Inhibitory acetylocholinesterazy

Do SOR (Szpitalny Oddział Ratunkowy) Kliniki Toksykologicznej przywieziono w

godzinach wieczornych 50-letniego Jana K. Główne dolegliwości zgłaszane przez chorego to:

zaburzenia widzenia, niepokój, kaszel oraz uczucie duszności. Lekarz, badaniem fizykalnym,

stwierdził u chorego znaczne łzawienie gałek ocznych, zwężenie źrenic, znaczną potliwość

skóry oraz osłabienie i drżenie mięśni. Nie stwierdzono u niego zaburzeń świadomości, oraz

mowy.

W wywiadzie uzyskano dodatkowe informacje od chorego:

Jan K. był rolnikiem, i w godzinach rannych tego dnia wykonywał w ogrodzie, opylanie

roślin roztworem pestycydu. Nie przestrzegał jednakże czasu ekspozycji na insektycyd, oraz

nie używał maski. Dolegliwości, które zgłaszał pojawiły się kilka godzin później. Pobrano

krew oraz mocz do analiz.

Z powodu trudności oddechowych, chorego przyjęto do OIT (Oddział Intensywnej terapii).

Rozpoczęto monitorowanie czynności serca i oddychania oraz wdrożono leczenie atropiną.

Z opisu środka owadobójczego, który używał Jan K. wynikało, że w jego skład

wchodził malathion (Rys. 1), związek fosforoorganiczny, którego mechanizm działania w

centrach katalitycznych pewnej grupy enzymów jest podobny do mechanizmu działania

diizopropylofluorofosforanu (DFP) (Rys. 2), znanego inhibitora proteaz serynowych.

Wyniki badań biochemicznych krwi Jana K. nie odbiegały od wartości prawidłowych.

Jedynie aktywność acetylocholinesterazy w krwinkach czerwonych była o 30 % niższa, niż u

ludzi zdrowych. Aktywność acetylocholinesterazy krwinek Jana K. porównywano z

aktywnością handlowego preparatu acetylocholinesterazy, którego parametry K

m

(0,14 µM) i

V

max

(10 µmol min

-1

µg

-1

), wobec acetylocholiny jako substratu, wyznaczyli pracujący w

2

laboratorium studenci. Studentom polecono ponadto określić wartości tych parametrów w

sytuacji,

gdy

w

mieszaninach

reakcyjnych,

poza

substratem,

znajduje

się

diizopropylofluorofosforan (DFP) w stężeniu 10 µM.

Acetylocholina jest neurotransmiterem, który przenosi sygnał z komórek nerwowych

do np. komórek mięśniowych. Po odebraniu sygnału przez odpowiedni receptor,

neurotransmiter powinien ulec zniszczeniu, co w przypadku acetylocholiny, polega na

hydrolizie cząsteczki sygnalnej. Reakcję hydrolizy acetylocholiny katalizuje enzym,

acetylocholinesteraza:

acetylocholina + H

2

O → octan + cholina

Enzym związany jest z błonami komórek tkanek, które ulegają pobudzeniu (np.

synapsy pomiędzy komórkami nerwowymi a mięśniowymi) i jego aktywność jest ściśle

związana z przekazywaniem impulsu nerwowego. Acetylocholinesteraza znajduje się również

w krwinkach czerwonych. Odmienna forma cholinesterazy, która hydrolizuje znacznie

szybciej, butyrylocholinę niż acetylocholinę, występuje w osoczu krwi.

Centrum katalityczne acetylocholinesterazy ukryte jest w głębokiej kieszeni w

cząsteczce białka, a zasadniczą rolę w reakcji hydrolizy acetylocholiny pełnią, znajdujące się

w centrum katalitycznym łańcuchy boczne trzech aminokwasów: seryny, histydyny i

glutaminianu – podobnie jak „triada katalityczna” trypsyny lub chymotrypsyny.

Acetylocholinesteraza jest obiektem ataków trucizn jadu węży i zsyntetyzowanych

przez człowieka toksycznych związków fosfoorganicznych, które były używane jako gazy

bojowe (tabun, sarin, soman) (Rys. 3). Związki z tej grupy, są także stosowane jako środki

owadobójcze.

