Acetylcholinesterase

Die Acetylcholinesterase (AChE) ist ein Schlüsselenzym der biologischen Nervenleitung. In der cholinergen Synapse baut das Enzym Acetylcholin ab, beendet damit die exzitatorische Wirkung des Neurotransmitters an der postsynaptischen Membran und gewährleistet die regelrechte Weiterleitung von Nervensignalen im Organismus. Cholinesterasen werden entsprechend ihren katalytischen Substratspezifitäten in Acetylcholinesterase und Butyrylcholinesterase (BuChE) eingeteilt. AChE wird als „wahre“ bzw. spezifische Cholinesterase bezeichnet und ist eine sehr wichtige Hydrolase zur Aufrechterhaltung cholinerger Nervenimpulse in vivo. BuChE wird als Pseudo- bzw. unspezifische Cholinesterase bezeichnet; ihre physiologische Funktion ist bislang nicht abschließend geklärt.

Verteilung

Die humane AChE ist hauptsächlich in neuralen Geweben verteilt, z. B. in weißer und grauer Substanz des Gehirns, in Nervenzellen sowie an neuromuskulären Endplatten im Rückenmark und in Ganglien; sie findet sich jedoch auch in nicht-neuralen Geweben wie Erythrozyten, Thrombozyten, Makrophagen und im Serum. AChE ist ein membrangebundenes Protein, das überwiegend an der Zellmembran und der präsynaptischen Membran lokalisiert ist; in einigen Zellen ist AChE zudem in subzellulären Strukturen nachweisbar. Die Aktivität der an Erythrozyten gebundenen AChE korreliert mit dem Reifegrad der Erythrozyten. Die AChE-Aktivität in Erythroblasten ist signifikant höher als in seneszenten Erythrozyten. Zwischen verschiedenen Altersgruppen und Geschlechtern bestehen keine signifikanten Unterschiede der AChE-Aktivität; bei Schwangeren zeigt sich jedoch eine Tendenz zu erhöhten AChE-Werten. Die interindividuellen Unterschiede der Konzentrationen beider Cholinesterasen sind ausgeprägt; der Variationskoeffizient kann 10 % bis 40 % erreichen. Innerhalb desselben Organismus sind beide Cholinesterasen relativ stabil, mit einem Variationskoeffizienten von etwa 10 %.

Molekülstruktur

AChE ist ein Glykoprotein, das geringe Mengen an Glucosamin und Galactosamin enthält. AChE liegt in zahlreichen molekularen Formen vor und kann anhand fluiddynamischer Eigenschaften und der Anlagerung von Untereinheiten unterschieden werden. Die katalytischen Untereinheiten können entweder an eine lipidverankerte Untereinheit oder an eine kollagenähnliche Untereinheit gekoppelt sein und so unterschiedliche heterogene Moleküle bilden. Moleküle mit kollagenähnlichen Struktureinheiten besitzen vier katalytische Untereinheiten, die jeweils über eine Disulfidbrücke mit einer helixartigen, kollagenähnlichen Untereinheit verbunden sind; diese kollagenähnliche Komponente ähnelt dem Prokollagen der Basalmembran-Kollagene. Kollagenähnliche Untereinheiten weisen an Amino- und Carboxylterminus keine Kollagensequenz auf und binden an Komponenten der synaptischen Basalmembran. Aufgrund der fadenförmigen kollagenähnlichen Struktur, die zu einer strukturellen Asymmetrie führt, wird diese Form als asymmetrisch bzw. A-förmig bezeichnet. Die lipidverankerte Untereinheit, bestehend aus einem Tetramer (A4), zwei Tetrameren (A8) oder drei Tetrameren (A12), hat eine Molekülmasse von etwa 20 kD und ist kovalent an Fettsäuren gebunden. Die lipidverankerten Untereinheiten sind über mehrere Disulfidbrücken mit den katalytischen Untereinheiten-Tetrameren verbunden und verankern die katalytischen Untereinheiten an der Außenseite der Zelle. Das an der äußeren Membranoberfläche lokalisierte Enzym erhält hydrophobe Eigenschaften durch die Verknüpfung von Phospholipiden mit dem Carboxylende. Entsprechend den fluiddynamischen Eigenschaften wird diese Form dem globulären bzw. G-Typ zugeordnet. Der G-Typ lässt sich weiter in hydrophilen und hydrophoben G-Typ unterteilen.

