ACETYLCHOLINESTERÁZA: STRUKTURA, FUNKCE A INHIBITORY - BIOLOGIE - 2025

Acetylcholinesterázy (acetylcholin acetyl hydroláza, EC 3.1.1.7) je enzym nachází především v centrálním nervovém systému. Jeho úkolem, jak název napovídá, je hydrolytické zpracování neurotransmiteru acetylcholinu.

Je to enzym asociovaný s buněčnou membránou, který spolupracuje s acetylcholinovým receptorem k zprostředkování excitace postsynaptických buněk a jehož katalytický mechanismus je překvapivě rychlý.

Struktura acetylcholinesterázy (Zdroj: Wikimedia Commons)

Z mechanického hlediska lze tento enzym považovat za serin hydrolázu a v katalytické doméně aktivního místa obsahuje trojici aminokyselin charakteristických pro serinové proteázy: serin, histidin a kyselý zbytek. Kyselý zbytek je však glutamát, zatímco serinové proteázy normálně mají aspartát.

Struktura acetylcholinu (Zdroj: Alinebloom prostřednictvím Wikimedia Commons)

Jedno z prvních pozorování, které spojovalo katalytickou aktivitu acetylcholinesterázy s cholinergními nervovými tkáněmi a svalovými tkáněmi, provedl Dale v roce 1914; později bylo zjištěno, že je také přítomen v necholinergních neuronech a v hematopoetických, osteogenních a neoplastických buňkách.

Díky studiu různých organismů je v současnosti známo, že enzym je přítomen v membráně různých typů buněk, jako jsou erytrocyty, nervové a svalové buňky, elektrické orgány a další.

Struktura

Terciární a kvartérní struktura

Za přirozených nebo "in vivo" podmínek je acetylcholinesteráza polymorfní enzym, který je složen z několika katalytických podjednotek s více nebo méně 80 kDa, které se sestavují za vzniku oligomerní struktury (z několika podjednotek).

Množství a složitost těchto podjednotek závisí na typu buňky a uvažovaném druhu.

Některé ze složitějších forem enzymů mají katalytické podjednotky s globulárními (G) nebo asymetrickými (A) formami spojenými disulfidovými můstky. Disulfidové můstky jsou kovalentní vazby vytvořené mezi dvěma molekulami síry thiolových skupin (-SH) dvou zbytků aminokyseliny cysteinu.

Každá podjednotka G obsahuje jediné aktivní místo, zatímco podjednotky A jsou obecně charakterizovány tím, že mají tři strukturální domény, jmenovitě: katalytické podjednotky, kolagenové zbytky bohaté na zbytky glycinu, hydroxyprolinu a hydroxylysinu a další nekogenogenní lepidla (jiná než kolagen).

Asymetrické formy acetylcholinesterázy jsou známé jako A12, A8 a A4, které mají 12, 8 a 4 katalytické podjednotky.

Obecně se zbytky katalytické domény v aktivním místě nacházejí v „hluboké“ oblasti podjednotek, což lze považovat za rozporuplné vzhledem k rychlé rychlosti reakce, která katalyzuje tento enzym, a zjevné nepřístupnosti substrátu pro tato místa..

Bez ohledu na polymorfismus enzymu mají jak globulární, tak asymetrické podjednotky podobné katalytické aktivity.

Varianty

Některé buňky jiné než nervové buňky, jako jsou erytrocyty, produkují acetylcholinesterázové enzymy, které jsou převážně kulovité, dimerní a většinou asociované s vnější stranou plazmové membrány.

Enzym erytrocytů, i když má menší strukturní složitost, je také amfipatický enzym, jehož aktivní katalytická doména se nachází ve velké hydrofilní oblasti, zatímco hydrofobní doména, která obsahuje karboxylovou koncovou oblast, je zodpovědná za její udržení v membráně.

Primární struktura

Většina současných znalostí o sekvenci acetylcholinesterázy vyplynula ze studie enzymu Torpedo californica, stingray ryby, která žije v Tichém oceánu a která se tradičně používá jako modelový organismus pro studium různých proteinů nervové soustavy.

Podjednotky acetylcholinesterázy jsou syntetizovány jako proproteiny, které jsou potom zpracovány za vzniku zralých podjednotek. Každá podjednotka sestává z polypeptidu o přibližně 575 aminokyselinách a molekulové hmotnosti 65 kDa, který je zvýšen přidáním 7 až 8% uhlovodíkových zbytků (glykosylace).

Katalytická aktivita aktivního místa podjednotek je určena serinovým zbytkem v poloze 200, který se nachází v "hluboké" oblasti katalytických podjednotek.

V organismech existují různé varianty nebo izoformy enzymu díky různým místům pro „alternativní sestřih“ RNA před messengerem na obou jejich koncích (5 'a 3'). Karboxylová koncová sekvence izoformy každé podjednotky je to, co určuje sestavení oligomerů navzájem.

Funkce

Acetylcholinesteráza je enzym s mnoha biologickými funkcemi, které nemusí spolu navzájem souviset. Skutečnost doložená o jeho rozdílné expresi během embryogeneze, embryonálního nervového rozšíření, vývoje svalů a synaptogeneze.

