ACETYLCHOLINESTERASE: STRUKTUR, FUNKTIONEN UND INHIBITOREN - BIOLOGIE - 2025

Die Acetylcholinesterase (Acetylcholinacetylhydrolase, EC 3.1.1.7) ist ein Enzym, das hauptsächlich im Zentralnervensystem vorkommt. Seine Aufgabe ist, wie der Name schon sagt, die hydrolytische Verarbeitung des Neurotransmitters Acetylcholin.

Es ist ein mit der Zellmembran assoziiertes Enzym, das zusammen mit dem Acetylcholinrezeptor die Anregung postsynaptischer Zellen vermittelt und dessen katalytischer Mechanismus überraschend schnell ist.

Struktur der Acetylcholinesterase (Quelle: Wikimedia Commons)

Aus mechanischer Sicht kann dieses Enzym als Serinhydrolase angesehen werden und enthält in der katalytischen Domäne seines aktiven Zentrums die für Serinproteasen charakteristische Triade von Aminosäuren: Serin, Histidin und einen sauren Rest. Der saure Rest ist jedoch ein Glutamat, während Serinproteasen normalerweise ein Aspartat besitzen.

Acetylcholinstruktur (Quelle: Alinebloom über Wikimedia Commons)

Eine der ersten Beobachtungen, die die katalytische Aktivität von Acetylcholinesterase mit cholinergen Nerven- und Muskelgeweben in Verbindung brachten, wurde 1914 von Dale gemacht; später wurde festgestellt, dass es auch in nicht-cholinergen Neuronen sowie in hämatopoetischen, osteogenen und neoplastischen Zellen vorhanden ist.

Dank der Untersuchung verschiedener Organismen ist derzeit bekannt, dass das Enzym in der Membran verschiedener Zelltypen wie Erythrozyten, Nerven- und Muskelzellen, elektrischen Organen und anderen vorhanden ist.

Struktur

Tertiäre und quaternäre Struktur

Unter natürlichen oder "in vivo" -Bedingungen ist Acetylcholinesterase ein polymorphes Enzym, das aus mehreren katalytischen Untereinheiten von mehr oder weniger 80 kDa besteht, die sich zu einer oligomeren Struktur (mehrerer Untereinheiten) zusammensetzen.

Die Menge und Komplexität dieser Untereinheiten hängt vom Zelltyp und der betrachteten Art ab.

Einige der komplexeren Enzymformen haben katalytische Untereinheiten mit globulären (G) oder asymmetrischen (A) Formen, die durch Disulfidbrücken verbunden sind. Disulfidbrücken sind kovalente Bindungen, die zwischen zwei Schwefelmolekülen der Thiolgruppen (-SH) zweier Reste der Aminosäure Cystein gebildet werden.

Jede G-Untereinheit enthält ein einzelnes aktives Zentrum, während die A-Untereinheiten im Allgemeinen durch drei strukturelle Domänen gekennzeichnet sind, nämlich katalytische Untereinheiten, kollagenartige Schwänze, die reich an Glycin-, Hydroxyprolin- und Hydroxylysinresten sind, und andere nicht kollagene Klebstoffe (anders als Kollagen).

Die asymmetrischen Formen der Acetylcholinesterase sind als A12, A8 und A4 bekannt, die 12, 8 bzw. 4 katalytische Untereinheiten aufweisen.

Im Allgemeinen befinden sich die Reste der katalytischen Domäne im aktiven Zentrum in einem "tiefen" Bereich der Untereinheiten, was als widersprüchlich in Bezug auf die schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, die dieses Enzym katalysiert, und die offensichtliche Unzugänglichkeit des Substrats für diese Stellen angesehen werden könnte. .

Unabhängig vom Polymorphismus des Enzyms weisen sowohl globuläre als auch asymmetrische Untereinheiten ähnliche katalytische Aktivitäten auf.

Varianten

Bestimmte andere Zellen als Nervenzellen, wie beispielsweise Erythrozyten, produzieren Acetylcholinesteraseenzyme, die überwiegend kugelförmig, dimer und meist mit der Außenseite der Plasmamembran assoziiert sind.

Das Erythrozytenenzym ist, obwohl von geringerer struktureller Komplexität, auch ein amphipathisches Enzym, dessen aktive katalytische Domäne sich in der großen hydrophilen Region befindet, während die hydrophobe Domäne, die die carboxylterminale Region enthält, dafür verantwortlich ist, diese in der Membran aufrechtzuerhalten .

Primärstruktur

Ein Großteil des aktuellen Wissens über die Sequenz der Acetylcholinesterase ergab sich aus der Untersuchung des Enzyms Torpedo californica, eines im Pazifischen Ozean lebenden Stachelrochenfisches, der traditionell als Modellorganismus für die Untersuchung verschiedener Proteine ​​des Nervensystems verwendet wurde.

Die Acetylcholinesterase-Untereinheiten werden als Pro-Proteine ​​synthetisiert, die dann verarbeitet werden, um reife Untereinheiten hervorzubringen. Jede Untereinheit besteht aus einem Polypeptid mit etwa 575 Aminosäuren und einem Molekulargewicht von 65 kDa, das durch Zugabe von 7-8% Kohlenhydratresten (Glykosylierung) erhöht wird.

Die katalytische Aktivität des aktiven Zentrums der Untereinheiten wird durch einen Serinrest an Position 200 bestimmt, der sich in einem "tiefen" Bereich der katalytischen Untereinheiten befindet.

Verschiedene Organismen oder Isoformen des Enzyms existieren in Organismen dank unterschiedlicher Stellen für das "alternative Spleißen" von Prä-Messenger-RNAs an beiden Enden (5 'und 3'). Die carboxylterminale Sequenz der Isoform jeder Untereinheit bestimmt die Anordnung der Oligomere miteinander.

