ACETYLCHOLINESTERASE: STRUCTUUR, FUNCTIES EN REMMERS - BIOLOGIE - 2024

De acetylcholinesterase (acetylcholine-acetylhydrolase, EC 3.1.1.7) is een enzym dat voornamelijk in het centrale zenuwstelsel wordt aangetroffen. Zijn taak, zoals de naam al aangeeft, is de hydrolytische verwerking van de neurotransmitter acetylcholine.

Het is een enzym dat is geassocieerd met het celmembraan en dat samen met de acetylcholinereceptor de excitatie van postsynaptische cellen medieert en waarvan het katalytische mechanisme verrassend snel is.

Structuur van Acetylcholinesterase (Bron: Wikimedia Commons)

Vanuit mechanisch oogpunt kan dit enzym worden gezien als een serinehydrolase, en in het katalytische domein van zijn actieve plaats bevat het de triade van aminozuren die kenmerkend zijn voor serineproteasen: serine, histidine en een zuur residu. Het zure residu is echter een glutamaat, terwijl serineproteasen normaal gesproken een aspartaat bezitten.

Acetylcholinestructuur (Bron: Alinebloom via Wikimedia Commons)

Een van de eerste waarnemingen die de katalytische activiteit van acetylcholinesterase in verband bracht met cholinerge zenuwweefsels en spierweefsels, werd gedaan door Dale in 1914; later is vastgesteld dat het ook aanwezig is in niet-cholinerge neuronen en in hematopoëtische, osteogene en neoplastische cellen.

Dankzij de studie van verschillende organismen is het momenteel bekend dat het enzym aanwezig is in het membraan van verschillende soorten cellen zoals erytrocyten, zenuw- en spiercellen, elektrische organen en andere.

Structuur

Tertiaire en quartaire structuur

Onder natuurlijke of "in vivo" omstandigheden is acetylcholinesterase een polymorf enzym dat is samengesteld uit verschillende katalytische subeenheden van meer of minder 80 kDa, die samenkomen om een ​​oligomere structuur te vormen (van verschillende subeenheden).

De hoeveelheid en complexiteit van deze subeenheden hangt af van het celtype en de beschouwde soort.

Sommige van de meer complexe enzymvormen hebben katalytische subeenheden met bolvormige (G) of asymmetrische (A) vormen die zijn verbonden door disulfidebruggen. Disulfidebruggen zijn covalente bindingen die worden gevormd tussen twee zwavelmoleculen van de thiolgroepen (-SH) van twee residuen van het aminozuur cysteïne.

Elke G-subeenheid bevat een enkele actieve site, terwijl de A-subeenheden over het algemeen worden gekenmerkt door drie structurele domeinen, namelijk: katalytische subeenheden, collageenachtige staarten die rijk zijn aan glycine-, hydroxyproline- en hydroxylysineresiduen en andere. niet-collageen lijmen (anders dan collageen).

De asymmetrische vormen van acetylcholinesterase staan ​​bekend als A12, A8 en A4, die respectievelijk 12, 8 en 4 katalytische subeenheden hebben.

Over het algemeen worden de residuen van het katalytische domein op de actieve site gevonden in een "diep" gebied van de subeenheden, wat als tegenstrijdig kan worden gezien met betrekking tot de hoge reactiesnelheid die dit enzym katalyseert en de schijnbare ontoegankelijkheid van het substraat voor deze sites. .

Ongeacht het polymorfisme van het enzym, hebben zowel globulaire als asymmetrische subeenheden vergelijkbare katalytische activiteiten.

Varianten

Bepaalde andere cellen dan zenuwcellen, zoals erytrocyten, produceren acetylcholinesterase-enzymen die overwegend bolvormig, dimeer zijn en meestal worden geassocieerd met de buitenkant van het plasmamembraan.

