ACETILCOLINESTERASI: STRUTTURA, FUNZIONI E INIBITORI - BIOLOGIA - 2024

L' acetilcolinesterasi (acetilcolina acetil idrolasi, EC 3.1.1.7) è un enzima che si trova principalmente nel sistema nervoso centrale. Il suo compito, come suggerisce il nome, è l'elaborazione idrolitica del neurotrasmettitore acetilcolina.

È un enzima associato alla membrana cellulare che lavora insieme al recettore dell'acetilcolina per mediare l'eccitazione delle cellule postsinaptiche e il cui meccanismo catalitico è sorprendentemente veloce.

Struttura dell'acetilcolinesterasi (Fonte: Wikimedia Commons)

Dal punto di vista meccanico, questo enzima può essere visto come una serina idrolasi e nel dominio catalitico del suo sito attivo contiene la triade di amminoacidi caratteristici delle serina proteasi: serina, istidina e un residuo acido. Tuttavia, il residuo acido è un glutammato, mentre le serina proteasi normalmente possiedono un aspartato.

Struttura dell'acetilcolina (Fonte: Alinebloom tramite Wikimedia Commons)

Una delle prime osservazioni che collegava l'attività catalitica dell'acetilcolinesterasi con i tessuti nervosi colinergici e i tessuti muscolari fu fatta da Dale nel 1914; successivamente è stato accertato che è presente anche nei neuroni non colinergici e nelle cellule ematopoietiche, osteogeniche e neoplastiche.

Grazie allo studio di vari organismi, è attualmente noto che l'enzima è presente nella membrana di diversi tipi di cellule come eritrociti, cellule nervose e muscolari, organi elettrici e altri.

Struttura

Struttura terziaria e quaternaria

In condizioni naturali o "in vivo", l'acetilcolinesterasi è un enzima polimorfico composto da diverse subunità catalitiche di più o meno 80 kDa, che si assemblano per formare una struttura oligomerica (di diverse subunità).

La quantità e la complessità di queste subunità dipende dal tipo di cellula e dalle specie considerate.

Alcune delle forme enzimatiche più complesse hanno subunità catalitiche con forme globulari (G) o asimmetriche (A) collegate da ponti disolfuro. I ponti disolfuro sono legami covalenti formati tra due molecole di zolfo dei gruppi tiolo (-SH) di due residui dell'amminoacido cisteina.

Ogni subunità G contiene un singolo sito attivo, mentre le subunità A sono generalmente caratterizzate dall'avere tre domini strutturali, vale a dire: subunità catalitiche, code simili al collagene ricche di residui di glicina, idrossiprolina e idrossilisina, e altri colle non collagene (diverse dal collagene).

Le forme asimmetriche di acetilcolinesterasi sono note come A12, A8 e A4, che hanno rispettivamente 12, 8 e 4 subunità catalitiche.

Generalmente, i residui del dominio catalitico nel sito attivo si trovano in una regione "profonda" delle subunità, che potrebbe essere vista come contraddittoria rispetto alla rapida velocità di reazione che catalizza questo enzima e all'apparente inaccessibilità del substrato a questi siti. .

Indipendentemente dal polimorfismo dell'enzima, sia le subunità globulari che quelle asimmetriche hanno attività catalitiche simili.

varianti

Alcune cellule diverse dalle cellule nervose, come gli eritrociti, producono enzimi acetilcolinesterasi che sono prevalentemente globulari, dimerici e per lo più associati alla faccia esterna della membrana plasmatica.

L'enzima eritrocitario, sebbene di minore complessità strutturale, è anche un enzima anfipatico, il cui dominio catalitico attivo si trova nella grande regione idrofila, mentre il dominio idrofobo, che contiene la regione terminale carbossilica, è responsabile del suo sostentamento nella membrana .

Struttura primaria

Gran parte delle attuali conoscenze sulla sequenza dell'acetilcolinesterasi derivano dallo studio dell'enzima di Torpedo californica, un pesce pastinaca che vive nell'Oceano Pacifico e che è stato tradizionalmente utilizzato come organismo modello per lo studio di diverse proteine ​​del sistema nervoso.

Le subunità acetilcolinesterasi sono sintetizzate come pro-proteine ​​che vengono poi elaborate per dare origine a subunità mature. Ciascuna subunità è costituita da un polipeptide di circa 575 aminoacidi e 65 kDa di peso molecolare, che viene aumentato dall'aggiunta del 7-8% di residui di carboidrati (glicosilazione).

L'attività catalitica del sito attivo delle subunità è determinata da un residuo di serina in posizione 200, che si trova in una regione "profonda" delle subunità catalitiche.

Diverse varianti o isoforme dell'enzima esistono negli organismi grazie a diversi siti per lo "splicing alternativo" degli RNA pre-messaggeri ad entrambe le loro estremità (5 'e 3'). La sequenza carbossil-terminale dell'isoforma di ciascuna subunità è ciò che determina l'assemblaggio degli oligomeri tra loro.

