Acetylcholinesterase

Acetylcholinesterase (AChE) ist ein Schlüsselenzym in der biologischen Nervenleitung. In der cholinergen Synapse baut das Enzym Acetylcholin ab, wodurch die erregende Wirkung des Neurotransmitters auf die postsynaptische Membran gestoppt wird und die normale Übertragung von Nervenimpulsen im Organismus sichergestellt wird. Cholinesterase wird entsprechend ihren katalytischen Substrateigenschaften in Acetylcholinesterase und Butyrylcholinesterase (BuChE) klassifiziert. AChE wird als echte oder spezifische Cholinesterase bezeichnet und ist eine sehr wichtige Hydrolase zur Aufrechterhaltung cholinergischer Nervenimpulse in vivo. BuChE wird als pseudo- oder unspezifische Cholinesterase bezeichnet, und ihre physiologische Funktion ist noch nicht klar.

Verteilung

Die menschliche AChE ist hauptsächlich in neuronalen Geweben verteilt, wie z.B. in der weißen und grauen Substanz des Gehirns, in Nervenzellen und neuromuskulären Verbindungen im Rückenmark und in Ganglien, und auch in nicht-neuronalen Geweben wie roten Blutkörperchen, Thrombozyten, Makrophagen und Serum. AChE ist ein membrangebundenes Protein, das hauptsächlich an der Zellmembran und der präsynaptischen Membran lokalisiert ist, und einige Zellen haben auch AChE in der subzellulären Struktur. Die Aktivität von AChE, die an Erythrozyten gebunden ist, steht im Zusammenhang mit dem Reifegrad der Erythrozyten. Die Aktivität von AChE in Erythroblasten ist signifikant höher als die von seneszenten Erythrozyten. Es gab keinen signifikanten Unterschied in der AChE-Aktivität zwischen verschiedenen Altersgruppen und Geschlechtern, und es gab einen Trend zu erhöhtem AChE bei schwangeren Frauen. Die individuellen Unterschiede in den Gehalten der beiden Cholinesterasen sind groß, und der Variationskoeffizient kann 10 % bis 40 % erreichen. Im selben Körper sind die beiden Cholinesterasen relativ stabil mit einem Variationskoeffizienten von 10 %.

Molekulare Struktur

AChE ist ein Glykoprotein, das eine kleine Menge Glucosamin und Galaktosamin enthält. AChE existiert in vielen molekularen Formen und kann basierend auf Fluiddynamik und Untereinheitenanbindung unterschieden werden. Die katalytischen Untereinheiten können an eine lipidgebundene Untereinheit oder an eine kollagenähnliche Untereinheit gebunden werden, um verschiedene heterogene Moleküle zu bilden. Die Moleküle, die kollagenähnliche strukturelle Einheiten enthalten, haben vier katalytische Untereinheiten, von denen jede durch eine Disulfidbindung an eine helixartige kollagenähnliche Untereinheit gebunden ist, wobei das kollagenähnliche Kollagen dem Prokollagen im Kollagen der Basalmembran ähnelt. Kollagenähnliche Untereinheiten haben keine Kollagensequenz am Amino- und Carboxylterminus und binden an synaptische Basiskomponenten. Aufgrund ihrer fadenförmigen, kollagenähnlichen Struktur, die zu ihrer strukturellen Asymmetrie führt, wird sie als asymmetrisch oder A-förmig bezeichnet. Die lipidgebundene Untereinheit, die aus einem Tetramer (A4), zwei Tetrameren (A8) und drei Tetrameren (A12) besteht, hat ein Molekulargewicht von etwa 20 kD und ist kovalent an Fettsäuren gebunden. Die lipidgebundenen Untereinheiten sind durch mehrere Disulfidbindungen mit den katalytischen Untereinheiten-Tetrameren verbunden und verbinden die katalytischen Untereinheiten mit der äußeren Oberfläche der Zelle. Das Enzym, das sich auf der äußeren Oberfläche der Membran befindet, erzeugt hydrophobe Eigenschaften, indem es die Phospholipide mit dem Carboxylende verbindet. Entsprechend seiner Fluiddynamik kann es einer sphärischen oder G-Typ zugeordnet werden. G-Typ kann weiter in hydrophilen G-Typ und hydrophoben G-Typ unterteilt werden.

