АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И ИНГИБИТОРЫ - БИОЛОГИЯ

Ацетилхолинэстеразы (ацетилхолин ацетил - гидролаза, EC 3.1.1.7) представляет собой фермент , найденный в основном в центральной нервной системе. Его задача, как следует из названия, - гидролитический процессинг нейромедиатора ацетилхолина.

Это фермент, связанный с клеточной мембраной, который работает вместе с рецептором ацетилхолина, опосредуя возбуждение постсинаптических клеток и чей каталитический механизм удивительно быстр.

Структура ацетилхолинэстеразы (Источник: Wikimedia Commons)

С механической точки зрения этот фермент можно рассматривать как сериновую гидролазу, и в каталитическом домене его активного центра он содержит триаду аминокислот, характерных для сериновых протеаз: серин, гистидин и кислотный остаток. Однако кислотный остаток представляет собой глутамат, тогда как сериновые протеазы обычно содержат аспартат.

Структура ацетилхолина (Источник: Alinebloom через Wikimedia Commons)

Одно из первых наблюдений, связывающих каталитическую активность ацетилхолинэстеразы с холинергическими нервными тканями и мышечными тканями, было сделано Дейлом в 1914 году; позже было установлено, что он также присутствует в нехолинергических нейронах и в гематопоэтических, остеогенных и неопластических клетках.

Благодаря изучению различных организмов в настоящее время известно, что фермент присутствует в мембранах разных типов клеток, таких как эритроциты, нервные и мышечные клетки, электрические органы и другие.

Структура

Третичная и четвертичная структура

В естественных условиях или условиях «in vivo» ацетилхолинэстераза представляет собой полиморфный фермент, который состоит из нескольких каталитических субъединиц более или менее 80 кДа, которые собираются с образованием олигомерной структуры (из нескольких субъединиц).

Количество и сложность этих субъединиц зависит от типа клеток и рассматриваемых видов.

Некоторые из более сложных форм ферментов имеют каталитические субъединицы с глобулярными (G) или асимметричными (A) формами, связанными дисульфидными мостиками. Дисульфидные мостики представляют собой ковалентные связи, образованные между двумя молекулами серы тиоловых групп (-SH) двух остатков аминокислоты цистеина.

Каждая субъединица G содержит один активный центр, в то время как субъединицы A обычно характеризуются наличием трех структурных доменов, а именно: каталитических субъединиц, коллагеноподобных хвостов, богатых остатками глицина, гидроксипролина и гидроксилизина и др. неколлагеновые клеи (отличные от коллагеновых).

Асимметричные формы ацетилхолинэстеразы известны как A12, A8 и A4, которые имеют 12, 8 и 4 каталитических субъединицы соответственно.

Как правило, остатки каталитического домена в активном центре находятся в «глубокой» области субъединиц, что можно рассматривать как противоречивое в отношении высокой скорости реакции, катализирующей этот фермент, и очевидной недоступности субстрата для этих сайтов. ,

Независимо от полиморфизма фермента как глобулярные, так и асимметричные субъединицы обладают сходной каталитической активностью.

Варианты

Некоторые клетки помимо нервных клеток, такие как эритроциты, продуцируют ферменты ацетилхолинэстеразы, которые преимущественно глобулярны, димеры и в основном связаны с внешней стороной плазматической мембраны.

Фермент эритроцитов, хотя и имеет меньшую структурную сложность, также является амфипатическим ферментом, активный каталитический домен которого находится в большой гидрофильной области, в то время как гидрофобный домен, содержащий карбоксильную концевую область, отвечает за его поддержание в мембране. ,

Первичная структура

Большая часть современных знаний о последовательности ацетилхолинэстеразы возникла в результате изучения фермента Torpedo californica, рыбы-ската, обитающей в Тихом океане и которая традиционно использовалась в качестве модельного организма для изучения различных белков нервной системы.

Субъединицы ацетилхолинэстеразы синтезируются как про-белки, которые затем процессируются с образованием зрелых субъединиц. Каждая субъединица состоит из полипептида из 575 аминокислот и молекулярной массы 65 кДа, которая увеличивается за счет добавления 7-8% углеводных остатков (гликозилирование).

Каталитическая активность активного центра субъединиц определяется остатком серина в положении 200, который находится в «глубокой» области каталитических субъединиц.

Различные варианты или изоформы фермента существуют в организмах благодаря различным сайтам «альтернативного сплайсинга» пре-мессенджерных РНК на обоих концах (5 'и 3'). Карбоксиконцевая последовательность изоформы каждой субъединицы - это то, что определяет сборку олигомеров друг с другом.

Характеристики

Ацетилхолинэстераза - это фермент с множеством биологических функций, не обязательно связанных друг с другом. Факт, подтвержденный его дифференциальной экспрессией во время эмбриогенеза, эмбрионального нервного расширения, развития мышц и синаптогенеза.

Как подчеркивалось выше, он играет важную роль в быстром гидролизе ацетилхолина и, таким образом, в регулировании его действия в нервно-мышечном синаптическом пространстве или в холинергических синаптических пространствах центральной нервной системы.

Примером его функций является сокращение скелетных мышц, которое происходит благодаря химическому синапсу, известному как моторная пластинка, расположенному между двигательным нейроном и мышечным волокном.

В этом синапсе образуются сотни нагруженных ацетилхолином везикул, которые высвобождаются из мотонейрона для распространения электрического импульса.

