ACETYLCHOLINESTERASE: CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG VÀ CHẤT ỨC CHẾ - SINH HỌC - 2025

Các acetylcholinesterase (acetylcholine acetyl hydrolase, EC 3.1.1.7) là một enzyme tìm thấy chủ yếu trong hệ thống thần kinh trung ương. Nhiệm vụ của nó, như tên của nó, là xử lý thủy phân chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine.

Nó là một loại enzyme liên kết với màng tế bào, hoạt động cùng với thụ thể acetylcholine để làm trung gian cho sự kích thích của các tế bào sau synap và cơ chế xúc tác của nó nhanh đáng kinh ngạc.

Cấu trúc của Acetylcholinesterase (Nguồn: Wikimedia Commons)

Từ quan điểm cơ học, enzyme này có thể được xem như là một serine hydrolase, và trong vùng xúc tác của vị trí hoạt động của nó, nó chứa bộ ba axit amin đặc trưng của serine protease: serine, histidine và một phần dư axit. Tuy nhiên, dư lượng axit là glutamate, trong khi protease serine thường có aspartate.

Cấu trúc Acetylcholine (Nguồn: Alinebloom qua Wikimedia Commons)

Một trong những quan sát đầu tiên liên kết hoạt động xúc tác của acetylcholinesterase với mô thần kinh cholinergic và mô cơ được thực hiện bởi Dale vào năm 1914; sau này người ta xác định được rằng nó cũng có trong các tế bào thần kinh không cholinergic và trong các tế bào tạo máu, tạo xương và tế bào tân sinh.

Nhờ nghiên cứu các sinh vật khác nhau, hiện nay người ta biết rằng enzyme có trong màng của các loại tế bào khác nhau như tế bào hồng cầu, tế bào thần kinh và cơ, các cơ quan điện và các tế bào khác.

Kết cấu

Cấu trúc bậc ba và bậc bốn

Trong điều kiện tự nhiên hoặc "in vivo", acetylcholinesterase là một enzym đa hình được bao gồm một số tiểu đơn vị xúc tác có kích thước lớn hơn hoặc nhỏ hơn 80 kDa, chúng lắp ráp để tạo thành cấu trúc oligomeric (gồm một số tiểu đơn vị).

Số lượng và độ phức tạp của các tiểu đơn vị này phụ thuộc vào loại tế bào và loài được xem xét.

Một số dạng enzyme phức tạp hơn có các tiểu đơn vị xúc tác với các dạng hình cầu (G) hoặc không đối xứng (A) được liên kết bằng các cầu nối disulfide. Cầu disulfua là liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa hai phân tử lưu huỳnh thuộc nhóm thiol (-SH) của hai gốc axit amin cysteine.

Mỗi tiểu đơn vị G chứa một vị trí hoạt động duy nhất, trong khi các tiểu đơn vị A thường được đặc trưng bởi có ba miền cấu trúc, đó là: tiểu đơn vị xúc tác, đuôi giống collagen giàu glycine, hydroxyproline và hydroxylysine, và những phần khác keo không collagenic (khác với collagen).

Các dạng không đối xứng của acetylcholinesterase được gọi là A12, A8 và A4, có 12, 8 và 4 tiểu đơn vị xúc tác tương ứng.

Nói chung, các dư lượng của vùng xúc tác trong vị trí hoạt động được tìm thấy trong vùng "sâu" của các tiểu đơn vị, có thể được xem là mâu thuẫn với tốc độ nhanh của phản ứng xúc tác enzym này và khả năng tiếp cận rõ ràng của cơ chất đến các vị trí này. .

Bất kể tính đa hình của enzyme, cả tiểu đơn vị hình cầu và không đối xứng đều có các hoạt động xúc tác tương tự nhau.

Các biến thể

Một số tế bào không phải tế bào thần kinh, chẳng hạn như hồng cầu, sản xuất ra các enzym acetylcholinesterase chủ yếu là hình cầu, hình cầu và phần lớn liên kết với mặt ngoài của màng sinh chất.

Enzyme hồng cầu, mặc dù có cấu trúc ít phức tạp hơn, cũng là một enzyme lưỡng tính, có miền xúc tác tích cực được tìm thấy trong vùng ưa nước lớn, trong khi miền kỵ nước, chứa vùng tận cùng cacboxyl, chịu trách nhiệm duy trì nó trong màng. .

