ACETYLKOLINESTERAS: STRUKTUR, FUNKTIONER OCH HÄMMARE - BIOLOGI - 2025

Den acetylkolinesteras (acetylkolin acetyl hydrolas, EC 3.1.1.7) är ett enzym som finns i första hand i det centrala nervsystemet. Dess uppgift är, som namnet antyder, den hydrolytiska bearbetningen av neurotransmitteren acetylkolin.

Det är ett enzym associerat med cellmembranet som fungerar tillsammans med acetylkolinreceptorn för att mediera excitationen för postsynaptiska celler och vars katalytiska mekanism är förvånansvärt snabb.

Strukturen för Acetylcholinesteras (Källa: Wikimedia Commons)

Ur mekanisk synvinkel kan detta enzym ses som ett serinhydrolas, och i det katalytiska området på det aktiva stället innehåller det triaden av aminosyror som är karakteristiska för serinproteaser: serin, histidin och en sur rest. Den sura återstoden är emellertid ett glutamat, medan serinproteaser normalt har en aspartat.

Acetylkolinstruktur (Källa: Alinebloom via Wikimedia Commons)

En av de första observationerna som kopplade den katalytiska aktiviteten av acetylkolinesteras med kolinergiska nervvävnader och muskelvävnader gjordes av Dale 1914; senare har det fastställts att det också finns i icke-kolinergiska nervceller och i hematopoietiska, osteogena celler och neoplastiska celler.

Tack vare studien av olika organismer är det för närvarande känt att enzymet finns i membranet hos olika typer av celler, såsom erytrocyter, nerv- och muskelceller, elektriska organ och andra.

Strukturera

Tertiär och kvartär struktur

Under naturliga eller "in vivo" -förhållanden är acetylkolinesteras ett polymorft enzym som består av flera katalytiska underenheter med mer eller mindre 80 kDa, som sammansätts för att bilda en oligomer struktur (av flera underenheter).

Kvantiteten och komplexiteten hos dessa underenheter beror på celltypen och den art som beaktas.

Några av de mer komplexa enzymformerna har katalytiska underenheter med kulaformade (G) eller asymmetriska (A) former länkade med disulfidbroar. Disulfidbroar är kovalenta bindningar bildade mellan två svavelmolekyler i tiolgrupperna (-SH) av två rester av aminosyran cystein.

Varje G-underenhet innehåller ett enda aktivt ställe, medan A-underenheterna i allmänhet kännetecknas av att ha tre strukturella domäner, nämligen: katalytiska underenheter, kollagenliknande svansar som är rika på glycin, hydroxyprolin och hydroxylysinrester, och andra icke-kollagen lim (skiljer sig från kollagen).

De asymmetriska formerna av acetylkolinesteras är kända som A12, A8 och A4, som har 12, 8 respektive 4 katalytiska underenheter.

I allmänhet återfinns resterna av den katalytiska domänen i det aktiva stället i ett "djupt" område av underenheterna, vilket kan ses som motstridiga med avseende på den snabba reaktionshastigheten som katalyserar detta enzym och den uppenbara otillgängligheten hos substratet till dessa ställen. .

Oavsett enzymets polymorfism har både kulaformiga och asymmetriska underenheter liknande katalytiska aktiviteter.

varianter

Vissa andra celler än nervceller, såsom erytrocyter, producerar acetylkolinesteras-enzymer som huvudsakligen är kulära, dimera och mestadels associerade med plasmamembranets yttre yta.

Erytrocytenzymet, även om det är mindre strukturellt komplex, är också ett amfipatiskt enzym, vars aktiva katalytiska domän finns i den stora hydrofila regionen, medan den hydrofoba domänen, som innehåller den karboxylterminala regionen, är ansvarig för att upprätthålla den i membranet .

Primär struktur

Mycket av den nuvarande kunskapen om sekvensen av acetylkolinesteras uppstod från studien av enzymet Torpedo californica, en stingray-fisk som lever i Stilla havet och som traditionellt har använts som modellorganismer för studier av olika proteiner i nervsystemet.

Acetylkolinesteras-subenheterna syntetiseras som pro-proteiner som sedan bearbetas för att ge upphov till mogna underenheter. Varje underenhet består av en polypeptid av cirka 575 aminosyror och 65 kDa molekylvikt, vilken ökas genom tillsats av 7-8% kolhydratrester (glykosylering).

Den katalytiska aktiviteten hos det aktiva stället för underenheterna bestäms av en serinrest i position 200, som finns i ett "djupt" område av de katalytiska underenheterna.

Olika varianter eller isoformer av enzymet finns i organismer tack vare olika platser för "alternativ skarvning" av pre-messenger RNA vid båda ändarna (5 'och 3'). Karboxylterminalsekvensen för isoformen hos varje underenhet är det som bestämmer sammansättningen av oligomererna med varandra.

Funktioner

Acetylkolinesteras är ett enzym med flera biologiska funktioner som inte nödvändigtvis är relaterade till varandra. Ett faktum bekräftat av dess differentiella uttryck under embryogenes, embryonala neuralförlängning, muskelutveckling och synaptogenes.

