ACETILCOLINESTERASA: ESTRUCTURA, FUNCIONS I INHIBIDORS - BIOLOGIA - 2025

La acetilcolinesterasa (acetilcolina acetil hidrolasa, EC 3.1.1.7) és un enzim que es troba principalment en el sistema nerviós central. La seva tasca, tal com el nom ho indica, és el processament hidrolític de l'neurotransmissor acetilcolina.

És un enzim associada amb la membrana cel·lular que funciona juntament amb el receptor de l'acetilcolina per a intervenir l'excitació de les cèl·lules postsinàptiques i el mecanisme catalític és sorprenentment veloç.

Estructura de la Acetilcolinesterasa (Font: Wikimedia Commons)

Des del punt de vista mecànic, aquest enzim pot ser vista com una serín-hidrolasa, i en el domini catalític del seu lloc actiu conté la tríada d'aminoàcids característica de les serín proteases: serina, histidina i un residu acídic. No obstant això, el residu acídic és un glutamat, mentre que les serín proteases posseeixen normalment un aspartat.

Estructura de la Acetilcolina (Font: Alinebloom via Wikimedia Commons)

Una de les primeres observacions que va lligar l'activitat catalítica de l'acetilcolinesterasa amb els teixits nerviosos colinèrgics i teixits musculars va ser la realitzada per Dale a l'any 1914; posteriorment s'ha determinat que també està present en neurones no-colinèrgiques i en cèl·lules hematopoètiques, osteogèniques i neoplàsiques.

Gràcies a l'estudi de diversos organismes, actualment se sap que l'enzim està present en la membrana de diferents tipus de cèl·lules com els eritròcits, cèl·lules nervioses i musculars, òrgans elèctrics i altres.

estructura

Estructura terciària i quaternària

En condicions naturals o "in vivo", l'acetilcolinesterasa és un enzim polimòrfica que es compon de diverses subunitats catalítiques de més o menys 80 kDa, que s'acoblen per formar una estructura oligomèrica (de diverses subunitats).

La quantitat i complexitat d'aquestes subunitats depèn de el tipus cel·lular i de l'espècie que es consideri.

Algunes de les formes enzimàtiques més complexes presenten subunitats catalítiques amb formes globulars (G) o asimètriques (A) unides mitjançant ponts disulfur. Els ponts disulfur són enllaços covalents formats entre dues molècules de sofre dels grups tiol (-SH) de dos residus de l'aminoàcid cisteïna.

Cada subunitat G conté un sol lloc actiu, mentre que les subunitats A, en general, es caracteritzen per presentar tres dominis estructurals, que són: les subunitats catalítiques, unes cues tipus col·lagen riques en residus de glicina, hidroxiprolina i hidroxilisina, i altres cues no-col·lagèniques (diferents a l'col·lagen).

Les formes asimètriques de l'acetilcolinesterasa es coneixen com A12, A8 i A4, que tenen 12, 8 i 4 subunitats catalítiques, respectivament.

Generalment, els residus de l'domini catalític en el lloc actiu es troben en una regió "profunda" de les subunitats, el que es podria veure com contradictori respecte a la ràpida velocitat de la reacció que catalitza aquest enzim i l'aparent inaccessibilitat de l'substrat a aquests llocs.

Sense importar el polimorfisme de l'enzim, tant les subunitats globulars com les asimètriques tenen activitats catalítiques similars.

variants

Algunes cèl·lules diferents a les cèl·lules nervioses, tal com els eritròcits, produeixen enzims acetilcolinesterases predominantment globulars, dimèriques i associades majoritàriament amb la cara externa de la membrana plasmàtica.

L'enzim dels eritròcits, encara que de menor complexitat estructural, és també un enzim anfipática, el domini catalític actiu es troba en la gran regió hidrofílica, mentre que el domini hidrofòbic, que conté la regió carboxil terminal, s'encarrega de sostenir-la en la membrana.

estructura primària

Molt de el coneixement actual sobre la seqüència de l'acetilcolinesterasa va sorgir de l'estudi de l'enzim de Torpedo californica, un peix ratlla que habita en l'oceà Pacífic i que ha estat emprat tradicionalment com a organisme model per a l'estudi de diferents proteïnes de el sistema nerviós.

Les subunitats de l'acetilcolinesterasa són sintetitzades com a pro-proteïnes que després són processades per donar lloc a subunitats madures. Cada subunitat consisteix en un polipèptid de prop de 575 aminoàcids i 65 kDa de pes molecular, que augmenta per l'addició d'un 7-8% de residus carbohidratados (glicosilació).

L'activitat catalítica de el lloc actiu de les subunitats està determinada per un residu de serina en la posició 200, que es troba en una regió "profunda" de les subunitats catalítiques.

Diferents variants o isoformes de l'enzim hi ha als organismes gràcies a diferents llocs per al "splicing alternatiu" dels pre-ARN missatgers en tots dos dels seus extrems (5 'i 3'). La seqüència carboxil-terminal de la isoforma de cada subunitat és la que determina l'acoblament dels oligòmers entre si.

funcions

La acetilcolinesterasa és un enzim amb múltiples funcions biològiques no necessàriament relacionades entre si. Fet testificat per la seva expressió diferencial durant l'embriogènesi, l'extensió neural embrionària, el desenvolupament muscular i la sinaptogènesi.