Cấu trúc chính

Phần lớn kiến ​​thức hiện tại về trình tự acetylcholinesterase nảy sinh từ nghiên cứu về enzym của Torpedo californica, một loài cá đuối sống ở Thái Bình Dương và theo truyền thống nó đã được sử dụng làm sinh vật mẫu để nghiên cứu các protein khác nhau của hệ thần kinh.

Các tiểu đơn vị acetylcholinesterase được tổng hợp dưới dạng pro-protein, sau đó được xử lý để tạo ra các tiểu đơn vị trưởng thành. Mỗi tiểu đơn vị bao gồm một polypeptit của khoảng 575 axit amin và trọng lượng phân tử 65 kDa, khối lượng này được tăng lên khi bổ sung 7-8% gốc cacbohydrat (glycosyl hóa).

Hoạt tính xúc tác của vị trí hoạt động của các tiểu đơn vị được xác định bởi cặn serine ở vị trí 200, được tìm thấy trong vùng "sâu" của các tiểu đơn vị xúc tác.

Các biến thể hoặc dạng đồng dạng khác nhau của enzyme tồn tại trong các sinh vật nhờ các vị trí khác nhau cho sự "nối thay thế" của các RNA tiền thông tin ở cả hai đầu của chúng (5 'và 3'). Trình tự tận cùng cacboxyl của đồng dạng của mỗi đơn vị con là yếu tố quyết định sự lắp ráp của các oligome với nhau.

Đặc trưng

Acetylcholinesterase là một enzym có nhiều chức năng sinh học không nhất thiết liên quan đến nhau. Một thực tế đã được chứng thực bởi sự biểu hiện khác biệt của nó trong quá trình hình thành phôi, mở rộng thần kinh phôi, phát triển cơ và hình thành khớp thần kinh.

Như đã nhấn mạnh ở trên, nó có một vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân nhanh chóng acetylcholine và do đó trong việc điều chỉnh tác dụng của nó trong không gian synap thần kinh cơ hoặc trong không gian synap cholinergic của hệ thần kinh trung ương.

Một ví dụ về các chức năng của nó là sự co cơ của cơ xương, xảy ra nhờ một loại khớp thần kinh hóa học được gọi là tấm vận động, nằm giữa nơ-ron vận động và sợi cơ.

Hàng trăm túi chứa acetylcholine được tạo ra tại khớp thần kinh này, chúng được giải phóng từ tế bào thần kinh vận động để truyền xung điện.

Quá trình dẫn truyền thần kinh này khá phức tạp, tuy nhiên, sự tham gia của acetylcholinesterase là rất quan trọng đối với việc chấm dứt sự dẫn truyền qua synap phụ thuộc vào chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine, vì nó phải bị phân hủy và sau đó phải khuếch tán ra ngoài khe tiếp hợp để đạt đến đỉnh điểm kích thích màng.

Do đó, enzyme acetylcholinesterase chịu trách nhiệm điều chỉnh nồng độ của chất dẫn truyền này trong synap thần kinh vận động.

Các chức năng "không cổ điển" khác của enzyme có liên quan đến sự hình thành hoặc tăng trưởng tế bào thần kinh; với các quá trình kết dính tế bào, sự hình thành khớp thần kinh, kích hoạt các tế bào thần kinh-dopamine trong phần nền của não giữa, các quá trình tạo máu và huyết khối poietic, trong số những người khác.

Chất ức chế

Các chất ức chế acetylcholinesterase hoạt động bằng cách ngăn không cho nó thủy phân acetylcholine, do đó làm tăng mức độ và thời gian hoạt động của chất dẫn truyền thần kinh này. Chúng có thể được phân loại, theo cơ chế hoạt động, là thuận nghịch và không thể đảo ngược.

Thuốc ức chế không thể đảo ngược

Chúng là những chất ức chế không thể đảo ngược hoạt động thủy phân của acetylcholinesterase bằng cách liên kết cộng hóa trị của nó với cặn serine ở vị trí hoạt động của enzym. Nhóm này chủ yếu bao gồm các organophosphat.

Nói chung, đây là những hợp chất hoạt tính được tìm thấy trong nhiều loại thuốc diệt côn trùng và là nguyên nhân gây ra một số lượng lớn các ca tử vong do ngộ độc do tai nạn. Chúng là các este hoặc thiol có nguồn gốc từ axit photphoric, photphonic, photphoric hoặc axit photphoramidic.

