ACETYLCHOLINESTERASE: โครงสร้างหน้าที่และสารยับยั้ง - ชีววิทยา

สาร (acetylcholine acetyl hydrolase, EC 3.1.1.7) เป็นเอนไซม์หลักที่พบในระบบประสาทส่วนกลาง หน้าที่ของมันตามชื่อคือการประมวลผลไฮโดรไลติกของสารสื่อประสาท acetylcholine

เป็นเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์ที่ทำงานร่วมกับตัวรับ acetylcholine เพื่อเป็นสื่อกลางในการกระตุ้นเซลล์ postynaptic และมีกลไกการเร่งปฏิกิริยาที่รวดเร็วอย่างน่าประหลาดใจ

โครงสร้างของ Acetylcholinesterase (ที่มา: Wikimedia Commons)

จากมุมมองเชิงกลเอนไซม์นี้สามารถมองได้ว่าเป็นเซรีนไฮโดรเลสและในโดเมนตัวเร่งปฏิกิริยาของไซต์ที่ใช้งานอยู่ประกอบด้วยกรดอะมิโนสามชนิดที่มีลักษณะเฉพาะของโปรตีเอสซีรีน: ซีรีนฮิสทิดีนและสารตกค้างที่เป็นกรด อย่างไรก็ตามสารตกค้างที่เป็นกรดคือกลูตาเมตในขณะที่ซีรีนโปรตีเอสมักมีแอสพาเทต

โครงสร้าง Acetylcholine (ที่มา: Alinebloom ผ่าน Wikimedia Commons)

หนึ่งในข้อสังเกตแรกที่เชื่อมโยงการเร่งปฏิกิริยาของ acetylcholinesterase กับเนื้อเยื่อประสาท cholinergic และเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อโดย Dale ในปีพ. ศ. 2457 ต่อมามีการพิจารณาว่ามีอยู่ในเซลล์ประสาทที่ไม่ใช่ cholinergic และในเซลล์เม็ดเลือดเซลล์สร้างกระดูกและเนื้องอก

จากการศึกษาสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่าเอนไซม์มีอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ประเภทต่างๆเช่นเม็ดเลือดแดงเซลล์ประสาทและกล้ามเนื้ออวัยวะไฟฟ้าและอื่น ๆ

โครงสร้าง

โครงสร้างตติยภูมิและควอเทอร์นารี

ภายใต้สภาวะธรรมชาติหรือ "ในร่างกาย" acetylcholinesterase เป็นเอนไซม์โพลีมอร์ฟิกที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยของตัวเร่งปฏิกิริยาหลายหน่วยที่มีขนาดมากกว่าหรือน้อยกว่า 80 kDa ซึ่งรวมตัวกันเป็นโครงสร้างโอลิโกเมอริก (จากหลายหน่วยย่อย)

ปริมาณและความซับซ้อนของหน่วยย่อยเหล่านี้ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์และชนิดที่พิจารณา

รูปแบบเอนไซม์ที่ซับซ้อนกว่าบางชนิดมีหน่วยย่อยเร่งปฏิกิริยาที่มีรูปทรงกลม (G) หรือไม่สมมาตร (A) เชื่อมโยงกันด้วยสะพานไดซัลไฟด์ สะพานไดซัลไฟด์เป็นพันธะโควาเลนต์ที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของกำมะถันสองโมเลกุลของกลุ่ม thiol (-SH) ของสองส่วนที่เหลือของกรดอะมิโนซีสเทอีน

หน่วยย่อย G แต่ละหน่วยประกอบด้วยไซต์ที่ใช้งานอยู่เดียวในขณะที่หน่วยย่อย A มีลักษณะโดยทั่วไปโดยมีโดเมนโครงสร้างสามส่วน ได้แก่ หน่วยย่อยเร่งปฏิกิริยาหางที่มีลักษณะคล้ายคอลลาเจนที่อุดมไปด้วยไกลซีนไฮดรอกซีโพรลีนและสารตกค้างของไฮดรอกซีไลซินและอื่น ๆ กาวที่ไม่ใช่คอลลาเจน (แตกต่างจากคอลลาเจน)

รูปแบบที่ไม่สมมาตรของ acetylcholinesterase เรียกว่า A12, A8 และ A4 ซึ่งมีหน่วยย่อยตัวเร่งปฏิกิริยา 12, 8 และ 4 หน่วยตามลำดับ

โดยทั่วไปการตกค้างของโดเมนตัวเร่งปฏิกิริยาในไซต์ที่ใช้งานอยู่จะพบในบริเวณ "ลึก" ของหน่วยย่อยซึ่งอาจถูกมองว่าขัดแย้งกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วที่เร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์นี้และการไม่สามารถเข้าถึงสารตั้งต้นไปยังไซต์เหล่านี้ได้อย่างชัดเจน .

