АЦЕТИЛХОЛІНЕСТЕРАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ ТА ІНГІБІТОРИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Ацетилхолінестерази (ацетилхолін ацетил - гідролаза, EC 3.1.1.7) являє собою фермент , знайдений в основному в центральній нервовій системі. Його завдання, як випливає з назви, - гідролітична обробка нейромедіатора ацетилхоліном.

Це фермент, пов'язаний з клітинною мембраною, який працює разом з рецептором ацетилхоліну для опосередкування збудження постсинаптичних клітин і каталітичний механізм якого дивно швидкий.

Структура ацетилхолінестерази (Джерело: Wikimedia Commons)

З механічної точки зору цей фермент можна розглядати як серин гідролазу, а в каталітичному домі його активного сайту він містить тріаду амінокислот, характерну для серинових протеаз: серин, гістидин та кислий залишок. Однак кислий залишок є глутаматом, тоді як серинові протеази зазвичай мають аспартат.

Структура ацетилхоліну (Джерело: Alinebloom через Wikimedia Commons)

Одне з перших спостережень, яке пов'язувало каталітичну активність ацетилхолінестерази з холінергічними нервовими тканинами та м’язовими тканинами, було зроблене Дейлом у 1914 році; пізніше було встановлено, що він також присутній у нехолінергічних нейронах та у кровотворних, остеогенних та неопластичних клітинах.

Завдяки вивченню різних організмів в даний час відомо, що фермент присутній в мембрані різних типів клітин, таких як еритроцити, нервові та м’язові клітини, електричні органи та інші.

Будова

Третинна і четвертинна структура

В природних умовах або "in vivo" ацетилхолінестераза - це поліморфний фермент, який складається з декількох каталітичних субодиниць більше або менше 80 кДа, які збираються для формування олігомерної структури (з декількох субодиниць).

Кількість та складність цих субодиниць залежить від типу клітин та розглянутих видів.

Деякі з більш складних форм ферментів мають каталітичні субодиниці з кульовими (G) або асиметричними (A) формами, пов'язаними дисульфідними мостами. Дисульфідні мости - це ковалентні зв’язки, утворені між двома молекулами сірки тіолових груп (-SH) двох залишків амінокислоти цистеїну.

Кожна субодиниця G містить один активний сайт, тоді як субодиниці А зазвичай характеризуються трьома структурними доменами, а саме: каталітичні субодиниці, колагенові хвости, багаті залишками гліцину, гідроксипроліну та гідроксилізину та інші не колагенові клеї (відмінні від колагену).

Асиметричні форми ацетилхолінестерази відомі як A12, A8 та A4, які мають 12, 8 та 4 каталітичні субодиниці відповідно.

Як правило, залишки каталітичного домену в активному майданчику знаходяться в "глибокій" області субодиниць, що може розглядатися як суперечливе відносно швидкої швидкості реакції, яка каталізує цей фермент, і очевидної недоступності субстрату до цих сайтів .

Незалежно від поліморфізму ферменту, і глобулярна, і асиметрична субодиниці мають схожу каталітичну активність.

Варіанти

Деякі клітини, крім нервових клітин, такі як еритроцити, продукують ферменти ацетилхолінестерази, переважно кульові, димерні і здебільшого пов'язані із зовнішньою поверхнею плазматичної мембрани.

Фермент еритроцитів, хоча і має меншу структурну складність, також є амфіпатичним ферментом, активний каталітичний домен якого знаходиться у великій гідрофільній області, тоді як гідрофобний домен, який містить карбоксильну кінцеву область, відповідає за підтримання його в мембрані. .

Первинна структура

Значна частина сучасних знань про послідовність ацетилхолінестерази виникла при вивченні ферменту Torpedo californica, риби жареної, яка живе в Тихому океані і яка традиційно використовується як модельний організм для вивчення різних білків нервової системи.

Субодиниці ацетилхолінестерази синтезуються як про-білки, які потім обробляються для отримання зрілих субодиниць. Кожна субодиниця складається з поліпептиду приблизно 575 амінокислот і молекулярної маси 65 кДа, який збільшується додаванням 7-8% вуглеводних залишків (глікозилювання).

Каталітична активність активного сайту субодиниць визначається сериновим залишком у положенні 200, який знаходиться у «глибокій» області каталітичної субодиниці.

Різні варіанти або ізоформи ферменту існують в організмах завдяки різним ділянкам для «альтернативного сплайсингу» РНК перед месенджером на обох їх кінцях (5 'та 3'). Карбокси-кінцева послідовність ізоформи кожної субодиниці - це те, що визначає складання олігомерів один з одним.

Особливості

Ацетилхолінестераза - це фермент з безліччю біологічних функцій, не обов'язково пов'язаних один з одним. Факт засвідчується його диференційованою експресією під час ембріогенезу, ембріонального розширення нейрона, розвитку м'язів та синаптогенезу.

Як було зазначено вище, він відіграє важливу роль у швидкому гідролізі ацетилхоліну і, таким чином, у регулюванні його дії в нервово-м’язовому синаптичному просторі або в холінергічних синаптичних просторах центральної нервової системи.