Sarin, tabun, soman và cyclosarin là một trong những hợp chất độc nhất do con người tổng hợp vì chúng có thể giết chết con người bằng cách gây suy hô hấp và tuần hoàn bằng cách ngăn chặn acetylcholinesterase trong hệ thần kinh ngoại vi.

Cấu trúc phân tử của chất ức chế organophosphate «Sarin» (Nguồn: Sivizius qua Wikimedia Commons)

Sarin, ví dụ, là một "khí thần kinh" đã được sử dụng làm vũ khí hóa học để khủng bố.

Thuốc ức chế có thể đảo ngược

Thứ tự phân loại này là các nhóm chất ức chế cạnh tranh và không cạnh tranh hoạt động thông qua quá trình carbamyl hóa thuận nghịch và thoáng qua của dư lượng serine ở vị trí hoạt động và nhiều chất đã được tổng hợp và tinh chế từ nguồn thực vật hoặc nấm.

Carbamat như physostigmine và neostigmine là những chất ức chế có thể đảo ngược được dùng làm thuốc để điều trị các bệnh như bệnh tăng nhãn áp và bệnh nhược cơ.

Các tác nhân điều trị khác trong nhóm này cũng được sử dụng để điều trị bệnh Alzheimer, bệnh Parkinson, các chướng ngại vật đường ruột sau phẫu thuật (tắc ruột sau phẫu thuật), trướng bàng quang và làm thuốc giải độc cho quá liều kháng cholinergic.

Butyrylcholinesterase

Một cơ chế tự nhiên thú vị chống lại một số chất ức chế acetylcholinesterase có liên quan đến sự tham gia của một loại enzym ít đặc hiệu hơn được gọi là butyrylcholinesterase.

Enzyme này cũng có khả năng thủy phân acetylcholine và đồng thời nó có thể hoạt động như một mồi nhử phân tử phản ứng với các chất độc này trước khi chúng phát huy tác dụng tiêu cực lên acetylcholinesterase.

Acetylcholinesterase và bệnh Alzheimer

Acetylcholinesterase đã được chứng minh là tạo thành một phức hợp ổn định với các thành phần của mảng già đặc trưng của bệnh lý. Hơn nữa, một số mô hình glycosyl hóa bị thay đổi của enzym này có liên quan đến sự hiện diện và hình thành các mảng amyloid trong não.

Do đó, nhiều chất ức chế acetylcholinesterase có thể đảo ngược đã được sử dụng làm thuốc thế hệ đầu tiên để điều trị bệnh này và các tình trạng thoái hóa thần kinh liên quan khác. Chúng bao gồm donepezil, rivastigmine và galantamine.

Người giới thiệu

1. Dvir, H., Silman, I., Harel, M., Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010). Acetylcholinesterase: Từ cấu trúc 3D đến chức năng. Tương tác hóa học-sinh học, 187, 10–22.
2. Houghton, P., Ren, Y., & Howes, M. (2006). Chất ức chế acetylcholinesterase từ thực vật và nấm. Báo cáo Sản phẩm Tự nhiên, 23, 181–199.
3. Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013). Chất ức chế acetylcholinesterase: Dược lý và Độc tính. Khoa học thần kinh hiện tại, 11, 315–335.
4. Mukherjee, PK, Kumar, V., Mal, M., & Houghton, PJ (2007). Chất ức chế acetylcholinesterase từ thực vật. Phytomedicine, 14, 289–300.
5. Quinn, DM (1987). Acetylcholinesterase: Cấu trúc Enzyme, Động lực học Phản ứng và Trạng thái Chuyển đổi Ảo. Chem. Rev., 87, 955-979.
6. Racchi, M., Mazzucchelli, M., Porrello, E., Lanni, C., & Govoni, S. (2004). Thuốc ức chế acetylcholinesterase: các hoạt động mới của các phân tử cũ. Nghiên cứu Dược lý, 50, 441-451.
7. Rosenberry, T. (1975). Acetylcholinesterase. Những tiến bộ trong Enzymology và các lĩnh vực liên quan của sinh học phân tử, 43, 103–218.
8. Soreq, H., & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesterase - vai trò mới cho một diễn viên cũ. Nhận xét Bản chất, 2, 294-302.
9. Talesa, VN (2001). Acetylcholinesterase trong bệnh Alzheimer. Cơ chế của Lão hóa và Phát triển, 122, 1961–1969.