Katalytischer Mechanismus

Das aktive Zentrum der AChE besteht aus drei Hauptregionen: 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, vermutlich aus Glutaminsäure, die die quartäre Ammonium-Kationengruppe von ACh elektrostatisch anziehen kann. Die hydrophobe Region ist mit einer Bindungsstelle für die Esterifizierungs- bzw. quartäre Ammoniumgruppe verknüpft oder wird durch aromatische Aminosäuren wie Tryptophan oder Tyrosin gebildet und spielt eine wichtige Rolle bei der Bindung aromatischer Substrate. Die dreidimensionale Strukturanalyse zeigt, dass das auffälligste Merkmal der AChE eine tiefe, schmale Schlucht ist, in der sich die katalytisch aktive Gruppe befindet.

ACh bindet über elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen auch an Regionen außerhalb der Esterifizierungsstelle der AChE. Die Acylgruppe von ACh ist reaktiv, jedoch für die Bindung nicht zwingend erforderlich. ACh mit seinem kationischen Kopf wird an der peripheren Bindungsstelle eingefangen und gelangt durch Diffusion in das aktive Zentrum des Enzyms. Die Hydrophobizität der beiden Methylen-Gruppen von ACh erhöht die Affinität um etwa das 10-Fache. Die Bindung von ACh an die quartäre Ammonium-Bindungsstelle und an die hydrophobe Region richtet das Molekül linear aus und positioniert es so, dass der nukleophile Angriff des Serin-Hydroxylsauerstoffs im aktiven Zentrum auf das Kohlenstoffatom der Acylgruppe von ACh erleichtert wird. Die aktive Imidazolgruppe nimmt das Signal auf und gibt anschließend Protonen ab, sodass AChE und Substrat zunächst ein tetraedrisches Intermediat bilden, das in eine acetylierte Enzymform überführt wird und das erste Hydrolyseprodukt Cholin freisetzt. Die Carboxylgruppe von Glu im aktiven Zentrum zieht das Proton der Imidazolylgruppe an und fördert die Bildung des tetraedrischen Intermediats. In der Folge ziehen die Imidazolgruppen von His Protonen aus Wassermolekülen an, wodurch Hydroxidionen entstehen; diese greifen die acetylierte Enzymform an, bilden ein weiteres tetraedrisches Intermediat und werden zu Essigsäure und freier AChE hydrolysiert.

Medizinische Anwendungen

Acetylcholinesterase-Inhibitoren können zur Behandlung verschiedener Erkrankungen wie Alzheimer-Krankheit, Myasthenia gravis und Glaukom eingesetzt werden. Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch eine progrediente kognitive Dysfunktion gekennzeichnet ist. Zu den wichtigsten pathologischen Merkmalen zählen das Vorhandensein zahlreicher seniler Plaques zwischen Nervenzellen sowie neurofibrillärer Bündel innerhalb von Nervenzellen, was die Kognition, das Gedächtnis, die Sprachfunktion und die Alltagskompetenz der Patientinnen und Patienten erheblich beeinträchtigt. Die Abnahme der cholinergen Aktivität im Gehirn von AD-Patientinnen und -Patienten gilt als Hauptursache der kognitiven und mnestischen Störungen. Eine Erhöhung des Acetylcholinspiegels im Gehirn kann die Symptome von AD verbessern. Der wesentliche pharmakologische Ansatz zur Symptomverbesserung bei AD besteht darin, die Hydrolyse von ACh durch Hemmung der AChE-Aktivität zu verzögern, wodurch der Acetylcholinspiegel im synaptischen Spalt erhöht und das therapeutische Ziel erreicht wird. Myasthenia gravis ist eine Autoimmunerkrankung, vermittelt durch Antikörper gegen den Acetylcholinrezeptor, T‑zellabhängig und komplementvermittelt, mit Störungen der neuromuskulären Übertragung; sie wird derzeit unter anderem mit Anti-AChE-Arzneimitteln behandelt.