Acetilcolinesterase: estrutura, funções e inibidores

A acetilcolinesterase (acetil hidrolase acetilcolina, EC 3.1.1.7) é uma enzima encontrada principalmente no sistema nervoso central . Sua tarefa, como o nome indica, é o processamento hidrolítico do neurotransmissor acetilcolina.

É uma enzima associada à membrana celular que trabalha em conjunto com o receptor de acetilcolina para mediar a excitação de células pós-sinápticas e cujo mecanismo catalítico é surpreendentemente rápido.

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Estrutura da acetilcolinesterase (Fonte: Wikimedia Commons)

Do ponto de vista mecânico, esta enzima pode ser vista como uma serina hidrolase e, no domínio catalítico de seu sítio ativo, contém a tríade de aminoácidos característicos das serina proteases: serina, histidina e um resíduo ácido. No entanto, o resíduo ácido é um glutamato, enquanto as serina proteases normalmente possuem aspartato.

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Estrutura da acetilcolina (Fonte: Alinebloom [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)] via Wikimedia Commons)

Uma das primeiras observações que ligaram a atividade catalítica da acetilcolinesterase com tecidos nervosos colinérgicos e tecidos musculares foi feita por Dale em 1914; subsequentemente, foi determinado que também está presente em neurônios não colinérgicos e em células hematopoiéticas, osteogênicas e neoplásicas.

Atualmente, graças ao estudo de vários organismos, sabe-se que a enzima está presente na membrana de diferentes tipos de células, como eritrócitos, células nervosas e musculares, órgãos elétricos e outros.

Estrutura

Estrutura terciária e quaternária

Sob condições naturais ou ” in vivo” , a acetilcolinesterase é uma enzima polimórfica composta por várias subunidades catalíticas de mais ou menos 80 kDa, que são montadas para formar uma estrutura oligomérica (de várias subunidades).

A quantidade e complexidade dessas subunidades depende do tipo de célula e das espécies consideradas.

Algumas das formas enzimáticas mais complexas têm subunidades catalíticas com formas globulares (G) ou assimétricas (A) ligadas por pontes dissulfeto. Pontes dissulfeto são ligações covalentes formadas entre duas moléculas de enxofre dos grupos tiol (-SH) de dois resíduos do aminoácido cisteína.

Cada subunidade G contém um único local ativo, enquanto as subunidades A, em geral, são caracterizadas por possuir três domínios estruturais, a saber: subunidades catalíticas, algumas caudas do tipo colágeno, ricas em resíduos de glicina, hidroxiprolina e hidroxilisina, entre outras. caudas não colagênicas (exceto colágeno).

As formas assimétricas de acetilcolinesterase são conhecidas como A12, A8 e A4, que possuem 12, 8 e 4 subunidades catalíticas, respectivamente.

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Geralmente, os resíduos do domínio catalítico no local ativo estão em uma região “profunda” das subunidades, o que pode ser visto como contraditório quanto à taxa de reação rápida que catalisa essa enzima e à aparente inacessibilidade do substrato a esses locais. .

Independentemente do polimorfismo enzimático, as subunidades globulares e assimétricas têm atividades catalíticas semelhantes.

Variantes

Algumas células que não as nervosas, como os eritrócitos, produzem enzimas predominantemente globulares, diméricas e acetilcolinesterase, principalmente associadas à face externa da membrana plasmática.

A enzima eritrocitária, embora de menor complexidade estrutural, também é uma enzima anfipática, cujo domínio catalítico ativo é encontrado na grande região hidrofílica, enquanto o domínio hidrofóbico, que contém a região carboxila terminal, é responsável por apoiá-lo na membrana. .

Estrutura primária

Grande parte do conhecimento atual sobre a sequência da acetilcolinesterase surgiu do estudo da enzima Torpedo californica, um peixe-raio que habita o Oceano Pacífico e tem sido tradicionalmente usado como organismo modelo para o estudo de diferentes proteínas do sistema nervoso.

As subunidades da acetilcolinesterase são sintetizadas como pró-proteínas que são então processadas para dar origem a subunidades maduras. Cada subunidade consiste em um polipeptídeo de cerca de 575 aminoácidos e peso molecular de 65 kDa, que é aumentado pela adição de 7-8% de resíduos de carboidratos (glicosilação).

A atividade catalítica do local ativo das subunidades é determinada por um resíduo serina na posição 200, que está localizado em uma região “profunda” das subunidades catalíticas.

Diferentes variantes ou isoformas da enzima existem nos organismos, graças a diferentes locais para a ” emenda alternativa” dos pré-RNAs mensageiros nas duas extremidades (5 ‘e 3’) . A sequência do terminal carboxil da isoforma de cada subunidade é o que determina a montagem dos oligômeros entre si.

