<<
>>

Структура, функциональные и некоторые физико­химические свойства ацетилхолинэстеразы

Один из важнейших биохимических механизмов, лежащих в основе деятельности нервной системы, — это химический про­цесс, связанный с биосинтезом, выделением и распадом ацетил­холина.

Скорость ферментативного гидролиза последнего играет ключевую роль в функционировании нервной системы. Измене­ния в кинетике ферментативного разрушения ацетилхолина при­водят к серьезным нарушениям функций этой системы. Одна из областей фармакологии разрабатывает способы лечения заболе­ваний нервной системы путем применения лекарственных средств, влияющих на кинетические параметры гидролиза аце­тилхолина холинэстеразами.

После обнаружения Дейлом в 1914 г. в крови фермента, ка­тализирующего процесс расщепления ацетилхолина, было пока­зано широкое распространение этого фермента в различных тка­нях животных. В 40-е гг. было высказано предположение о су­ществовании двух основных типов ферментов, гидролизующих эфиры холина, — “истинных холинэстераз” и “псевдохолинэсте­раз”. Эти ферменты относятся к сериновым гидролазам и соот­ветствуют двум группам биологических катализаторов: ацетил- холинэстеразе (ацетилгидролаза ацетилхолина, КФ 3.1.1.7) и хо­линэстеразе (ацилгидролаза ацилхолинов, КФ 3.1.1.8). Холин­эстеразы наряду с гидролизом ацетилхолина могут участвовать также в межклеточных взаимодействиях. С этим связана специ­фическая экспрессия холинэстераз в эмбриогенезе в определен­ных структурах до формирования холинэргических синапсов, а также обнаружение их в нехолинэргических тканях.

Ферментативное расщепление ацетилхолина представляет со­бой реакцию гидролиза, протекающую с образованием уксусной кислоты и холина:

(CH3)3N+CH2CH2OC(0)CH3 + Н2о -4 (СН8)3№СН2СН2ОН + СН3С00Н

Основное назначение холинэстеразы нервной ткани — быст­рый гидролиз выделяющегося ацетилхолина, без которого невоз­можна передача нервных импульсов.

Обнаружено, что фермента­тивный гидролиз ацетилхолина может осуществляться не толь­ко нервной, но и другими тканями: присутствие холинэстеразы было выявлено в сыворотке и эритроцитах крови, в мышечной ткани, печени, поджелудочной железе. Считают, что холинэсте­раза эритроцитов играет важную роль в клеточной проницаемо­сти. Холинэстераза крови и тканей рассматривается как своеоб­разный защитный (“аварийный”) фермент на случай значитель­ных выходов в кровяное русло ацетилхолина при перевозбужде­нии нервной системы.

К ацетилхолинэстеразам относятся ферменты нервной ткани и эритроцитов, а к холинэстеразам — ферменты сыворотки кро­ви, печени, поджелудочной железы и других органов. Ацетилхо- линэстераза катализирует гидролиз ацетилхолина и ацетил- р-метилхолина и не влияет на гидролиз бензоилхолина и бути- рилхолина. Холинэстераза катализирует гидролиз бутирилхоли- на, ацетилхолина, бензоилхолина и пропионилхолина, но не дей­ствует на ацетил-Р-метилхолин. Активность ацетилхолинэстера- зы характеризуется отчетливым максимумом при концентра­ции ацетилхолина ~ 2-Ю’4 моль/л и тормозится при ее увеличе­нии, в то время как на активность холинэстеразы не влияет из­быток ацетилхолина. Оптимум pH-действия составляет для аце- тилхолинэстеразы 7,5—8,0, а для холинэстеразы — 8,5 (рис. 12).

В каталитическом действии холинэстераз обоего типа при­нимает непосредственное участие гидроксильная группа одного из остатков серина, расположенного на активной поверхности фермента. Однако такой гидроксил должен быть специфически активирован, чтобы приобрести способность к участию в катали­тическом действии. Эта активация может быть осуществлена пу­тем взаимодействия с группировкой белковой молекулы, харак­теризующейся величиной рК 5,8—7,0. Предполагают, что такой группировкой является остаток гистидина. Доказано наличие в холинэстеразах обоего типа анионной группировки, несущей еди­ничный отрицательный заряд и взаимодействующей с катион­ной группировкой субстрата — ацетилхолина, а также катион­содержащих ингибиторов.

