BCHE

Die menschliche Butyrylcholinesterase (BChE, EC 3.1.1.8) ist ein lösliches, zuckerbeschichtetes globuläres Molekül, das in der Leber synthetisiert und ins Blut ausgeschüttet wird. Fast alle Gewebe enthalten Butyrylcholinesterase, aber das Enzym im Plasma ist am meisten untersucht. Butyrylcholinesterase ist eine Serinesterase, die äußerst empfindlich auf die Hemmung durch organophosphorhaltige Pestizide und Nervengifte reagiert. Die Fähigkeit der Butyrylcholinesterase, organophosphorhaltige Gifte zu beseitigen, hat Butyrylcholinesterase zu einer neuen Therapie zum Schutz vor der Toxizität von Nervengiften gemacht. Das US-Verteidigungsministerium hat Millionen von Dollar investiert, um große Mengen reiner menschlicher Butyrylcholinesterase zu produzieren, die zum Schutz vor Nervengiften verwendet werden sollen.

Nomenklatur

Der Name Butyrylcholinesterase wurde 1989 vom Human Gene Nomenclature Committee vergeben. Die Abkürzung für das Gen ist BCHE und für das Protein ist es BChE. In der älteren Literatur werden die Namen Pseudocholinesterase, Plasma-Cholinesterase, Serum-Cholinesterase, unspezifische Cholinesterase, Butyrylcholinesterase und Acetylcholin-Acylhydrolase verwendet. Die Enzymkommissionsnummer ist EC 3.1.1.8.

Struktur

Das Monomer der menschlichen Butyrylcholinesterase enthält 602 Aminosäuren, darunter 28 Reste im Signalpeptid und 574 Reste im reifen, sekretorischen Protein. BChE gehört zur Familie der Serin-Hydrolasen, definiert als Enzyme, deren aktives Zentrum Serin umfasst. Die Katalyse durch BChE erfordert ein funktionierendes katalytisches Triad: Ser 198, Glu 325 und His 438. Die BChE-Aktivität wird irreversibel durch organophosphorhaltige Verbindungen gehemmt. Das aktive Zentrum Serin wird kovalent modifiziert durch die Reaktion mit organophosphorhaltigen Estern, in einer Reaktion, die gleichzeitig BChE inaktiviert und das organophosphorhaltige Gift zerstört.

Abbildung 1. Tetramerische menschliche BChE. (A) Draufsicht auf das BChE-Tetramer. (B) Seitenansicht des BChE-Tetramers.
(Lockridge O. 2015)

Das BChE-Tetramer hat vier identische Untereinheiten (jeweils 85 kDa), die über ein vierhelixbündel an den C-Termini miteinander interagieren. Ein polyprolinreiches Peptid liegt im Zentrum des vierhelixbündels. Das vierhelixbündel ist die Tetramerisierungsdomäne. Das polyprolinreiche Peptid im Zentrum des vierhelixbündels ist durch Wasserstoffbrückenbindungen an Trp543, Trp 550, Trp557 und drei andere hydrophobe Reste gebunden, die sich alle auf derselben Seite der amphiphilen Helix befinden. Das polyprolinreiche Peptid wird nicht aus dem Tetramer freigesetzt, wenn BChE verdünnt wird.

Stabilität

Gesunde menschliche Erwachsene zeigen ein konsistentes Niveau der BChE-Aktivität im Plasma. Allerdings ist die BChE-Aktivität im Plasma bei fettleibigen Personen erhöht, ebenso wie bei den Cynthiana- und C5+-Varianten des BCHE-Gens. Eine niedrige BChE-Aktivität wird im Plasma während der Schwangerschaft und bei Personen mit Lebererkrankungen, Mangelernährung, Karzinomen und anderen Erkrankungen sowie bei Personen mit genetisch vererbten Missense-Mutationen des BCHE-Gens gefunden.

Die BChE-Aktivität im gelagerten menschlichen Plasma oder Serum war mindestens 8 Tage stabil, wenn sie bei 4 °C, 22 °C oder −20 °C gelagert wurde. Bei längerer Lagerung bei Raumtemperatur (23 °C) über 21 Tage fiel die BChE-Aktivität auf 40 % ihrer ursprünglichen Aktivität. Plasma, das gekühlt (4 °C) oder gefroren (−20 °C) gelagert wurde, behielt jedoch über 90 % der BChE-Aktivität für 50 Tage.

Funktionen

Butyrylcholinesterase war eines der ersten Beispiele im neuen Bereich der Pharmakogenetik. Die Untersuchung natürlicher genetischer Varianten der Butyrylcholinesterase führte zur Erkenntnis, dass einige Menschen keine Butyrylcholinesterase-Aktivität haben. Trotz der vollständigen Abwesenheit von Butyrylcholinesterase-Aktivität sind Menschen mit stiller Butyrylcholinesterase gesund. Auf dieser Grundlage wurde geschlossen, dass Butyrylcholinesterase keine essentielle Funktion hat, die nicht durch andere Enzyme kompensiert werden kann. Die einzige Situation, in der eine Funktion für Butyrylcholinesterase offensichtlich war, war als Reaktion auf intravenös verabreichte Medikamente. Die Esteraseaktivität der Butyrylcholinesterase war dafür verantwortlich, einen großen Prozentsatz des Medikaments zu zerstören, bevor es seinen Wirkungsort erreichte. Menschen mit stiller oder atypischer Butyrylcholinesterase waren nicht in der Lage, das Medikament zu hydrolysieren und erhielten daher eine Überdosis.

Die Butyrylcholinesterase-Knockout-Maus und die Acetylcholinesterase-Knockout-Maus wurden hergestellt, um eine physiologische Funktion der Butyrylcholinesterase zu entdecken. Es wurde nachgewiesen, dass Butyrylcholinesterase eine unterstützende Rolle bei der Neurotransmission spielt, indem sie Acetylcholin hydrolysiert, das aus der Nerven-Synapse diffundiert ist. Diese Rolle wird nur evident, wenn die Acetylcholinesterase gehemmt ist. Medikamente, die derzeit zur Verlangsamung des Fortschreitens der Alzheimer-Krankheit zugelassen sind, sind Hemmstoffe der Acetylcholinesterase.

Anwendungen

BChE ist ein hervorragender Biomarker für die Exposition gegenüber Nervengiften und organophosphorhaltigen Pestiziden. Das US-Verteidigungsministerium plant, lyophilisiertes menschliches BChE zu lagern, um es zum Schutz vor der Toxizität von Nervengiften zu verwenden. Menschliches BChE wurde für diese Indikation ausgewählt, da Studien an Tieren gezeigt haben, dass BChE vor OP-Toxizität schützt. Der Mechanismus, der den schützenden Effekt von BChE erklärt, ist, dass BChE ein hochreaktiver Scavenger ist, der das Gift abfängt und zerstört, bevor es sein AChE-Ziel erreicht. Der Nachteil der Verwendung von plasma-abgeleitetem menschlichem BChE zum Schutz vor Nervengiften ist, dass die Reaktion mit OP stöchiometrisch ist. Ein Molekül BChE zerstört ein Molekül Nervengift und in diesem Prozess inaktiviert es BChE für weitere bio-scavenging-Aktivitäten. Es wäre vorteilhaft, einen katalytischen Scavenger zu haben, der viele Moleküle Nervengift zerstört, da eine niedrigere Dosis des katalytischen Scavengers für den Schutz erforderlich wäre.

Referenzen