Katalytischer Mechanismus

Der aktive Bereich von AChE besteht aus drei Hauptregionen, einschließlich einer Esterifizierungsstelle, einer Anionenstelle und einer hydrophoben Region. Die Esterifizierungsstelle enthält Serin und Histidin und kann an das Carbonylkohlenstoffatom von ACh binden. Die Anionenstelle enthält mindestens eine Carbonylgruppe, wahrscheinlich aus Glutaminsäure, die die quartäre Ammoniumkation-Gruppe von ACh elektrostatisch anziehen kann. Die hydrophobe Region ist mit einer Esterifizierungs- oder quartären Ammoniumgruppenbindungsstelle verbunden oder besteht aus einer aromatischen Aminosäure wie Tryptophan oder Tyrosin und spielt eine wichtige Rolle bei der Bindung des aromatischen Substrats. Die dreidimensionale Strukturanalyse zeigt, dass das auffälligste Merkmal von AChE eine tiefe, enge Schlucht ist, in der sich die katalytisch aktive Gruppe befindet.

ACh bindet an Bereiche außerhalb der AChE-Esterifizierungsstelle durch elektrostatische und hydrophobe Reaktionen. Die Acylgruppe von ACh ist reaktiv, aber nicht erforderlich für die Bindung. Das ACh mit dem kationischen Kopf wird an der peripheren Bindungsstelle erfasst und erreicht das aktive Zentrum des Enzyms durch Diffusion. Die Hydrophobizität der beiden Methylen von ACh erhöht die Affinität um etwa das Zehnfache. Die Kombination von ACh an der quartären Ammonium-Bindungsstelle und der hydrophoben Region macht es linear und platziert es in einer geeigneten Position, um den nukleophilen Angriff auf das Kohlenstoffatom der ACh-Acylgruppe durch den Ser-Hydroxylsauerstoff im aktiven Zentrum zu erleichtern. Die aktive Imidazolgruppe akzeptiert das Signal und gibt dann die Protonen frei, sodass AChE und das Substrat zunächst ein tetraedrisches Zwischenprodukt bilden, das in Acetylase umgewandelt wird und das erste Hydrolysat Cholin freisetzt. Die Carboxylgruppe von Glu an der aktiven Stelle zieht das Proton der Imidazolyls an, um die Bildung eines tetraedrischen Zwischenprodukts zu fördern. Im Gegenzug ziehen die Imidazolgruppen von His Protonen in Wassermolekülen an, um Hydroxidionen zu erzeugen, die Acetylasen angreifen, um ein weiteres vierseitiges Zwischenprodukt zu bilden und zu Essigsäure und freier AChE zu hydrolysieren.

Medizinische Anwendungen

Acetylcholinesterase-Hemmer können zur Behandlung verschiedener Krankheiten wie Alzheimer-Krankheit, Myasthenia gravis und Glaukom eingesetzt werden. Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch fortschreitende kognitive Dysfunktion gekennzeichnet ist. Ihre Hauptpathologischen Merkmale sind das Vorhandensein einer großen Anzahl von senilen Plaques zwischen Nervenzellen und das Vorhandensein von neurofibrillären Verwicklungen innerhalb von Nervenzellen, die die kognitive, Gedächtnis-, Sprachfunktion und Lebensfähigkeit des Patienten ernsthaft beeinträchtigen. Der Rückgang der cholinergen Aktivität im Gehirn von AD-Patienten ist die Hauptursache für kognitive und Gedächtnisdysfunktion. Die Erhöhung des Acetylcholinspiegels im Gehirn kann die Symptome von AD-Patienten verbessern. Das Hauptmedikament zur Verbesserung der Symptome von AD besteht darin, die Hydrolyse von ACh durch Hemmung der AChE-Aktivität zu verzögern, wodurch der Cholinerge synaptische Spalt erhöht wird und therapeutische Ziele erreicht werden. Myasthenia gravis ist eine Autoimmunerkrankung, die durch Antikörper gegen Acetylcholinrezeptoren vermittelt wird, T-Zell-abhängig ist und komplementvermittelte Störungen der neuromuskulären Übertragung aufweist, die derzeit auf der Basis von Anti-AChE-Medikamenten behandelt wird.