Postępowanie terapeutyczne w zatruciach związkami fosforoorganicznymi jest

uwarunkowane od stopnia ekspozycji na związek oraz objawów klinicznych.

Ostry zespół cholinergiczny, to zespół objawów spowodowanych nadmiarem

acetylocholiny (zatrucie pestycydami, lub gazami bojowymi) lub egzogennych substancji

pobudzających układ współczulny (przedawkowanie leków cholinergicznych, np.

pilokarpiny). Leczenie powinno być prowadzone w OIT (monitorowanie czynności serca i

oddychania) oraz podawanie atropiny (naturalny alkaloid tropinowy), która blokuje

pozazwojowe receptory cholinergiczne (znosi działanie acetylocholiny). Reaktywatory

acetylocholinesterazy (oksymy; np. obidoksym) są stosowane, jeżeli zespół cholinergiczny

jest wywołany związkami fosforoorganicznymi, pestycydami lub gazami bojowymi.

3

Mechanizm działania tej grupy leków polega na reakcji ze zmodyfikowanym przez truciznę

centrum katalitycznym acetylocholinesterazy, odtwarzają funkcjonalny łańcuch boczny

odpowiedniego aminokwasu.

Związki fosfoorganiczne, inhibitory acetylocholinesterazy, stosowane są również jako

leki ( np. łagodzące objawy miastenii lub choroby Alzheimera). Mają one wzmocnić sygnał

acetylocholiny. Mechanizm ich działania jest podobny do reakcji, w obrębie „triad

katalitycznych”, innych związków z tej grupy połączeń.

Odmiennie działają, stosowane jako leki, inhibitory acetylocholinesterazy, pochodne

N-benzylopiperydyny (E2020, Aricept). Te związki blokują bardzo specyficznie i w

odwracalny sposób centrum katalityczne enzymu, tworząc kompleksy stabilizowane

oddziaływaniami niekowalencyjnymi pomiędzy białkiem a cząsteczką inhibitora. Struktury

związków tej grupy zostały zaprojektowane i są modyfikowane zgodnie ze znajomością

trójwymiarowej struktury centrum katalitycznego enzymu (Rys. 4).

Rys. 3. Acetylocholinesteraza zatruta sarinem. Rys. 4. Kompleks acetylocholinesterazy

Grupa metylofosfonowa MeP przyłączona z E2020 (Aricept). PDB 1EVE.
do łańcucha bocznego seryny. PDB 1cfj.

4

PYTANIA.

1.

Do jakiej klasy enzymów należy acetylocholinesteraza?

2.

Acetylocholinesteraza jest enzymem o bardzo wysokiej „liczbie obrotów”. Wyjaśnij to

pojęcie.

3.

Wyjaśnij pojęcie „neurotransmiter”.

4.

Dlaczego cząsteczka sygnałowa powinna, po przekazaniu sygnału, zostać usunięta?

Czy może mieć to związek z „liczbą obrotów” cholinesterazy?

5.

Porównaj działanie „triady katalitycznej” proteaz serynowych z działaniem „triady

katalitycznej” acetylocholinesterazy.

6.

Dlaczego związki fosfoorganiczne są toksyczne?

7.

Czy obecność DFP w doświadczeniu studenckim wpłynie na mierzone wartości K

m

i

V

max

acetylocholinesterazy?

8.

Czy obecność atropiny w mieszaninie reakcyjnej doświadczenia studentów może

wpłynąć na mierzone wartości K

m

i V

max

acetylocholinesterazy?

9.

Wskaż zalety i wady dwu typów inhibitorów acetylocholinesterazy stosowanych jako

leki: 1) związków fosfoorganicznych i 2) związków typu E2020.

10.

Pod adresem Protein Data Bank (

http://www.rcsb.org/pdb

) znajdź stronę Molecule of

Month Acetylcholinesterase

oraz struktury przedstawione na Rys. 3 i 4.