Som framhävts ovan har det en viktig roll i den snabba hydrolysen av acetylkolin och därför i regleringen av dess effekt i det neuromuskulära synaptiska utrymmet eller i det kolinergiska synaptiska utrymmet i centrala nervsystemet.

Ett exempel på dess funktioner är sammandragningen av skelettmuskeln, som uppstår tack vare en typ av kemisk synapse, känd som en motorisk ändplatta, belägen mellan en motorneuron och en muskelfiber.

I detta synapse erhålls hundratals acetylkolinbelastade vesiklar, som frigörs från motorneuronet för att sprida en elektrisk impuls.

Denna neurotransmissionsprocess är ganska komplex, men deltagandet av acetylkolinesteras är avgörande för avslutningen av synaptisk transmission som beror på neurotransmitteren acetylkolin, eftersom den måste brytas ned och måste diffundera utanför den synaptiska klyftan för att kulminera med membranexcitering.

Således är enzymet acetylcholinesteras ansvarigt för att reglera koncentrationen av denna sändare i neuromotorsynapsen.

Andra "icke-klassiska" funktioner hos enzymet är relaterade till neuritogenes eller tillväxt av nervceller; med processerna för vidhäftning, synaptogenes, aktivering av neuroner-dopamin i substansnigra i mellanhinnan, hematopoietiska processer och poietisk trombus, bland andra.

hämmare

Acetylkolinesteras-hämmare fungerar genom att förhindra det från att hydrolysera acetylkolin och därigenom öka nivån och varaktigheten för denna neurotransmitter. De kan klassificeras enligt deras handlingsmekanism som vändbara och irreversibla.

Irreversibla hämmare

De är de som irreversibelt inhiberar den hydrolytiska aktiviteten av acetylkolinesteras genom dess kovalenta bindning till serinresten på det aktiva stället för enzymet. Denna grupp består huvudsakligen av organofosfaterna.

I allmänhet är dessa aktiva föreningar som finns i många insektsmedel och är ansvariga för ett stort antal olycksfallsförgiftningsdödsfall. De är estrar eller tioler härledda från fosforsyra, fosfonsyra, fosfinsyra eller fosforamidinsyra.

Sarin, tabun, soman och cyclosarin är bland de mest giftiga föreningar som syntetiseras av människan eftersom de kan döda en människa genom att inducera andnings- och cirkulationsfel genom att blockera acetylkolinesteras i det perifera nervsystemet.

Molekylstruktur för organofosfathämmaren «Sarin» (Källa: Sivizius via Wikimedia Commons)

Sarin är till exempel en "nervgas" som har använts som ett kemiskt vapen för terroristbruk.

Vändbara hämmare

Denna ordning av klassificering grupperar konkurrenskraftiga och icke-konkurrerande hämmare som arbetar genom den övergående och reversibla karbamyleringen av en serinrest på det aktiva stället och många har syntetiserats och renats från växt- eller svampkällor.

Karbamater såsom fysostigmin och neostigmin är reversibla hämmare som används som läkemedel för behandling av sjukdomar såsom glaukom respektive myastenia gravis.

Andra terapeutiska medel i denna grupp används också för behandling av Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, postoperativa tarmhinder (postoperativ ileus), urinblåsan, och som motgift för antikolinerg överdos.

butyrylkolinesteras

En intressant naturlig mekanism mot vissa acetylkolinesterasinhibitorer har att göra med deltagandet av ett mindre specifikt enzym känt som butyrylcholinesteras.

Detta enzym kan också hydrolysera acetylkolin och samtidigt kan det fungera som ett molekylärt lock som reagerar med dessa toxiner innan de utövar sin negativa effekt på acetylkolinesteras.

Acetylkolinesteras och Alzheimers sjukdom

Acetylkolinesteras har visat sig bilda ett stabilt komplex med komponenterna i senila plack som är karakteristiska för patologin. Vidare har vissa förändrade glykosyleringsmönster för detta enzym varit relaterade till närvaron och bildandet av amyloidplack i hjärnan.

Många av de reversibla acetylkolinesterasinhibitorerna har därför använts som första generationens läkemedel för behandling av denna sjukdom och andra relaterade neurodegenerativa tillstånd. Dessa inkluderar donepezil, rivastigmin och galantamin.

referenser

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetylkolinesteras: Från 3D-struktur till funktion. Chemico-Biologic Interactions, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Acetylkolinesteras-hämmare från växter och svampar. Naturliga produktrapporter, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Acetylkolinesterasinhibitorer: Farmakologi och toxikologi. Aktuell neurofarmakologi, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Acetylkolinesteras-hämmare från växter. Fytomedicin, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylkolinesteras: enzymstruktur, reaktionsdynamik och virtuella övergångtillstånd. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Acetylkolinesterasinhibitorer: nya aktiviteter av gamla molekyler. Farmakologisk forskning, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylkolinesteras. Framsteg inom enzymologi och relaterade områden inom molekylärbiologi, 43, 103–218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylkolinesteras - nya roller för en gammal skådespelare. Nature Reviews, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylkolinesteras vid Alzheimers sjukdom. Mekanismer för åldrande och utveckling, 122, 1961–1969.