BCHE

Die humane Butyrylcholinesterase (BChE, EC 3.1.1.8) ist ein lösliches, glykosyliertes globuläres Molekül, das in der Leber synthetisiert und in den Blutkreislauf sezerniert wird. Nahezu alle Gewebe enthalten Butyrylcholinesterase, am besten untersucht ist jedoch das Enzym im Plasma. Butyrylcholinesterase ist eine Serinesterase, die äußerst empfindlich gegenüber einer Hemmung durch organophosphorhaltige Pestizide und Nervenkampfstoffe ist. Die Fähigkeit der Butyrylcholinesterase, organophosphorhaltige Toxine abzufangen, hat BChE zu einem neuen Therapeutikum zum Schutz vor der Toxizität von Nervenkampfstoffen gemacht. Das US-Verteidigungsministerium hat Millionen von US-Dollar investiert, um sehr große Mengen hochreiner humaner Butyrylcholinesterase herzustellen, die zum Schutz vor Nervenkampfstoffen eingesetzt werden sollen.

Nomenklatur

Die Bezeichnung Butyrylcholinesterase wurde 1989 vom Human Gene Nomenclature Committee vergeben. Die Abkürzung für das Gen lautet BCHE, für das Protein BChE. In älterer Literatur werden die Bezeichnungen Pseudocholinesterase, Plasma-Cholinesterase, Serum-Cholinesterase, unspezifische Cholinesterase, Butyrylcholinesterase sowie Acylcholin-Acylhydrolase verwendet. Die Enzyme-Commission-Nummer lautet EC 3.1.1.8.

Struktur

Das Monomer der humanen Butyrylcholinesterase umfasst 602 Aminosäuren, darunter 28 Reste des Signalpeptids und 574 Reste des reifen, sezernierten Proteins. BChE gehört zur Familie der Serinhydrolasen, definiert als Enzyme, deren aktives Zentrum Serin enthält. Die Katalyse durch BChE erfordert eine funktionsfähige katalytische Triade: Ser 198, Glu 325 und His 438. Die BChE-Aktivität wird durch organophosphorhaltige Verbindungen irreversibel gehemmt. Das Serin im aktiven Zentrum wird durch Reaktion mit organophosphorhaltigen Estern kovalent modifiziert – eine Reaktion, die BChE gleichzeitig inaktiviert und das organophosphorhaltige Toxin zerstört.

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

Das BChE-Tetramer besteht aus vier identischen Untereinheiten (jeweils 85 kDa), die über ein Vier-Helix-Bündel an den C-Termini miteinander interagieren. Ein polyprolinreiches Peptid liegt im Zentrum des Vier-Helix-Bündels. Das Vier-Helix-Bündel bildet die Tetramerisierungsdomäne. Das polyprolinreiche Peptid im Zentrum des Vier-Helix-Bündels ist über Wasserstoffbrücken an Trp543, Trp550, Trp557 sowie drei weitere hydrophobe Reste gebunden, die sich alle auf derselben Seite der amphiphilen Helix befinden. Das polyprolinreiche Peptid wird bei Verdünnung von BChE nicht aus dem Tetramer freigesetzt.

Stabilität

Gesunde erwachsene Menschen weisen im Plasma ein konsistentes Niveau der BChE-Aktivität auf. Die Plasma-BChE-Aktivität ist jedoch bei adipösen Personen erhöht, ebenso bei den Cynthiana- und C5+-Varianten des BCHE-Gens. Eine niedrige BChE-Aktivität findet sich im Plasma während der Schwangerschaft sowie bei Personen mit Lebererkrankungen, Mangelernährung, Karzinomen und weiteren Erkrankungen; ebenso bei Personen mit genetisch vererbten Missense-Mutationen des BCHE-Gens.

Die BChE-Aktivität in gelagertem humanem Plasma oder Serum war mindestens 8 Tage stabil, wenn bei 4°C, 22°C oder −20°C gelagert wurde. Bei längerer Lagerung bei Raumtemperatur (23°C) über 21 Tage sank die BChE-Aktivität auf 40% der Ausgangsaktivität. Hingegen behielt gekühlt (4°C) oder gefroren (−20°C) gelagertes Plasma über 50 Tage mehr als 90% der BChE-Aktivität.

Funktionen

Butyrylcholinesterase war eines der ersten Beispiele im neuen Fachgebiet der Pharmakogenetik. Die Untersuchung natürlicher genetischer Varianten der Butyrylcholinesterase führte zu der Erkenntnis, dass einige Menschen keine Butyrylcholinesterase-Aktivität aufweisen. Trotz des vollständigen Fehlens der Butyrylcholinesterase-Aktivität sind Menschen mit „stiller“ Butyrylcholinesterase gesund. Daraus wurde geschlossen, dass Butyrylcholinesterase keine essenzielle Funktion besitzt, die nicht durch andere Enzyme kompensiert werden kann. Die einzige Situation, in der eine Funktion der Butyrylcholinesterase erkennbar war, betraf die Reaktion auf intravenös verabreichte Arzneimittel. Die Esteraseaktivität der Butyrylcholinesterase war dafür verantwortlich, einen großen Anteil des Arzneimittels zu inaktivieren, bevor es seinen Wirkort erreichte. Personen mit „stiller“ oder atypischer Butyrylcholinesterase konnten das Arzneimittel nicht hydrolysieren und erhielten daher eine Überdosierung.

Die Butyrylcholinesterase-Knockout-Maus und die Acetylcholinesterase-Knockout-Maus wurden erzeugt, um eine physiologische Funktion der Butyrylcholinesterase aufzudecken. Es ist belegt, dass Butyrylcholinesterase eine unterstützende Rolle in der Neurotransmission spielt, indem sie Acetylcholin hydrolysiert, das aus der Nervensynapse diffundiert ist. Diese Rolle wird erst dann deutlich, wenn Acetylcholinesterase gehemmt ist. Arzneimittel, die derzeit zur Verlangsamung der Progression der Alzheimer-Krankheit zugelassen sind, sind Inhibitoren der Acetylcholinesterase.

Anwendungen

BChE ist ein hervorragender Biomarker für die Exposition gegenüber Nervenkampfstoffen und organophosphorhaltigen Pestiziden. Das US-Verteidigungsministerium plant, lyophilisierte humane BChE zu bevorraten, um sie zum Schutz vor der Toxizität von Nervenkampfstoffen einzusetzen. Humane BChE wurde für diese Indikation ausgewählt, da Tierstudien gezeigt haben, dass BChE vor OP-Toxizität schützt. Der Mechanismus, der den protektiven Effekt von BChE erklärt, besteht darin, dass BChE als hochreaktiver Scavenger wirkt, der das Toxin abfängt und zerstört, bevor es sein AChE-Ziel erreicht. Ein Nachteil der Verwendung von aus Plasma gewonnener humaner BChE zum Schutz vor Nervenkampfstoffen ist, dass die Reaktion mit OP stöchiometrisch ist. Ein BChE-Molekül zerstört ein Molekül Nervenkampfstoff und inaktiviert dabei BChE für weitere Bio-Scavenging-Aktivität. Vorteilhaft wäre ein katalytischer Scavenger, der viele Moleküle eines Nervenkampfstoffs zerstört, da für den Schutz eine geringere Dosis des katalytischen Scavengers erforderlich wäre.

Literatur