Ацетилхолинэстераза

Ацетилхолинэстераза (АХЭ, КФ 3.1.1.7) — это фермент из класса гидролаз, катализирующий гидролиз нейромедиатора ацетилхолина до холина и уксусной кислоты. Относится к семейству холинэстераз, играет ключевую роль в передаче нервного импульса в холинергических синапсах, обеспечивая быструю инактивацию ацетилхолина после его взаимодействия с рецепторами.

История открытия

Впервые активность фермента, расщепляющего ацетилхолин, была описана в 1914 году британским физиологом Генри Дейлом, который обнаружил, что экстракты некоторых тканей способны разрушать ацетилхолин. Однако выделение и идентификация ацетилхолинэстеразы как специфического фермента произошли позже, в 1930-х годах, благодаря работам немецкого биохимика Отто Лёви и других исследователей. В 1940-х годах было установлено, что ацетилхолинэстераза является мишенью для действия фосфорорганических соединений (ФОС), что привело к разработке как химического оружия (например, зарин, зоман), так и инсектицидов. В 1970-х годах была определена трёхмерная структура фермента методом рентгеноструктурного анализа, что позволило понять механизм его каталитической активности.

Структура и свойства

Молекулярная организация

Ацетилхолинэстераза представляет собой глобулярный белок с молекулярной массой около 280 кДа. Фермент существует в нескольких молекулярных формах, различающихся по степени олигомеризации и способу прикрепления к мембране:

• Мономерная форма (G1) — растворимая, встречается в цитоплазме.
• Димерная форма (G2) — часто связана с мембраной через гликозилфосфатидилинозитоловый (GPI) якорь.
• Тетрамерная форма (G4) — основная форма в синапсах, где четыре субъединицы (каталитические домены) ассоциированы с коллагеноподобным хвостом (Q-субъединица), который закрепляет фермент в базальной мембране синаптической щели.

Каталитический центр фермента расположен на дне глубокого «ущелья» (глубиной около 20 Å), которое пронизывает молекулу. В активном центре выделяют два ключевых участка:

• Эстеразный участок — содержит каталитическую триаду аминокислот (серин, гистидин, глутаминовая кислота), характерную для сериновых гидролаз. Серин-203 (в нумерации Torpedo californica) является нуклеофилом, атакующим сложноэфирную связь ацетилхолина.
• Анионный участок — представлен ароматическими остатками (триптофан-86, тирозин-133) и обеспечивает электростатическое притяжение положительно заряженного четвертичного аммония ацетилхолина.

Каталитический механизм

Гидролиз ацетилхолина протекает в несколько стадий:

1. Связывание субстрата: ацетилхолин входит в активный центр, его четвертичный аммоний взаимодействует с анионным участком, а сложноэфирная группа — с эстеразным участком.
2. Ацилирование: гидроксильная группа серина-203 атакует карбонильный углерод ацетилхолина, образуя тетраэдрический интермедиат. Высвобождается холин.
3. Деацилирование: вода атакует ацилированный фермент, отщепляя уксусную кислоту и восстанавливая активную форму серина.

Весь цикл занимает менее 1 миллисекунды, что делает ацетилхолинэстеразу одним из самых быстрых ферментов (число оборотов достигает 10⁴–10⁵ молекул субстрата в секунду).

Распределение в организме

Ацетилхолинэстераза широко представлена в тканях, иннервируемых холинергическими нейронами:

• Нервная система: высокая концентрация в синапсах центральной и периферической нервной системы, особенно в двигательных концевых пластинках скелетных мышц, ганглиях вегетативной нервной системы и в головном мозге (базальные ядра, кора, гиппокамп).
• Кровь: содержится в мембранах эритроцитов (в виде димерной формы), а также в плазме (в виде растворимого варианта — бутирилхолинэстеразы, которая отличается субстратной специфичностью).
• Другие ткани: обнаружена в плаценте, тромбоцитах, лимфоцитах, а также в эмбриональных тканях, где участвует в процессах клеточной адгезии и миграции.

Физиологическая роль

Основная функция ацетилхолинэстеразы — прекращение синаптической передачи в холинергических синапсах. После того как ацетилхолин, выделившийся из пресинаптического окончания, связывается с постсинаптическими рецепторами (никотиновыми или мускариновыми), фермент быстро расщепляет его, предотвращая избыточное возбуждение постсинаптической клетки. Это обеспечивает:

• Точность и временную дискретность нервных импульсов.
• Защиту от десенситизации рецепторов.
• Нормальное функционирование двигательных, вегетативных и когнитивных процессов.

Помимо каталитической активности, ацетилхолинэстераза участвует в нехолинергических функциях, таких как регуляция клеточной пролиферации, дифференцировки и апоптоза, а также в процессах нейронального развития.