Eigenschaften

Acetylcholinesterase ist ein Enzym mit mehreren biologischen Funktionen, die nicht unbedingt miteinander verwandt sind. Eine Tatsache, die durch ihre unterschiedliche Expression während der Embryogenese, der embryonalen neuralen Ausdehnung, des Muskelaufbaus und der Synaptogenese bestätigt wird.

Wie oben hervorgehoben, spielt es eine wichtige Rolle bei der schnellen Hydrolyse von Acetylcholin und damit bei der Regulierung seiner Wirkung im neuromuskulären synaptischen Raum oder in den cholinergen synaptischen Räumen des Zentralnervensystems.

Ein Beispiel für seine Funktionen ist die Kontraktion des Skelettmuskels, die dank einer Art chemischer Synapse auftritt, die als Motorplatte bekannt ist und sich zwischen einem Motoneuron und einer Muskelfaser befindet.

In dieser Synapse werden Hunderte von mit Acetylcholin beladenen Vesikeln erhalten, die vom Motoneuron zur Ausbreitung eines elektrischen Impulses freigesetzt werden.

Dieser Neurotransmissionsprozess ist recht komplex. Die Beteiligung von Acetylcholinesterase ist jedoch entscheidend für die Beendigung der synaptischen Übertragung, die vom Neurotransmitter Acetylcholin abhängt, da dieser abgebaut werden muss und dann außerhalb des synaptischen Spaltes diffundieren muss, um mit dem zu gipfeln Membrananregung.

Somit ist das Enzym Acetylcholinesterase für die Regulierung der Konzentration dieses Transmitters in der neuromotorischen Synapse verantwortlich.

Andere "nicht klassische" Funktionen des Enzyms hängen mit der Neuritogenese oder dem Wachstum von Nervenzellen zusammen; unter anderem mit den Prozessen der Zelladhäsion, Synaptogenese, Aktivierung von Neuronen-Dopamin in der Substantia nigra des Mittelhirns, hämatopoetischen Prozessen und des poetischen Thrombus.

Inhibitoren

Acetylcholinesterase-Inhibitoren wirken, indem sie verhindern, dass es Acetylcholin hydrolysiert, wodurch das Ausmaß und die Dauer der Wirkung dieses Neurotransmitters erhöht werden. Sie können nach ihrem Wirkmechanismus als reversibel und irreversibel eingestuft werden.

Irreversible Inhibitoren

Sie sind diejenigen, die die hydrolytische Aktivität der Acetylcholinesterase durch ihre kovalente Bindung an den Serinrest im aktiven Zentrum des Enzyms irreversibel hemmen. Diese Gruppe besteht hauptsächlich aus den Organophosphaten.

Im Allgemeinen sind dies Wirkstoffe, die in vielen Insektiziden enthalten sind und für eine große Anzahl von Todesfällen durch versehentliche Vergiftung verantwortlich sind. Sie sind Ester oder Thiole, die von Phosphor-, Phosphon-, Phosphin- oder Phosphoramidsäure abgeleitet sind.

Sarin, Tabun, Soman und Cyclosarin gehören zu den giftigsten Verbindungen, die vom Menschen synthetisiert werden, da sie einen Menschen töten können, indem sie Atem- und Kreislaufversagen auslösen, indem sie Acetylcholinesterase im peripheren Nervensystem blockieren.

Molekülstruktur des Organophosphat-Inhibitors «Sarin» (Quelle: Sivizius über Wikimedia Commons)

Sarin zum Beispiel ist ein "Nervengas", das als chemische Waffe für terroristische Zwecke eingesetzt wurde.

Reversible Inhibitoren

Diese Reihenfolge von Klassifizierungsgruppen kompetitive und nicht kompetitive Inhibitoren, die durch die vorübergehende und reversible Carbamylierung eines Serinrests im aktiven Zentrum wirken, und viele wurden aus pflanzlichen oder pilzlichen Quellen synthetisiert und gereinigt.

Carbamate wie Physostigmin und Neostigmin sind reversible Inhibitoren, die als Arzneimittel zur Behandlung von Krankheiten wie Glaukom bzw. Myasthenia gravis eingesetzt werden.

Andere Therapeutika in dieser Gruppe werden auch zur Behandlung von Alzheimer, Parkinson, postoperativen Darmobstruktionen (postoperativer Ileus), Blasendehnung und als Gegenmittel gegen anticholinerge Überdosierungen verwendet.

Butyrylcholinesterase

Ein interessanter natürlicher Mechanismus gegen einige Acetylcholinesterase-Inhibitoren hat mit der Beteiligung eines weniger spezifischen Enzyms zu tun, das als Butyrylcholinesterase bekannt ist.

Dieses Enzym ist auch in der Lage, Acetylcholin zu hydrolysieren, und gleichzeitig kann es als molekularer Köder wirken, der mit diesen Toxinen reagiert, bevor sie ihre negative Wirkung auf Acetylcholinesterase ausüben.

Acetylcholinesterase und Alzheimer-Krankheit

Es wurde gezeigt, dass Acetylcholinesterase mit den für die Pathologie charakteristischen Bestandteilen seniler Plaques einen stabilen Komplex bildet. Darüber hinaus wurden einige veränderte Glykosylierungsmuster dieses Enzyms mit dem Vorhandensein und der Bildung von Amyloid-Plaques im Gehirn in Verbindung gebracht.

Viele der reversiblen Acetylcholinesterase-Inhibitoren wurden daher als Arzneimittel der ersten Generation zur Behandlung dieser Krankheit und anderer verwandter neurodegenerativer Erkrankungen verwendet. Dazu gehören Donepezil, Rivastigmin und Galantamin.

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