Het erytrocytenzym, hoewel minder structureel complex, is ook een amfipatisch enzym, waarvan het actieve katalytische domein wordt aangetroffen in het grote hydrofiele gebied, terwijl het hydrofobe domein, dat het carboxyl-terminale gebied bevat, verantwoordelijk is voor het ondersteunen van het in het membraan. .

Primaire structuur

Veel van de huidige kennis over de sequentie van acetylcholinesterase komt voort uit de studie van het enzym Torpedo californica, een pijlstaartrogvis die leeft in de Stille Oceaan en die van oudsher wordt gebruikt als modelorganisme voor de studie van verschillende eiwitten van het zenuwstelsel.

Acetylcholinesterase-subeenheden worden gesynthetiseerd als pro-eiwitten die vervolgens worden verwerkt om rijpe subeenheden te doen ontstaan. Elke subeenheid bestaat uit een polypeptide van ongeveer 575 aminozuren en een molecuulgewicht van 65 kDa, dat wordt verhoogd door de toevoeging van 7-8% koolhydraatresiduen (glycosylering).

De katalytische activiteit van de actieve plaats van de subeenheden wordt bepaald door een serineresidu op positie 200, die wordt aangetroffen in een "diep" gebied van de katalytische subeenheden.

Er bestaan ​​verschillende varianten of isovormen van het enzym in organismen dankzij verschillende plaatsen voor de "alternatieve splitsing" van pre-boodschapper-RNA's aan beide uiteinden (5 'en 3'). De carboxyl-terminale sequentie van de isovorm van elke subeenheid bepaalt de samenstelling van de oligomeren met elkaar.

Kenmerken

Acetylcholinesterase is een enzym met meerdere biologische functies die niet noodzakelijkerwijs met elkaar verband houden. Een feit dat wordt bevestigd door zijn differentiële expressie tijdens embryogenese, embryonale neurale extensie, spierontwikkeling en synaptogenese.

Zoals hierboven benadrukt, speelt het een belangrijke rol bij de snelle hydrolyse van acetylcholine en dus bij de regulering van het effect ervan in de neuromusculaire synaptische ruimte of in de cholinerge synaptische ruimtes van het centrale zenuwstelsel.

Een voorbeeld van zijn functies is de samentrekking van skeletspieren, die optreedt dankzij een soort chemische synaps die bekend staat als een motorische eindplaat, die zich tussen een motorneuron en een spiervezel bevindt.

Bij deze synaps worden honderden met acetylcholine geladen blaasjes geproduceerd, die vrijkomen uit het motorneuron voor de voortplanting van een elektrische impuls.

Dit neurotransmissieproces is vrij complex, maar de deelname van acetylcholinesterase is cruciaal voor de beëindiging van synaptische transmissie die afhangt van de neurotransmitter acetylcholine, aangezien het moet worden afgebroken en vervolgens buiten de synaptische spleet moet diffunderen om te culmineren met de membraan excitatie.

Het enzym acetylcholinesterase is dus verantwoordelijk voor het reguleren van de concentratie van deze zender in de neuromotorische synaps.

Andere "niet-klassieke" functies van het enzym zijn gerelateerd aan neuritogenese of groei van zenuwcellen; met de processen van celadhesie, synaptogenese, activering van neuronen-dopamine in de substantia nigra van de middenhersenen, hematopoietische processen en poëtische trombus, onder anderen.

Remmers

Acetylcholinesteraseremmers werken door te voorkomen dat het acetylcholine hydroliseert, waardoor het niveau en de werkingsduur van deze neurotransmitter toenemen. Ze kunnen volgens hun werkingsmechanisme worden geclassificeerd als omkeerbaar en onomkeerbaar.

Onomkeerbare remmers

Zij zijn degenen die de hydrolytische activiteit van acetylcholinesterase onomkeerbaar remmen door zijn covalente binding aan het serineresidu op de actieve plaats van het enzym. Deze groep bestaat voornamelijk uit de organofosfaten.