Caratteristiche

L'acetilcolinesterasi è un enzima con molteplici funzioni biologiche non necessariamente correlate tra loro. Un fatto attestato dalla sua espressione differenziale durante l'embriogenesi, l'estensione neurale embrionale, lo sviluppo muscolare e la sinaptogenesi.

Come evidenziato sopra, ha un ruolo importante nella rapida idrolisi dell'acetilcolina e quindi nella regolazione del suo effetto nello spazio sinaptico neuromuscolare o negli spazi sinaptici colinergici del sistema nervoso centrale.

Un esempio delle sue funzioni è la contrazione del muscolo scheletrico, che avviene grazie a un tipo di sinapsi chimica nota come piastra motoria, situata tra un motoneurone e una fibra muscolare.

In questa sinapsi si ottengono centinaia di vescicole cariche di acetilcolina, che vengono rilasciate dal motoneurone per la propagazione di un impulso elettrico.

Questo processo di neurotrasmissione è piuttosto complesso, tuttavia, la partecipazione dell'acetilcolinesterasi è cruciale per la cessazione della trasmissione sinaptica che dipende dal neurotrasmettitore acetilcolina, poiché deve essere degradata e quindi deve diffondersi al di fuori della fessura sinaptica per culminare con il eccitazione della membrana.

Pertanto, l'enzima acetilcolinesterasi è responsabile della regolazione della concentrazione di questo trasmettitore nella sinapsi neuromotoria.

Altre funzioni "non classiche" dell'enzima sono legate alla neuritogenesi o alla crescita delle cellule nervose; con i processi di adesione cellulare, sinaptogenesi, attivazione dei neuroni-dopamina nella substantia nigra del mesencefalo, processi ematopoietici e trombo poietico, tra gli altri.

inibitori

Gli inibitori dell'acetilcolinesterasi agiscono impedendole di idrolizzare l'acetilcolina, aumentando così il livello e la durata d'azione di questo neurotrasmettitore. Possono essere classificati, in base al loro meccanismo d'azione, come reversibili e irreversibili.

Inibitori irreversibili

Sono quelli che inibiscono irreversibilmente l'attività idrolitica dell'acetilcolinesterasi mediante il suo legame covalente al residuo di serina nel sito attivo dell'enzima. Questo gruppo è composto principalmente dagli organofosfati.

In generale, questi sono composti attivi presenti in molti insetticidi e sono responsabili di un gran numero di morti per avvelenamento accidentale. Sono esteri o tioli derivati ​​da acido fosforico, fosfonico, fosfinico o fosforamidico.

Sarin, tabun, soman e ciclosarina sono tra i composti più tossici sintetizzati dall'uomo poiché possono uccidere un essere umano inducendo insufficienza respiratoria e circolatoria bloccando l'acetilcolinesterasi nel sistema nervoso periferico.

Struttura molecolare dell'inibitore organofosfato «Sarin» (Fonte: Sivizius tramite Wikimedia Commons)

Il sarin, ad esempio, è un "gas nervino" che è stato utilizzato come arma chimica per uso terroristico.

Inibitori reversibili

Questo ordine di classificazione raggruppa inibitori competitivi e non competitivi che agiscono attraverso la carbamilazione transitoria e reversibile di un residuo di serina nel sito attivo e molti sono stati sintetizzati e purificati da fonti vegetali o fungine.

I carbammati come la fisostigmina e la neostigmina sono inibitori reversibili utilizzati come farmaci per il trattamento di malattie come il glaucoma e la miastenia grave, rispettivamente.

Altri agenti terapeutici in questo gruppo sono utilizzati anche per il trattamento del morbo di Alzheimer, morbo di Parkinson, ostruzioni intestinali post-operatorie (ileo postoperatorio), distensione della vescica e come antidoti per il sovradosaggio da anticolinergici.

butirrilcolinesterasi

Un interessante meccanismo naturale contro alcune sostanze inibitrici dell'acetilcolinesterasi ha a che fare con la partecipazione di un enzima meno specifico noto come butirrilcolinesterasi.

Questo enzima è anche in grado di idrolizzare l'acetilcolina e allo stesso tempo può agire come un esca molecolare che reagisce con queste tossine prima che esercitino il loro effetto negativo sull'acetilcolinesterasi.

Acetilcolinesterasi e morbo di Alzheimer

È stato dimostrato che l'acetilcolinesterasi forma un complesso stabile con i componenti delle placche senili caratteristiche della patologia. Inoltre, alcuni schemi di glicosilazione alterati di questo enzima sono stati correlati alla presenza e alla formazione di placche amiloidi nel cervello.

Molti degli inibitori reversibili dell'acetilcolinesterasi, quindi, sono stati utilizzati come farmaci di prima generazione per il trattamento di questa malattia e di altre condizioni neurodegenerative correlate. Questi includono donepezil, rivastigmina e galantamina.

Riferimenti

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