Jak bylo zdůrazněno výše, má důležitou roli při rychlé hydrolýze acetylcholinu, a tedy při regulaci jeho účinku v neuromuskulárním synaptickém prostoru nebo v cholinergních synaptických prostorech centrálního nervového systému.

Příkladem jeho funkcí je kontrakce kosterního svalu, ke které dochází díky typu chemické synapse známé jako motorická deska, která se nachází mezi motorickým neuronem a svalovým vláknem.

V této synapse se získají stovky acetylcholinem nabitých vezikul, které se uvolňují z motorického neuronu pro šíření elektrického impulsu.

Tento proces neurotransmise je docela složitý, nicméně účast acetylcholinesterázy je rozhodující pro ukončení synaptického přenosu, který závisí na neurotransmiteru acetylcholinu, protože musí být degradován a poté musí difundovat mimo synaptickou štěrbinu, aby vyvrcholil membránové buzení.

Enzym acetylcholinesteráza je tedy zodpovědná za regulaci koncentrace tohoto vysílače v neuromotorické synapse.

Jiné „neklasické“ funkce enzymu souvisejí s neuritogenezí nebo růstem nervových buněk; s procesy buněčné adheze, synaptogeneze, aktivace neuronů-dopaminů v substantia nigra midbrainu, hematopoetických procesů a poietického trombu.

Inhibitory

Inhibitory acetylcholinesterázy působí tak, že jí brání v hydrolýze acetylcholinu, čímž se zvyšuje hladina a doba působení tohoto neurotransmiteru. Mohou být klasifikovány podle svého mechanismu účinku jako reverzibilní a nevratné.

Nevratné inhibitory

Jsou to ty, které ireverzibilně inhibují hydrolytickou aktivitu acetylcholinesterázy její kovalentní vazbou na serinový zbytek v aktivním místě enzymu. Tato skupina je složena hlavně z organofosfátů.

Obecně se jedná o účinné látky vyskytující se v mnoha insekticidech a jsou odpovědné za velké množství náhodných úmrtí na otravu. Jsou to estery nebo thioly odvozené od kyseliny fosforečné, fosfonové, fosfinové nebo fosforamidové.

Sarin, tabun, soman a cyklosarin patří mezi nejvíce toxické sloučeniny syntetizované člověkem, protože mohou zabíjet člověka tím, že indukují respirační a oběhové selhání blokováním acetylcholinesterázy v periferním nervovém systému.

Molekulární struktura inhibitoru organofosfátu «Sarin» (Zdroj: Sivizius přes Wikimedia Commons)

Sarin je například „nervový plyn“, který byl používán jako chemická zbraň pro teroristické použití.

Reverzibilní inhibitory

Toto pořadí klasifikačních skupin konkurenčních a nekompetitivních inhibitorů, které působí přechodnou a reverzibilní karbamylací serinového zbytku v aktivním místě a mnoho z nich bylo syntetizováno a purifikováno z rostlinných nebo fungálních zdrojů.

Karbamáty, jako je fyzostigmin a neostigmin, jsou reverzibilní inhibitory, které se používají jako léčiva k léčení nemocí, jako je glaukom a myasthenia gravis.

Jiná terapeutická činidla v této skupině se také používají k léčbě Alzheimerovy choroby, Parkinsonovy choroby, pooperačních střevních obstrukcí (pooperační ileus), distenze močového měchýře a jako antidota proti předávkování anticholinergiky.

Butyrylcholinesteráza

Zajímavý přirozený mechanismus proti některým látkám inhibujícím acetylcholinesterázu souvisí s účastí méně specifického enzymu známého jako butyrylcholinesteráza.

Tento enzym je také schopen hydrolyzovat acetylcholin a současně může působit jako molekulární návnada, která reaguje s těmito toxiny dříve, než uplatní svůj negativní účinek na acetylcholinesterázu.

Acetylcholinesteráza a Alzheimerova choroba

Ukázalo se, že acetylcholinesteráza tvoří stabilní komplex se složkami senilních plaků charakteristických pro patologii. Navíc některé změněné vzorce glykosylace tohoto enzymu souvisejí s přítomností a tvorbou amyloidních plaků v mozku.

Mnoho z reverzibilních inhibitorů acetylcholinesterázy se proto používá jako léků první generace pro léčení tohoto onemocnění a dalších souvisejících neurodegenerativních stavů. Patří mezi ně donepezil, rivastigmin a galantamin.

Reference

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, a Sussman, JL (2010). Acetylcholinesteráza: Od 3D struktury k funkci. Chemico-Biological Interactions, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Inhibitory acetylcholinesterázy z rostlin a hub. Natural Product Reports, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM a Vasi, VM (2013). Inhibitory acetylcholinesterázy: farmakologie a toxikologie. Current Neuropharmacology, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M. a Houghton, PJ (2007). Inhibitory acetylcholinesterázy z rostlin. Phytomedicine, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylcholinesteráza: struktura enzymu, reakční dynamika a virtuální přechodové stavy. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Inhibitory acetylcholinesterázy: nové aktivity starých molekul. Pharmacological Research, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylcholinesteráza. Pokroky v enzymologii a příbuzných oblastech molekulární biologie, 43, 103–218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesteráza - nové role starého herce. Nature Reviews, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylcholinesteráza u Alzheimerovy choroby. Mechanismy stárnutí a vývoje, 122, 1961–1969.