ACETILCOLINESTERAZA: STRUCTURĂ, FUNCȚII ȘI INHIBITORI - BIOLOGIE - 2025

Acetilcolinesterazei (acetilcolina acetil hidrolază, EC 3.1.1.7) este o enzimă care se găsește în principal în sistemul nervos central. Sarcina sa, așa cum sugerează și numele, este procesarea hidrolitică a acetilcolinei neurotransmițătorului.

Este o enzimă asociată membranei celulare care lucrează împreună cu receptorul acetilcolinei pentru a media excitația celulelor postsinaptice și al căror mecanism catalitic este surprinzător de rapid.

Structura acetilcolinesterazei (Sursa: Wikimedia Commons)

Din punct de vedere mecanic, această enzimă poate fi văzută ca o serină hidrolază, iar în domeniul catalitic al situsului său activ conține triada de aminoacizi caracteristici serinelor proteaze: serină, histidină și un reziduu acid. Cu toate acestea, reziduul acid este un glutamat, în timp ce serin proteazele posedă în mod normal un aspartat.

Structura acetilcolinei (Sursa: Alinebloom prin Wikimedia Commons)

Una dintre primele observații care au legat activitatea catalitică a acetilcolinesterazei cu țesuturile nervoase colinergice și țesuturile musculare a fost făcută de Dale în 1914; ulterior s-a stabilit că este prezent și în neuronii necolinergici și în celulele hematopoietice, osteogene și neoplazice.

Datorită studiului diverselor organisme, se știe în prezent că enzima este prezentă în membrana diferitelor tipuri de celule precum eritrocite, celule nervoase și musculare, organe electrice și altele.

Structura

Structura terțiară și cuaternară

În condiții naturale sau „in vivo”, acetilcolinesteraza este o enzimă polimorfă care este compusă din mai multe subunități catalitice de mai mult sau mai puțin de 80 kDa, care se asamblează pentru a forma o structură oligomerică (a mai multor subunități).

Cantitatea și complexitatea acestor subunități depinde de tipul de celulă și de speciile luate în considerare.

Unele dintre formele enzimatice mai complexe au subunități catalitice cu forme globulare (G) sau asimetrice (A) legate de punți disulfidice. Punțile disulfurice sunt legături covalente formate între două molecule de sulf ale grupărilor tiol (-SH) a două reziduuri ale aminoacidului cisteină.

Fiecare subunitate G conține un singur situs activ, în timp ce subunitățile A sunt în general caracterizate prin faptul că au trei domenii structurale, și anume: subunități catalitice, cozi asemănătoare cu colagen bogate în glicină, hidroxiprolină și reziduuri de hidroxilexină și altele lipici necolagenice (diferite de colagen).

Formele asimetrice ale acetilcolinesterazei sunt cunoscute sub numele de A12, A8 și A4, care au 12, 8 și, respectiv, 4 subunități catalitice.

În general, reziduurile domeniului catalitic din situsul activ se găsesc într-o regiune „adâncă” a subunităților, ceea ce ar putea fi văzut ca fiind contradictoriu în ceea ce privește viteza rapidă a reacției care catalizează această enzimă și inaccesibilitatea aparentă a substratului pentru aceste site-uri. .

Indiferent de polimorfismul enzimei, atât subunitățile globulare cât și cele asimetrice au activități catalitice similare.

variante

Unele celule, altele decât celulele nervoase, cum ar fi eritrocitele, produc enzime acetilcolinesterază care sunt predominant globulare, dimerice și asociate mai ales cu fața exterioară a membranei plasmatice.

Enzima eritrocit, deși are o complexitate structurală mai mică, este și o enzimă amfipatică, al cărei domeniu catalitic activ se regăsește în regiunea hidrofilă mare, în timp ce domeniul hidrofob, care conține regiunea terminală carboxilică, este responsabil pentru susținerea acesteia în membrană .

Structura primară

O mare parte din cunoștințele actuale despre secvența acetilcolinesterazei au provenit din studiul enzimei Torpedo californica, un pește înțepător care trăiește în Oceanul Pacific și care a fost utilizat în mod tradițional ca organism model pentru studiul diferitelor proteine ​​ale sistemului nervos.

Subunitățile acetilcolinesterazei sunt sintetizate sub formă de pro-proteine ​​care sunt apoi prelucrate pentru a da naștere subunităților mature. Fiecare subunitate este formată dintr-un polipeptid de aproximativ 575 aminoacizi și greutate moleculară de 65 kDa, care este crescut prin adăugarea de 7-8% resturi de carbohidrați (glicozilare).

Activitatea catalitică a situsului activ al subunităților este determinată de un rezidu de serină la poziția 200, care se găsește într-o regiune „adâncă” a subunităților catalitice.

Diferite variante sau izoforme ale enzimei există în organisme datorită diferitelor site-uri pentru „splicing-ul alternativ” al ARN-urilor pre-mesagerie la ambele capete ale acestora (5 ’și 3’). Secvența carboxil-terminal a izoformă a fiecărei subunități este cea care determină asamblarea oligomerilor între ele.

Caracteristici

Acetilcolinesteraza este o enzimă cu multiple funcții biologice care nu sunt neapărat legate între ele. Un fapt atestat de expresia sa diferențială în timpul embriogenezei, extensiei neuronale embrionare, dezvoltării musculare și sinaptogenezei.