โดยไม่คำนึงถึงความหลากหลายของเอนไซม์หน่วยย่อยทั้งทรงกลมและไม่สมมาตรมีกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาที่คล้ายคลึงกัน

สายพันธุ์

เซลล์บางชนิดนอกเหนือจากเซลล์ประสาทเช่นเม็ดเลือดแดงจะผลิตเอนไซม์อะเซทิลโคลินเอสเตอเรสที่มีลักษณะเป็นทรงกลมเป็นส่วนใหญ่มีมิติและส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับส่วนหน้านอกของเยื่อหุ้มพลาสมา

เอนไซม์เม็ดเลือดแดงแม้ว่าจะมีความซับซ้อนของโครงสร้างน้อยกว่า แต่ก็เป็นเอนไซม์แอมฟิพาทิกเช่นกันซึ่งโดเมนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้งานอยู่พบได้ในบริเวณที่ชอบน้ำขนาดใหญ่ในขณะที่โดเมนที่ไม่ชอบน้ำซึ่งมีบริเวณขั้วคาร์บอกซิลมีหน้าที่ค้ำจุนไว้ในเยื่อหุ้มเซลล์ .

โครงสร้างหลัก

ความรู้ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเกี่ยวกับลำดับของ acetylcholinesterase เกิดขึ้นจากการศึกษาเอนไซม์ของ Torpedo californica ซึ่งเป็นปลากระเบนที่อาศัยอยู่ในมหาสมุทรแปซิฟิกและตามเนื้อผ้าถูกใช้เป็นสิ่งมีชีวิตแบบจำลองสำหรับการศึกษาโปรตีนต่างๆของระบบประสาท

หน่วยย่อยของ acetylcholinesterase ถูกสังเคราะห์เป็นโปรโปรตีนที่ผ่านการประมวลผลเพื่อก่อให้เกิดหน่วยย่อยที่โตเต็มที่ แต่ละหน่วยย่อยประกอบด้วยโพลีเปปไทด์ประมาณ 575 กรดอะมิโนและน้ำหนักโมเลกุล 65 kDa ซึ่งเพิ่มขึ้นจากการเติมคาร์โบไฮเดรตตกค้าง 7-8% (ไกลโคซิเลชั่น)

กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของไซต์ที่ใช้งานอยู่ของหน่วยย่อยถูกกำหนดโดยสารตกค้างของซีรีนที่ตำแหน่ง 200 ซึ่งพบในบริเวณ "ลึก" ของหน่วยย่อยของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวแปรหรือไอโซฟอร์มที่แตกต่างกันของเอนไซม์มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตเนื่องจากไซต์ที่แตกต่างกันสำหรับ "การประกบทางเลือก" ของ RNA ก่อนส่งสารที่ปลายทั้งสอง (5 'และ 3') ลำดับคาร์บอกซิลเทอร์มินัลของไอโซฟอร์มของแต่ละหน่วยย่อยคือสิ่งที่กำหนดการประกอบโอลิโกเมอร์ซึ่งกันและกัน

คุณสมบัติ

Acetylcholinesterase เป็นเอนไซม์ที่มีหน้าที่ทางชีววิทยาหลายอย่างซึ่งไม่จำเป็นต้องเกี่ยวข้องกัน ข้อเท็จจริงที่พิสูจน์ได้จากการแสดงออกที่แตกต่างระหว่างการสร้างเอ็มบริโอการขยายระบบประสาทของตัวอ่อนการพัฒนากล้ามเนื้อและการสร้างซินแนปโตเจนิก

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นมันมีบทบาทสำคัญในการไฮโดรไลซิสอย่างรวดเร็วของอะซิทิลโคลีนและด้วยเหตุนี้ในการควบคุมผลของมันในช่องว่างประสาทและกล้ามเนื้อหรือในช่องว่างซินแนปติก cholinergic ของระบบประสาทส่วนกลาง