Over het algemeen zijn dit actieve verbindingen die in veel insecticiden worden aangetroffen en die verantwoordelijk zijn voor een groot aantal sterfgevallen door accidentele vergiftiging. Het zijn esters of thiolen die zijn afgeleid van fosforzuur, fosfonzuur, fosfinezuur of fosforamidezuur.

Sarin, tabun, soman en cyclosarine behoren tot de meest giftige verbindingen die door de mens worden gesynthetiseerd, omdat ze een mens kunnen doden door ademhalings- en circulatiestoornissen te induceren door acetylcholinesterase in het perifere zenuwstelsel te blokkeren.

Moleculaire structuur van de organofosfaatremmer «Sarin» (Bron: Sivizius via Wikimedia Commons)

Sarin is bijvoorbeeld een ‘zenuwgas’ dat is gebruikt als chemisch wapen voor terroristen.

Omkeerbare remmers

Deze volgorde van classificatie groepeert competitieve en niet-competitieve remmers die werken door de voorbijgaande en omkeerbare carbamylering van een serineresidu in de actieve plaats en vele zijn gesynthetiseerd en gezuiverd uit planten- of schimmelbronnen.

Carbamaten zoals fysostigmine en neostigmine zijn reversibele remmers die worden gebruikt als geneesmiddelen voor de behandeling van ziekten zoals respectievelijk glaucoom en myasthenia gravis.

Andere therapeutische middelen in deze groep worden ook gebruikt voor de behandeling van de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson, postoperatieve darmobstructies (postoperatieve ileus), opgezette blaas en als tegengif voor een anticholinergische overdosis.

Butyrylcholinesterase

Een interessant natuurlijk mechanisme tegen sommige acetylcholinesteraseremmers heeft te maken met de deelname van een minder specifiek enzym dat bekend staat als butyrylcholinesterase.

Dit enzym is ook in staat om acetylcholine te hydrolyseren en tegelijkertijd kan het fungeren als een moleculaire lokvogel die reageert met deze toxines voordat ze hun negatieve effect op acetylcholinesterase uitoefenen.

Acetylcholinesterase en de ziekte van Alzheimer

Van acetylcholinesterase is aangetoond dat het een stabiel complex vormt met de componenten van seniele plaques die kenmerkend zijn voor de pathologie. Bovendien zijn enkele veranderde glycosylatiepatronen van dit enzym in verband gebracht met de aanwezigheid en vorming van amyloïde plaques in de hersenen.

Veel van de reversibele acetylcholinesteraseremmers zijn daarom gebruikt als geneesmiddelen van de eerste generatie voor de behandeling van deze ziekte en andere verwante neurodegeneratieve aandoeningen. Deze omvatten donepezil, rivastigmine en galantamine.

Referenties

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL en Sussman, JL (2010). Acetylcholinesterase: van 3D-structuur naar functie. Chemisch-biologische interacties, 187, 10-22.
2. Houghton, P., Ren, Y., en Howes, M. (2006). Acetylcholinesteraseremmers uit planten en schimmels. Natural Product Reports, 23, 181-199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM en Vasi, VM (2013). Acetylcholinesteraseremmers: farmacologie en toxicologie. Current Neuropharmacology, 11, 315-335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Acetylcholinesteraseremmers uit planten. Phytomedicine, 14, 289-300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylcholinesterase: enzymstructuur, reactiedynamica en virtuele overgangstoestanden. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Acetylcholinesteraseremmers: nieuwe activiteiten van oude moleculen. Farmacologisch onderzoek, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylcholinesterase. Vooruitgang in de enzymologie en aanverwante gebieden van moleculaire biologie, 43, 103-218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesterase - nieuwe rollen voor een oude acteur. Nature beoordelingen, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylcholinesterase bij de ziekte van Alzheimer. Mechanismen van veroudering en ontwikkeling, 122, 1961-1969.