Com s'ha destacat anteriorment, té una important funció en la hidròlisi ràpida de l'acetilcolina i per tant en la regulació del seu efecte en l'espai sinàptic neuromuscular o en els espais sinàptics colinèrgics de el sistema nerviós central.

Un exemple de les seves funcions és la contracció del múscul esquelètic, que es dóna gràcies a un tipus de sinapsis química coneguda com a placa motora, situada entre una neurona motora i una fibra muscular.

En aquesta sinapsis s'aconsegueixen centenars de vesícules carregades amb acetilcolina, que són alliberades des de la neurona motora per a la propagació d'un impuls elèctric.

Aquest procés de neurotransmissió és força complex, però, la participació de l'acetilcolinesterasa és crucial per a la terminació de la transmissió sinàptica que depèn de l'neurotransmissor acetilcolina, ja que aquest ha de ser degradat i després ha de difondre fora de l'esquerda sináptica per culminar amb la excitació de la membrana.

Així, l'enzim acetilcolinesterasa s'encarrega de regular la concentració d'aquest transmissor en la sinapsi neuromotora.

Altres funcions "no clàssiques" de l'enzim es relacionen amb neuritogènica o creixement de cèl·lules nervioses; amb els processos d'adhesió cel·lular, sinaptogènesi, activació de neurones-dopamina en la substància negra de l'mesencèfal, processos hematopoètics i trombe poiéticos, entre d'altres.

inhibidors

Els inhibidors de l'acetilcolinesterasa funcionen impedint que aquesta hidrolice a l'acetilcolina, incrementant, amb això, el nivell i la durada de l'acció d'aquest neurotransmissor. Poden classificar-se, segons el seu mecanisme d'acció, com reversibles i irreversibles.

inhibidors irreversibles

Són aquells que inhibeixen irreversiblement l'activitat hidrolítica de l'acetilcolinesterasa per la seva unió covalent a el residu de serina en el lloc actiu de l'enzim. Aquest grup està compost principalment pels organofosforats.

En general, aquests són compostos actius presents en molts insecticides i són els responsables de gran quantitat de morts accidentals per enverinament. Són èsters o tiols derivats de l'àcid fosfòric, fosfònic, fosfínico o fosforamídico.

El sarín, tabun, soman i ciclosarin es troben entre els compostos més tòxics sintetitzats per l'home ja que poden matar un ésser humà a l'induir falles respiratòries i circulatòries per bloqueig de l'acetilcolinesterasa en el sistema nerviós perifèric.

Estructura molecular de l'inhibidor organofosforat «sarín» (Font: Sivizius via Wikimedia Commons)

El sarín, per exemple, és un "gas nerviós" que ha estat utilitzat com a arma química d'ús terrorista.

inhibidors reversibles

Aquest ordre de la classificació agrupa inhibidors competitius i no competitius que funcionen mitjançant la carbamilación transitòria i reversible d'un residu de serina en el lloc actiu i molts han estat sintetitzats i purificats a partir de fonts vegetals o fúngiques.

Els carbamats com la fisostigmina i la neostigmina són inhibidors reversibles que s'empren com a fàrmacs per al tractament de malalties com el glaucoma i la miastènia greu, respectivament.

Altres agents terapèutics d'aquest grup també es fan servir per al tractament de la malaltia d'Alzheimer, el Parkinson, obstruccions intestinals post-operatòries (ili postoperatori), distensió de la bufeta i com antídots per la sobredosi amb anticolinèrgics.

butirilcolinesterasa

Un mecanisme natural interessant contra algunes substàncies inhibidores de l'acetilcolinesterasa té a veure amb la participació d'un enzim menys específica coneguda com butirilcolinesterasa.

Aquest enzim també és capaç d'hidrolitzar l'acetilcolina i a el mateix temps pot actuar com un esquer molecular que reacciona amb aquestes toxines abans que exerceixin el seu efecte negatiu sobre l'acetilcolinesterasa.

Acetilcolinesterasa i la malaltia d'Alzheimer

S'ha demostrat que l'acetilcolinesterasa forma un complex estable amb els components de les plaques senils característiques de la patologia. A més, alguns patrons alterats de glicosilació d'aquest enzim han estat relacionats amb la presència i la formació de les plaques amiloides al cervell.

Molts dels inhibidors reversibles de l'acetilcolinesterasa, per tant, han estat emprats com a fàrmacs de primera generació per al tractament d'aquesta malaltia i d'altres condicions neurodegeneratives relacionades. Entre ells hi ha el donepezil, la rivastigmina i la galantamina.

referències

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetylcholinesterase: From 3D structure to function. Chemico-Biological Interactions, 187, 10-22.
2. Houghton, P., Ren, I., & Howes, M. (2006). Acetylcholinesterase inhibitors from plants and fungi. Natural Product Reports, 23, 181-199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Acetylcholinesterase inhibitors: Pharmacology and Toxicology. Current Neuropharmacology, 11, 315-335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Acetylcholinesterase inhibitors from plants. Phytomedicine, 14, 289-300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylcholinesterase: Enzyme Structure, Reaction Dynamics, and Virtual Transition States. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Acetylcholinesterase inhibitors: novell activities of old molecules. Pharmacological Research, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylcholinesterase. Advances in Enzymology and Related Àrees of Molecular Biology, 43, 103-218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesterase - new rols for an old actor. Nature Reviews, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylcholinesterase in Alzheimer 's disease. Mechanisms of Ageing and Development, 122, 1961-1969.