Прикладом його функцій є скорочення скелетних м’язів, яке відбувається завдяки типу хімічного синапсу, відомому як моторна кінцева пластина, розташованому між моторним нейроном і м’язовим волокном.

У цьому синапсі виходять сотні навантажених ацетилхоліном везикул, які вивільняються з моторного нейрона для поширення електричного імпульсу.

Цей процес нейромедіації є досить складним, однак участь ацетилхолінестерази має вирішальне значення для припинення синаптичної передачі, що залежить від нейромедіатора ацетилхоліну, оскільки він повинен бути деградованим і повинен дифундувати за межами синаптичної щілини, щоб досягти кульмінації. мембранне збудження.

Таким чином, фермент ацетилхолінестераза відповідає за регуляцію концентрації цього передавача в нейромоторному синапсі.

Інші "некласичні" функції ферменту пов'язані з невритогенезом або зростанням нервових клітин; з процесами клітинної адгезії, синаптогенезу, активації нейронів-дофаміну в субстанції nigra середнього мозку, кровотворних процесів та поетічного тромбу, серед інших.

Інгібітори

Інгібітори ацетилхолінестерази працюють, запобігаючи гідролізу ацетилхоліну, тим самим збільшуючи рівень і тривалість дії цього нейромедіатора. За механізмом їх дії вони можуть бути класифіковані як оборотні та незворотні.

Незворотні інгібітори

Вони є тими, що незворотно пригнічують гідролітичну активність ацетилхолінестерази шляхом її ковалентного зв’язування з залишком серину в активному місці ферменту. Ця група в основному складається з органофосфатів.

Взагалі, це активні сполуки, які містяться у багатьох інсектицидах і є причиною великої кількості випадкових випадків отруєння. Вони являють собою ефіри або тіоли, отримані з фосфорної, фосфонової, фосфінової або фосфорамідної кислоти.

Сарин, табун, соман і циклосарин є одними з найбільш токсичних сполук, синтезованих людиною, оскільки вони можуть вбити людину, викликаючи порушення дихання та кровообігу, блокуючи ацетилхолінестеразу в периферичній нервовій системі.

Молекулярна структура інгібітору фосфорорганізації «Сарін» (Джерело: Сивізіус через Вікімедію)

Наприклад, Сарін - це "нервовий газ", який використовувався як хімічна зброя для терористичного використання.

Оборотні інгібітори

Цей порядок класифікаційних груп конкурентоспроможних та неконкурентоспроможних інгібіторів, які працюють через тимчасове та оборотне карбамілювання залишку серину в активному місці та багато з них були синтезовані та очищені з рослинних чи грибкових джерел.

Карбамати, такі як фізостигмін та неостигмін, є оборотними інгібіторами, які використовуються як лікарські засоби для лікування таких захворювань, як глаукома та міастенія відповідно.

Інші терапевтичні засоби цієї групи також використовуються для лікування хвороби Альцгеймера, хвороби Паркінсона, післяопераційних кишкових непрохідностей (післяопераційний непрохідність кишечника), відшарування сечового міхура та як антидоти проти антихолінергічної передозування.

Бутирилхолінестераза

Цікавий природний механізм проти деяких інгібіторів ацетилхолінестерази пов'язаний із участю менш специфічного ферменту, відомого як бутирилхолінестераза.

Цей фермент також здатний гідролізувати ацетилхолін, і в той же час він може діяти як молекулярний манок, який реагує з цими токсинами, перш ніж вони чинять негативний вплив на ацетилхолінестеразу.

Ацетилхолінестераза та хвороба Альцгеймера

Показано, що ацетилхолінестераза утворює стійкий комплекс з компонентами старечих бляшок, характерних для патології. Крім того, деякі змінені структури глікозилювання цього ферменту були пов'язані з наявністю та утворенням амілоїдних бляшок у мозку.

Тому багато з оборотних інгібіторів ацетилхолінестерази використовуються як препарати першого покоління для лікування цього захворювання та інших супутніх нейродегенеративних станів. До них відносяться донепезил, ривастигмін та галантамін.

Список літератури

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Ацетилхолінестераза: від структури 3D до функції. Хіміко-біологічні взаємодії, 187, 10–22.
2. Хафтон, П., Рен, Ю. та Хоуз, М. (2006). Інгібітори ацетилхолінестерази з рослин та грибів. Звіти про природні продукти, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Інгібітори ацетилхолінестерази: фармакологія та токсикологія. Поточна нейрофармакологія, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Інгібітори ацетилхолінестерази з рослин. Фітомедицина, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Ацетилхолінестераза: структура ферментів, динаміка реакцій та віртуальний стан переходу. Хім. Рев., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Інгібітори ацетилхолінестерази: нова активність старих молекул. Фармакологічні дослідження, 50, 441-451.
7. Розенберрі, Т. (1975). Ацетилхолінестераза. Успіхи в ензимології та суміжних областях молекулярної біології, 43, 103–218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Ацетилхолінестераза - нові ролі для старого актора. Огляди природи, 2, 294-302.
9. Талеса, В. Н. (2001). Ацетилхолінестераза при хворобі Альцгеймера. Механізми старіння та розвитку, 122, 1961–1969.