В активном центре холинэстеразы вблизи серина находится остаток глутаминовой кислоты. Прове­дены расчеты электростатического потенциала и электрического

Рис. 12. Зависимость скоро­сти гидролиза ацетилхолина от pH для ацетилхолинэстеразы Torpedo marxnorato (У) и холин­эстеразы сыворотки крови (2}

•поля вокруг наиболее важного в ка­талитическом отношении “горла” ацетилхолинэстеразы, включаю­щего серин, гистидин и глутамат. Из результатов исследования pH-зависимости действия холин­эстераз следует, что их активность связана с функциями группиров­ки, рК которой составляет 8,5— 10,0. К таким группировкам мо­жет быть отнесен гидроксил тиро­зина. В образовании фермент-суб- стратного комплекса ацетилхолин­эстеразы участвует в качестве обя­зательных не менее трех связей. Во всех современных схемах ме­ханизма действия холинэстераз фигурируют: гидроксил серина, связанный с имидазолом гистиди­на, — в качестве постулированной Уилсоном нуклеофильной груп­пировки эстеразного центра; ионизированная карбоксильная груп­па — в качестве анионного центра; гидроксил тирозина — в каче­стве кислотной группы эстеразного центра.

Считают, что каталитический процесс (рис. 13) начинается с образования электростатической связи между катионом субстрата и анионной группировкой фермента. Нейтрализация отрицатель­ного заряда одной из групп белковой молекулы в сочетании с взаимодействием трех метильных групп при атоме азота аце­тилхолина с окружающими анионный центр группами приводит к существенным изменениям конформации фермента. В резуль­тате этого группировки эстеразного центра и соответствующие группы субстрата занимают положение, обеспечивающее установ­ление “наилучшей” комплементарности, а затем образуются свя­зи между углеродом поляризованной карбонильной группы и кислородом гидроксильной группы серина и, возможно, между эфирным кислородом и водородом кислотной группировки (оста­ток тирозина). Далее происходит переход протона к холину с образованием ацетилированного по гидроксилу фермента и про- тонированного имидазола.

Следующий элементарный акт с учас­тием воды осуществляется после того, как молекула холина по­кинет анионный центр фер­мента и восстановится отри­цательный заряд анионной группировки. Молекула во­ды образует связи с карбо­нильным кислородом и кис­лородом тирозина, в резуль­тате чего происходит пере­ход протона к гидроксилу се­рина. При этом выделяется второй продукт реакции — уксусная кислота — и реге­нерируется фермент в исход­ной конформации.

Эксперименты Е. Krejci и соавт. (1991) с направлен­ным мутагенезом показали, что консервативный для эс­тераз и липаз остаток аспа­рагиновой кислоты необхо­дим для осуществления ими каталитических функций. По-видимому, электростати­ческие особенности поверх­ности молекулы ацетилхо- линэстеразы не влияют на скорость катализа, которая не зависит от диффузии мо­лекул субстрата, а стабили­зация переходных состояний в каталитическом центре не­чувствительна к электроста­тическим взаимодействиям.

Для выделения ацетилхо- линэстеразы из эритроцитов используют метод экстрак­ции фермента из стромы ще­лочным буфером в присут­ствии нейтрального детер­гента Твин-20 с последую­щим фракционированием сульфатом аммония и отделением ге­моглобина с помощью кальций-фосфатного геля. Молекулярная активность (т.е. число молекул субстрата, претерпевающих пре­вращение на одном активном (каталитическом) центре фермен­та в 1 мин в условиях насыщения фермента субстратом) ацетил­холинэстеразы составляет - (3—3,5)-105 мин-1 и превышает в 4— 5 раз таковую для холинэстеразы сыворотки крови.

щие. 13. Схема механизма дей­ствия холинэстераз

Рис. 14. Зависимость lgv от 1/Т для ферментативного гидролиза эфиров холина при действии холин­эстеразы сыворотки крови лошади: 1 — ацетилхолин; 2 — бутирилхо- лин; 3 — ацетил-р-метилхолин; 4 — бензоилхолин

Зависимость lg v от 1/Т для ферментативного гидролиза эфи­ров холина холинэстеразой сыворотки крови лошади (график Ар­рениуса) в интервале температур 10—25 °С является линейной (рис.

