderen i neuromotorisk synapse.

Andre "ikke-klassiske" funksjoner av enzymet er relatert til nevrotogenese eller vekst av nerveceller; med prosessene med celleadhesjon, synaptogenese, aktivering av nevroner-dopamin i substantia nigra i mellomhinnen, hematopoietiske prosesser og poietisk trombe, blant andre.

hemmere

Acetylkolinesterase-hemmere virker ved å forhindre at den hydrolyserer acetylkolin, og øker dermed virkningsnivået og varigheten til denne nevrotransmitteren. De kan klassifiseres, i henhold til deres virkningsmekanisme, som reversible og irreversible.

Irreversible hemmere

De er de som irreversibelt inhiberer den hydrolytiske aktiviteten til acetylkolinesterase ved sin kovalente binding til serinresten i det aktive setet for enzymet. Denne gruppen er hovedsakelig sammensatt av organofosfater.

Generelt er dette aktive forbindelser som finnes i mange insektmidler og er ansvarlige for et stort antall tilfeldige dødsfall ved forgiftning. De er estere eller tioler avledet fra fosforsyre, fosfonsyre, fosfinsyre eller fosforamidinsyre.

Sarin, tabun, soman og cyclosarin er blant de mest giftige forbindelser som er syntetisert av mennesker siden de kan drepe et menneske ved å indusere respirasjons- og sirkulasjonssvikt ved å blokkere acetylkolinesterase i det perifere nervesystemet.

Molekylstruktur av organofosfathemmeren «Sarin» (Kilde: Sivizius via Wikimedia Commons)

Sarin er for eksempel en "nervegass" som har blitt brukt som et kjemisk våpen til terrorbruk.

Vendbare hemmere

Denne rekkefølgen av klassifisering grupperer konkurrerende og ikke-konkurrerende hemmere som virker gjennom den forbigående og reversible karbamyleringen av en serinrest i det aktive setet, og mange er blitt syntetisert og renset fra plante- eller soppkilder.

Karbamater som fysostigmin og neostigmin er reversible hemmere som brukes som medikamenter for behandling av sykdommer som henholdsvis glaukom og myasthenia gravis.

Andre terapeutiske midler i denne gruppen brukes også til behandling av Alzheimers sykdom, Parkinsons sykdom, postoperative tarmhindringer (postoperativ ileus), blæreforstyrrelse og som motgift for antikolinerg overdose.

butyrylkolinesterasemedierte

En interessant naturlig mekanisme mot noen acetylkolinesterasehemmende stoffer har å gjøre med deltagelse av et mindre spesifikt enzym kjent som butyrylcholinesterase.

Dette enzymet er også i stand til å hydrolysere acetylkolin, og samtidig kan det fungere som en molekylær lokkedyr som reagerer med disse giftstoffene før de utøver sin negative effekt på acetylkolinesterase.

Acetylkolinesterase og Alzheimers sykdom

Det er vist at acetylkolinesterase danner et stabilt kompleks med komponentene i senile plakk som er karakteristiske for patologien. Videre har noen endrede glykosyleringsmønstre av dette enzymet vært relatert til nærvær og dannelse av amyloidplakk i hjernen.

Mange av de reversible acetylkolinesterasehemmerne er derfor blitt brukt som førstegenerasjonsmedisiner for behandling av denne sykdommen og andre relaterte nevrodegenerative tilstander. Disse inkluderer donepezil, rivastigmin og galantamin.

referanser

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetylcholinesterase: Fra 3D-struktur til funksjon. Kjemisk-biologiske interaksjoner, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Acetylkolinesterasehemmere fra planter og sopp. Naturlige produktrapporter, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Acetylkolinesteraseinhibitorer: Farmakologi og toksikologi. Gjeldende neurofarmakologi, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Acetylkolinesterasehemmere fra planter. Fytomedisin, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylcholinesterase: enzymstruktur, reaksjonsdynamikk og virtuelle overgangsstater. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Acetylkolinesterasehemmere: nye aktiviteter fra gamle molekyler. Farmakologisk forskning, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylkolinesterase. Fremskritt innen enzymologi og beslektede områder av molekylærbiologi, 43, 103–218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesterase - nye roller for en gammel skuespiller. Nature Reviews, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylkolinesterase ved Alzheimers sykdom. Mechanisms of Aging and Development, 122, 1961–1969.