ตัวอย่างของหน้าที่ของมันคือการหดตัวของกล้ามเนื้อโครงร่างซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากไซแนปส์ทางเคมีชนิดหนึ่งที่เรียกว่า endplate ของมอเตอร์ซึ่งอยู่ระหว่างเซลล์ประสาทของมอเตอร์และเส้นใยกล้ามเนื้อ

ในไซแนปส์นี้จะได้รับถุงที่บรรจุอะซิติลโคลีนหลายร้อยชิ้นซึ่งปล่อยออกมาจากเซลล์ประสาทของมอเตอร์เพื่อการแพร่กระจายของแรงกระตุ้นไฟฟ้า

กระบวนการส่งผ่านสื่อประสาทนี้ค่อนข้างซับซ้อนอย่างไรก็ตามการมีส่วนร่วมของ acetylcholinesterase มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยุติการส่งผ่าน synaptic ซึ่งขึ้นอยู่กับสารสื่อประสาท acetylcholine เนื่องจากต้องย่อยสลายแล้วจึงต้องกระจายออกไปนอกช่องว่าง synaptic เพื่อให้ถึงจุดสุดยอดด้วย กระตุ้นเมมเบรน

ดังนั้นเอนไซม์ acetylcholinesterase จึงทำหน้าที่ควบคุมความเข้มข้นของตัวส่งสัญญาณนี้ในเซลล์ประสาทไซแนปส์

การทำงานของเอนไซม์ที่ "ไม่คลาสสิก" อื่น ๆ เกี่ยวข้องกับการสร้างเซลล์ประสาทหรือการเจริญเติบโตของเซลล์ประสาท ด้วยกระบวนการยึดเกาะของเซลล์การซินแนปโตเจเนซิสการกระตุ้นเซลล์ประสาท - โดปามีนในสารสำคัญนิกราของสมองส่วนกลางกระบวนการสร้างเม็ดเลือดและการเกิดลิ่มเลือดในกลุ่มอื่น ๆ

สารยับยั้ง

สารยับยั้ง Acetylcholinesterase ทำงานโดยการป้องกันไม่ให้ไฮโดรไลซิง acetylcholine ซึ่งจะช่วยเพิ่มระดับและระยะเวลาในการออกฤทธิ์ของสารสื่อประสาทนี้ สามารถจำแนกได้ตามกลไกการออกฤทธิ์เช่นย้อนกลับได้และย้อนกลับไม่ได้

สารยับยั้งกลับไม่ได้

เป็นสารที่ยับยั้งกิจกรรมไฮโดรไลติกของ acetylcholinesterase อย่างไม่สามารถย้อนกลับได้โดยโควาเลนต์จับกับสารตกค้างของซีรีนในบริเวณที่ใช้งานของเอนไซม์ กลุ่มนี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยออร์กาโนฟอสเฟต

โดยทั่วไปสารเหล่านี้เป็นสารประกอบที่พบได้ในยาฆ่าแมลงหลายชนิดและมีผลต่อการเสียชีวิตจากพิษจากอุบัติเหตุจำนวนมาก พวกมันคือเอสเทอร์หรือไทโอลที่ได้จากกรดฟอสฟอริกฟอสโฟนิกฟอสฟินิกหรือกรดฟอสโฟรามิก

Sarin, tabun, soman และ cyclosarin เป็นสารประกอบที่เป็นพิษมากที่สุดที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้นเนื่องจากสามารถฆ่ามนุษย์ได้โดยการกระตุ้นให้ระบบหายใจและระบบไหลเวียนโลหิตล้มเหลวโดยการปิดกั้น acetylcholinesterase ในระบบประสาทส่วนปลาย

โครงสร้างโมเลกุลของสารยับยั้งออร์กาโนฟอสเฟต« Sarin » (ที่มา: Sivizius ผ่าน Wikimedia Commons)

ตัวอย่างเช่น Sarin เป็น "ก๊าซประสาท" ที่ถูกใช้เป็นอาวุธเคมีสำหรับการก่อการร้าย

สารยับยั้งที่ย้อนกลับได้

ลำดับของการจำแนกกลุ่มสารยับยั้งการแข่งขันและไม่สามารถแข่งขันได้ซึ่งทำงานผ่านคาร์บาไมเลชันชั่วคราวและย้อนกลับได้ของสารตกค้างซีรีนในไซต์ที่ใช้งานอยู่และหลายส่วนได้รับการสังเคราะห์และทำให้บริสุทธิ์จากแหล่งพืชหรือเชื้อรา