Funções

A acetilcolinesterase é uma enzima com múltiplas funções biológicas não necessariamente relacionadas entre si. Fato testemunhado por sua expressão diferencial durante a embriogênese, extensão neural embrionária, desenvolvimento muscular e sinaptogênese.

Como observado acima, ele tem uma função importante na rápida hidrólise da acetilcolina e, portanto, na regulação de seu efeito no espaço sináptico neuromuscular ou nos espaços sinápticos colinérgicos do sistema nervoso central.

Um exemplo de suas funções é a contração do músculo esquelético, que ocorre graças a um tipo de sinapse química conhecida como placa motora, localizada entre um neurônio motor e uma fibra muscular.

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Nesta sinapse, são obtidas centenas de vesículas carregadas com acetilcolina, que são liberadas pelo neurônio motor para a propagação de um impulso elétrico.

Esse processo de neurotransmissão é bastante complexo, no entanto, a participação da acetilcolinesterase é crucial para o término da transmissão sináptica que depende do neurotransmissor acetilcolina, uma vez que deve ser degradada e depois difundida da fenda sináptica para culminar com a excitação de membrana.

Assim, a enzima acetilcolinesterase é responsável por regular a concentração desse transmissor na sinapse neuromotora.

Outras funções “não clássicas” da enzima estão relacionadas à neurogênese ou crescimento de células nervosas; com os processos de adesão celular, sinaptogênese, ativação dos neurônios-dopamina na substância negra do mesencéfalo, processos hematopoiéticos e trombo poético, entre outros.

Inibidores

Os inibidores da acetilcolinesterase funcionam impedindo a hidrólise em acetilcolina, aumentando assim o nível e a duração da ação desse neurotransmissor. Eles podem ser classificados, de acordo com seu mecanismo de ação, como reversíveis e irreversíveis.

Inibidores irreversíveis

São aqueles que inibem irreversivelmente a atividade hidrolítica da acetilcolinesterase por sua ligação covalente ao resíduo serina no local ativo da enzima. Este grupo é composto principalmente de organofosforados.

Em geral, são compostos ativos presentes em muitos inseticidas e são responsáveis ​​por um grande número de mortes acidentais por envenenamento. São ésteres ou tióis derivados de ácido fosfórico, fosfônico, fosfônico ou fosforâmico.

Sarin, tabun, soman e ciclososarina estão entre os compostos mais tóxicos sintetizados pelo homem, pois podem matar um ser humano ao induzir falhas respiratórias e circulatórias ao bloquear a acetilcolinesterase no sistema nervoso periférico .

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Estrutura molecular do inibidor de organofosforado «Sarín» (Fonte: Sivizius [Domínio público] via Wikimedia Commons)

Sarin, por exemplo, é um “gás nervoso” que tem sido usado como arma química para uso terrorista.

Inibidores reversíveis

Essa ordem de classificação agrupa inibidores competitivos e não competitivos que funcionam por carbamilação transitória e reversível de um resíduo de serina no local ativo e muitos foram sintetizados e purificados a partir de fontes vegetais ou fúngicas.

Os carbamatos, como a fisostigmina e a neostigmina, são inibidores reversíveis utilizados como fármacos para o tratamento de doenças como glaucoma e miastenia gravis, respectivamente.

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Outros agentes terapêuticos deste grupo também são utilizados para o tratamento da doença de Alzheimer, Parkinson, obstruções intestinais pós-operatórias (íleo pós-operatório), distensão da bexiga e como antídotos para overdose de anticolinérgicos.

Butirilcolinesterase

Um mecanismo natural interessante contra algumas substâncias inibidoras da acetilcolinesterase tem a ver com a participação de uma enzima menos específica conhecida como butirilcolinesterase.

Essa enzima também é capaz de hidrolisar a acetilcolina e, ao mesmo tempo, pode atuar como uma atração molecular que reage com essas toxinas antes que exerçam seu efeito negativo sobre a acetilcolinesterase.

Acetilcolinesterase e doença de Alzheimer

Foi demonstrado que a acetilcolinesterase forma um complexo estável com os componentes das placas senis características da patologia. Além disso, alguns padrões alterados de glicosilação dessa enzima têm sido relacionados à presença e formação de placas amilóides no cérebro.

Muitos dos inibidores reversíveis da acetilcolinesterase, portanto, têm sido utilizados como fármacos de primeira geração para o tratamento desta doença e outras condições neurodegenerativas relacionadas. Entre eles estão donepezil, rivastigmina e galantamina.

Referências

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