După cum s-a evidențiat mai sus, are un rol important în hidroliza rapidă a acetilcolinei și, prin urmare, în reglarea efectului său în spațiul sinaptic neuromuscular sau în spațiile sinaptice colinergice ale sistemului nervos central.

Un exemplu al funcțiilor sale este contracția mușchiului scheletului, care apare datorită unui tip de sinapză chimică cunoscută sub numele de placă motorie, situată între un neuron motor și o fibră musculară.

Sute de vezicule încărcate cu acetilcolină sunt produse la această sinapsă, care sunt eliberate din neuronul motor pentru propagarea unui impuls electric.

Acest proces de neurotransmisie este destul de complex, cu toate acestea, participarea acetilcolinesterazei este crucială pentru încetarea transmiterii sinaptice care depinde de neurotransmițătorul acetilcolină, deoarece trebuie degradată și apoi trebuie să difuzeze în afara fantei sinaptice pentru a culmina cu excitarea membranei.

Astfel, enzima acetilcolinesteraza este responsabilă pentru reglarea concentrației acestui transmițător în sinapsa neuromotorie.

Alte funcții „neclasice” ale enzimei sunt legate de neuritogeneza sau creșterea celulelor nervoase; cu procesele de adeziune celulară, sinaptogeneză, activarea neuronilor-dopaminei în substanța nigra a creierului central, procese hematopoietice și trombus poietic, printre altele.

inhibitori

Inhibitorii acetilcolinesterazei funcționează prin prevenirea hidrolizării acetilcolinei, crescând astfel nivelul și durata acțiunii acestui neurotransmițător. Ele pot fi clasificate, în funcție de mecanismul lor de acțiune, ca reversibile și ireversibile.

Inhibitori ireversibili

Acestea sunt cele care inhibă ireversibil activitatea hidrolitică a acetilcolinesterazei prin legarea sa covalentă la reziduul serin din situsul activ al enzimei. Acest grup este format în principal din organofosfați.

În general, aceștia sunt compuși activi găsiți în multe insecticide și sunt responsabili pentru un număr mare de decese prin intoxicații accidentale. Sunt esteri sau tioli derivați din acid fosforic, fosforic, fosfinic sau fosforamidic.

Sarinul, tabunul, somanul și cyclosarinul sunt printre cei mai toxici compuși sintetizați de om, deoarece pot ucide o ființă umană prin inducerea unei insuficiențe respiratorii și circulatorii prin blocarea acetilcolinesterazei în sistemul nervos periferic.

Structura moleculară a inhibitorului de organofosfat «Sarin» (Sursa: Sivizius prin Wikimedia Commons)

Sarin, de exemplu, este un „gaz nervos” care a fost folosit ca armă chimică pentru uz terorist.

Inhibitori reversibili

Această ordine de clasificare grupează inhibitori competitivi și non-competitivi care funcționează prin carbamilarea tranzitorie și reversibilă a unui rezidu de serină în situsul activ și mulți au fost sintetizați și purificați din surse vegetale sau fungice.

Carboamatii, cum ar fi fizostigmina și neostigmina, sunt inhibitori reversibili, care sunt folosiți ca medicamente pentru tratamentul unor boli precum glaucomul și respectiv miastenia gravis.

Alți agenți terapeutici din această grupă sunt de asemenea folosiți pentru tratamentul bolii Alzheimer, boala Parkinson, obstrucții intestinale postoperatorii (ileus postoperator), distensia vezicii urinare și ca antidoturi pentru supradozaj anticolinergic.

butirilcolinesterazei

Un mecanism natural interesant împotriva unor inhibitori ai acetilcolinesterazei are legătură cu participarea unei enzime mai puțin specifice cunoscută sub numele de butirilcolinesteraza.

Această enzimă este, de asemenea, capabilă să hidrolizeze acetilcolina și, în același timp, poate acționa ca o substanță moleculară care reacționează cu aceste toxine înainte de a-și exercita efectul negativ asupra acetilcolinesterazei.

Acetilcolinesteraza și boala Alzheimer

S-a dovedit că acetilcolinesteraza formează un complex stabil cu componentele plăcilor senile caracteristice patologiei. Mai mult, unele modele de glicozilare modificate ale acestei enzime au fost legate de prezența și formarea plăcilor de amiloid în creier.

Prin urmare, mulți dintre inhibitorii reversibili ai acetilcolinesterazei au fost folosiți ca medicamente de primă generație pentru tratamentul acestei boli și a altor afecțiuni neurodegenerative conexe. Acestea includ donepezil, rivastigmină și galantamină.

Referințe

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetilcolinesteraza: De la structura 3D la funcționare. Interacțiuni chimico-biologice, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Inhibitori ai acetilcolinesterazei din plante și ciuperci. Rapoarte despre produse naturale, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Inhibitori ai acetilcolinesterazei: farmacologie și toxicologie. Neuroparmacologie curentă, 11, 315-335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Inhibitori ai acetilcolinesterazei din plante. Fitomedicină, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetilcolinesteraza: structură enzimatică, dinamică a reacției și state de tranziție virtuală. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Inhibitori ai acetilcolinesterazei: activități noi ale moleculelor vechi. Cercetări farmacologice, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetilcolinesterază. Progrese în enzimologie și domenii conexe de biologie moleculară, 43, 103-218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetilcolinesteraza - noi roluri pentru un actor vechi. Recenzii despre natură, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetilcolinesteraza în boala Alzheimer. Mecanisme de îmbătrânire și dezvoltare, 122, 1961–1969.