14). В случае гидролиза ацетил-Р-метилхолина константа Михаэлиса не зависит от температуры, для ацетилхолина и бен- зоилхолина — незначительно растет по мере ее повышения, а для бутирилхолина — суще­ственно увеличивается.

Ацетилхолинэстераза эри­троцита расположена на внеш­ней поверхности мембраны и составляет 0,2—0,3 % от все­го мембранного белка. Она яв­ляется гликопротеином, в со­став которого входят гликано- вые компоненты, содержащие последовательность: этанола- мин — фосфатманноза — глю- козамин — инозитол. Фермент может быть экстрагирован в форме активного липопротеи­на при обработке мембраны растворами высокой ионной силы, Na-дезоксихолатом или тритоном Х-100. Удаление липида приводит к полной по­тере активности фермента, а последующее добавление фос- фатидилсерина (липида, с ко­торым он выделяется из мем­браны) — к восстановлению ее функциональных свойств.

Ацетилхолинэстераза состоит из двух одинаковых субъединиц с молекулярной массой, равной 70—90 кДа. Каждая субъединица имеет два центра связывания: активный и аллостерический. Ак­тивность фермента зависит от ионного состава среды и специфи­чески ингибируется ионами тетраметиламмония, производными карбаминовой кислоты и фосфоорганическими соединениями. Показано, что хлорпирофосметил (ХПМ) является сильным некон­курентным ингибитором ацетилхолинэстеразы из эритроцитов че­ловека. При растворении ацетилхолинэстеразы в тритоне Х-100 ее активность и кинетические свойства не изменяются, а также со­храняется чувствительность к ХПМ. Предполагают, что на участ­ки связывания ацетилхолинэстеразы и ХПМ не влияет гидрофоб­ное окружение мембран эритроцитов. Ацетилхолинэстераза явля­ется аллотопным ферментом-, каталитические свойства ее суще­ственно различаются в растворе и в составе биомембран.

Каталитическая активность мембранной ацетилхолинэсте­разы находится под контролем структурного состояния ли­пидной фазы эритроцитарной мембраны. Фосфолипазы (А2, С и D) оказывают на мембраны близкое модифицирующее дей­ствие, хотя они характеризуются не только различной специ­фичностью (природой разрываемых в липидах связей), но и пространственной асимметрией действия.

Панкреатическая фосфолипаза А2 и фосфолипаза D гидролизуют липиды, рас­положенные на обеих сторонах эритроцитарной мембраны, а фосфолипаза С гидролизует фосфолипиды, расположенные на внутренней ее стороне. Модификация липидного бислоя с внут­ренней стороны мембраны приводит к изменению структур­ного состояния липидов, а затем и белков, расположенных снаружи. Косвенным свидетельством возможности такой трансмембранной передачи структурного сигнала может слу­жить отрыв ацетилхолинэстеразы от мембраны под влиянием фосфолипазы С (И. Д. Болотовский и соавт., 1987). Обработка любыми фосфолипазами как бы превращает мембраносвязан­ный фермент в квазисвободный.

Следует отметить, что поскольку функциональные свойства ацетилхолинэстеразы существенно зависят от структурного со­стояния мембраны, то определение уровня ее активности исполь­зуют в качестве конформационного маркера для оценки различ­ного рода модификаций мембранных компонентов под влияни­ем физико-химических факторов (см. главу 4).

Кроме того, активность холинэстераз изменяется при многих патологических процессах: заболеваниях печени, почек, остром инфаркте миокарда, онкозаболеваниях, в послеоперационном пе­риоде, при интоксикации фосфорорганическими соединениями, поэтому эта характеристика белковой молекулы может быть ис­пользована в энзимодиагностике.

1.3.

<< | >>
Источник: Артюхов В.Г., Наквасина М.А.. Биологические мембраны: структурная организация, функции, модификация физико-хими­ческими агентами: Учеб, пособие. - Воронеж: Издательство Во­ронежского государственного университета,2000. — 296 с.. 2000

Еще по теме Структура, функциональные и некоторые физико­химические свойства ацетилхолинэстеразы:

  1. Е.Ф. Борисов. Хрестоматия по экономической теории / Сост. Е.Ф. Борисов. - М.: Юристъ, 2000. - 536 с., 2000