Carbamates เช่น physostigmine และ neostigmine เป็นสารยับยั้งแบบย้อนกลับซึ่งใช้เป็นยาในการรักษาโรคเช่นต้อหินและ myasthenia gravis ตามลำดับ

สารบำบัดอื่น ๆ ในกลุ่มนี้ยังใช้ในการรักษาโรคอัลไซเมอร์โรคพาร์คินสันการอุดกั้นของลำไส้หลังการผ่าตัด (หลังผ่าตัด ileus) อาการกระเพาะปัสสาวะขยายและเป็นยาแก้พิษสำหรับการให้ยา anticholinergic เกินขนาด

Butyrylcholinesterase

กลไกทางธรรมชาติที่น่าสนใจในการต่อต้านสารยับยั้ง acetylcholinesterase บางชนิดเกี่ยวข้องกับการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ที่เฉพาะเจาะจงน้อยกว่าที่เรียกว่า butyrylcholinesterase

เอนไซม์นี้ยังสามารถไฮโดรไลซิงอะซิติลโคลีนและในขณะเดียวกันก็สามารถทำหน้าที่เป็นตัวล่อระดับโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยากับสารพิษเหล่านี้ก่อนที่จะมีผลเสียต่อ acetylcholinesterase

Acetylcholinesterase และโรคอัลไซเมอร์

Acetylcholinesterase ได้รับการแสดงให้เห็นว่าเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีเสถียรภาพโดยมีส่วนประกอบของโล่ในวัยชราที่มีลักษณะเฉพาะของพยาธิวิทยา นอกจากนี้รูปแบบของไกลโคซิเลชันที่เปลี่ยนแปลงไปของเอนไซม์นี้ยังเกี่ยวข้องกับการปรากฏตัวและการก่อตัวของโล่อะไมลอยด์ในสมอง

ดังนั้นสารยับยั้ง acetylcholinesterase จำนวนมากจึงถูกนำมาใช้เป็นยารุ่นแรกในการรักษาโรคนี้และสภาวะอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเสื่อมสภาพของระบบประสาท ซึ่ง ได้แก่ donepezil, rivastigmine และ galantamine

อ้างอิง

Dvir, H. , Silman, I. , Harel, M. , Rosenberry, TL, & Sussman, JL (2010) Acetylcholinesterase: จากโครงสร้าง 3 มิติไปจนถึงฟังก์ชัน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเคมี - ชีวภาพ, 187, 10–22
Houghton, P. , Ren, Y. , & Howes, M. (2006). สารยับยั้ง Acetylcholinesterase จากพืชและเชื้อรา Natural Product Reports, 23, 181–199
Krsti, DZ, Lazarevi, TD, Bond, AM, & Vasi, VM (2013) Acetylcholinesterase Inhibitors: เภสัชวิทยาและพิษวิทยา. Neuropharmacology ปัจจุบัน, 11, 315–335
Mukherjee, PK, Kumar, V. , Mal, M. , & Houghton, PJ (2007) สารยับยั้ง Acetylcholinesterase จากพืช ไฟโตเมดิซีน, 14, 289–300
ควินน์ DM (1987) Acetylcholinesterase: โครงสร้างของเอนไซม์พลวัตของปฏิกิริยาและสถานะการเปลี่ยนเสมือน เคมี Rev. , 87, 955-979
Racchi, M. , Mazzucchelli, M. , Porrello, E. , Lanni, C. , & Govoni, S. (2004). Acetylcholinesterase inhibitors: กิจกรรมใหม่ของโมเลกุลเก่า การวิจัยทางเภสัชวิทยา, 50, 441-451
Rosenberry, T. (1975). สาร ความก้าวหน้าในเอนไซม์และสาขาที่เกี่ยวข้องของอณูชีววิทยา, 43, 103–218
Soreq, H. , & Seidman, S. (2001). Acetylcholinesterase - บทบาทใหม่สำหรับนักแสดงเก่า Nature Reviews, 2, 294-302.
Talesa, VN (2544). Acetylcholinesterase ในโรคอัลไซเมอร์ กลไกของความชราและการพัฒนา, 122, 2504-2512

ACETYLCHOLINESTERASE: โครงสร้างหน้าที่และสารยับยั้ง - ชีววิทยา - 2025