Этот процесс нейротрансмиссии довольно сложен, однако участие ацетилхолинэстеразы имеет решающее значение для прекращения синаптической передачи, которая зависит от нейротрансмиттера ацетилхолина, поскольку он должен расщепляться, а затем должен диффундировать за пределы синаптической щели, чтобы завершить мембранное возбуждение.

Таким образом, фермент ацетилхолинэстераза отвечает за регулирование концентрации этого медиатора в нейромоторном синапсе.

Другие «неклассические» функции фермента связаны с нейритогенезом или ростом нервных клеток; с процессами клеточной адгезии, синаптогенеза, активацией нейронов дофамина в черной субстанции среднего мозга, кроветворными процессами и поэтическим тромбом, среди прочего.

Ингибиторы

Ингибиторы ацетилхолинэстеразы действуют, предотвращая гидролиз ацетилхолина, тем самым увеличивая уровень и продолжительность действия этого нейромедиатора. По механизму действия их можно разделить на обратимые и необратимые.

Необратимые ингибиторы

Это те, которые необратимо ингибируют гидролитическую активность ацетилхолинэстеразы за счет ее ковалентного связывания с остатком серина в активном центре фермента. Эта группа в основном состоит из органофосфатов.

Как правило, это активные соединения, содержащиеся во многих инсектицидах, которые являются причиной большого числа смертей в результате случайных отравлений. Это сложные эфиры или тиолы, полученные из фосфорной, фосфоновой, фосфиновой или фосфорамидной кислоты.

Зарин, табун, зоман и циклозарин являются одними из наиболее токсичных соединений, синтезируемых человеком, поскольку они могут убить человека, вызывая нарушение дыхания и кровообращения, блокируя ацетилхолинэстеразу в периферической нервной системе.

Молекулярная структура ингибитора органофосфата «зарин» (Источник: Sivizius через Wikimedia Commons)

Например, зарин - это «нервно-паралитический газ», который использовался в качестве химического оружия в террористических целях.

Обратимые ингибиторы

Этот порядок классификации группирует конкурентные и неконкурентные ингибиторы, которые работают через временное и обратимое карбамилирование остатка серина в активном центре, и многие из них были синтезированы и очищены из растительных или грибных источников.

Карбаматы, такие как физостигмин и неостигмин, являются обратимыми ингибиторами, которые используются в качестве лекарств для лечения таких заболеваний, как глаукома и миастения, соответственно.

Другие терапевтические агенты этой группы также используются для лечения болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, послеоперационной кишечной непроходимости (послеоперационная непроходимость кишечника), вздутия мочевого пузыря и в качестве антидотов при передозировке холинолитиками.

бутирилхолинэстеразы

Интересный природный механизм против некоторых ингибиторов ацетилхолинэстеразы связан с участием менее специфичного фермента, известного как бутирилхолинэстераза.

Этот фермент также способен гидролизовать ацетилхолин, и в то же время он может действовать как молекулярная ловушка, которая вступает в реакцию с этими токсинами, прежде чем они окажут свое негативное влияние на ацетилхолинэстеразу.

Ацетилхолинэстераза и болезнь Альцгеймера

Было показано, что ацетилхолинэстераза образует стабильный комплекс с компонентами старческих бляшек, характерными для данной патологии. Кроме того, некоторые измененные паттерны гликозилирования этого фермента связаны с присутствием и образованием амилоидных бляшек в головном мозге.

Поэтому многие из обратимых ингибиторов ацетилхолинэстеразы использовались в качестве лекарств первого поколения для лечения этого заболевания и других родственных нейродегенеративных состояний. К ним относятся донепезил, ривастигмин и галантамин.

Ссылки

Двир, Х., Силман, И., Харел, М., Розенберри, Т.Л., и Сассман, Дж. Л. (2010). Ацетилхолинэстераза: от трехмерной структуры к функции. Химико-биологические взаимодействия, 187, 10–22.
Хоутон, П., Рен, Ю., и Хоус, М. (2006). Ингибиторы ацетилхолинэстеразы из растений и грибов. Отчеты о натуральных продуктах, 23, 181–199.
Кршти, Д.З., Лазареви, Т.Д., Бонд, А.М., и Васи, В.М. (2013). Ингибиторы ацетилхолинэстеразы: фармакология и токсикология. Текущая нейрофармакология, 11, 315–335.
Мукерджи, П.К., Кумар, В., Мал, М., и Хоутон, П.Дж. (2007). Ингибиторы ацетилхолинэстеразы из растений. Фитомедицина, 14, 289–300.
Куинн, DM (1987). Ацетилхолинэстераза: структура фермента, динамика реакции и виртуальные переходные состояния. Chem. Rev., 87, 955-979.
Ракки, М., Маццучелли, М., Поррелло, Э., Ланни, К., и Говони, С. (2004). Ингибиторы ацетилхолинэстеразы: новые активности старых молекул. Фармакологические исследования, 50, 441-451.
Розенберри, Т. (1975). Ацетилхолинэстеразы. Достижения в энзимологии и смежных областях молекулярной биологии, 43, 103–218.
Сорек, Х., & Сейдман, С. (2001). Ацетилхолинэстераза - новые роли для старого актера. Обзоры природы, 2, 294-302.
Талеса, В.Н. (2001). Ацетилхолинэстераза при болезни Альцгеймера. Механизмы старения и развития, 122, 1961–1969.

АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И ИНГИБИТОРЫ - БИОЛОГИЯ - 2024