Ингибиторы ацетилхолинэстеразы

Вещества, подавляющие активность фермента, называются ингибиторами ацетилхолинэстеразы. Они делятся на обратимые и необратимые.

Обратимые ингибиторы

Связываются с ферментом на короткое время (от минут до часов) и используются в медицине:

• Физостигмин (эзерин) — природный алкалоид, применяется при глаукоме и атонии кишечника.
• Неостигмин (прозерин) — синтетическое производное, используется для лечения миастении гравис и послеоперационной задержки мочи.
• Донепезил, ривастигмин, галантамин — препараты для симптоматического лечения болезни Альцгеймера, так как повышают уровень ацетилхолина в мозге, замедляя когнитивный спад.
• Такрин — один из первых ингибиторов, одобренных для лечения деменции, но из-за гепатотоксичности применяется редко.

Необратимые ингибиторы

Ковалентно модифицируют активный центр фермента, часто с образованием фосфорилированного серина, который не гидролизуется водой. К ним относятся:

• Фосфорорганические соединения (ФОС): зарин, зоман, табун, VX — боевые отравляющие вещества нервно-паралитического действия. В мирное время используются как инсектициды (паратион, малатион, дихлофос).
• Карбаматы (например, карбарил) — действуют по схожему механизму, но реакция карбамоилирования обратима в течение нескольких часов.

Механизм токсичности: необратимое ингибирование ацетилхолинэстеразы приводит к накоплению ацетилхолина в синапсах, вызывая холинергический криз — гиперсаливацию, бронхоспазм, судороги, паралич дыхательной мускулатуры и смерть. Лечение отравлений включает применение антидотов: атропина (блокатор мускариновых рецепторов) и реактиваторов холинэстеразы (например, пралидоксим), которые отщепляют фосфорильную группу от активного центра.

Клиническое значение

Нарушения активности

• Дефицит ацетилхолинэстеразы — редкое генетическое заболевание, проявляющееся мышечной слабостью, задержкой развития и дыхательными нарушениями. Описаны мутации в гене ACHE, кодирующем фермент.
• Аутоиммунные реакции — при миастении гравис антитела к ацетилхолиновым рецепторам нарушают синаптическую передачу, но активность фермента обычно не снижена. Однако описаны случаи антител к ацетилхолинэстеразе, вызывающие синдром, сходный с отравлением ФОС.

Диагностика

Уровень ацетилхолинэстеразы в крови (в эритроцитах) используется для оценки воздействия фосфорорганических соединений. Снижение активности более чем на 50% указывает на значительное отравление. Также фермент является маркером при некоторых заболеваниях печени (снижение синтеза) и гемолитических анемиях.

Терапевтические мишени

Помимо болезни Альцгеймера, ингибиторы ацетилхолинэстеразы изучаются при:

• Болезни Паркинсона (для уменьшения когнитивных нарушений).
• Шизофрении (для коррекции негативных симптомов).
• Сосудистой деменции и деменции с тельцами Леви.

Интересные факты

• Ацетилхолинэстераза является одним из самых быстрых ферментов в природе — её каталитическая эффективность близка к диффузионному пределу.
• В 2013 году учёные из США создали искусственную ацетилхолинэстеразу на основе наночастиц, способную гидролизовать ацетилхолин с эффективностью, сравнимой с природным ферментом.
• Фермент используется в биосенсорах для обнаружения фосфорорганических пестицидов и боевых отравляющих веществ в окружающей среде.
• Ген ACHE у человека расположен на 7-й хромосоме (7q22.1). Существует также псевдоген ACHEP, не кодирующий функциональный белок.

Источники

• Goodman L.S., Gilman A. The Pharmacological Basis of Therapeutics. — 13th ed. — McGraw-Hill, 2017.
• Taylor P., Radic Z. The cholinesterases: from genes to proteins // Annual Review of Pharmacology and Toxicology. — 1994. — Vol. 34. — P. 281–320.
• Sussman J.L., Harel M., Frolow F. et al. Atomic structure of acetylcholinesterase from Torpedo californica: a prototypic acetylcholine-binding protein // Science. — 1991. — Vol. 253, № 5022. — P. 872–879.
• Massoulie J., Pezzementi L., Bon S. et al. Molecular and cellular biology of cholinesterases // Progress in Neurobiology. — 1993. — Vol. 41, № 1. — P. 31–91.
• Кузнецов С.Л., Мушкамбаров Н.Н. Гистология, цитология и эмбриология. — М.: Медицинское информационное агентство, 2013.
• ВОЗ. Рекомендации по диагностике и лечению отравлений фосфорорганическими соединениями. — Женева, 2005.