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, zwę\
enie z
renic, znaczną potliwość
skóry oraz osłabienie i dr\
enie 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 jednak\
e czasu ekspozycji na insektycyd, oraz
nie u\
ywał maski. Dolegliwości, które zgłaszał pojawiły się kilka godzin póz
niej. Pobrano
krew oraz mocz do analiz.
Z powodu trudności oddechowych, chorego przyjęto do OIT (Oddział Intensywnej terapii).
Rozpoczęto monitorowanie czynności serca i oddychania oraz wdro\
ono leczenie atropinÄ….
Z opisu środka owadobójczego, który u\
ywał Jan K. wynikało, \
e 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 % ni\
sza, ni\
u
ludzi zdrowych. Aktywność acetylocholinesterazy krwinek Jana K. porównywano z
aktywnoÅ›ciÄ… handlowego preparatu acetylocholinesterazy, którego parametry Km (0,14 µM) i
Vmax (10 µmol min-1µg-1), wobec acetylocholiny jako substratu, wyznaczyli pracujÄ…cy w
 2
laboratorium studenci. Studentom polecono ponadto określić wartości tych parametrów w
sytuacji, gdy w mieszaninach reakcyjnych, poza substratem, znajduje siÄ™
diizopropylofluorofosforan (DFP) w stÄ™\
eniu 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 czÄ…steczki sygnalnej. ReakcjÄ™ hydrolizy acetylocholiny katalizuje enzym,
acetylocholinesteraza:
acetylocholina + H2O 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 równie\

w krwinkach czerwonych. Odmienna forma cholinesterazy, która hydrolizuje znacznie
szybciej, butyrylocholinÄ™ ni\
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 wę\
y i zsyntetyzowanych
przez człowieka toksycznych związków fosfoorganicznych, które były u\
ywane jako gazy
bojowe (tabun, sarin, soman) (Rys. 3). ZwiÄ…zki z tej grupy, sÄ… tak\
e 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) sÄ… stosowane, je\
eli 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 równie\
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 zwiÄ…zki blokujÄ… 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 nale\
y 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 mo\
e mieć to związek z  liczbą obrotów cholinesterazy?
5. Porównaj działanie  triady katalitycznej proteaz serynowych z działaniem  triady
katalitycznej acetylocholinesterazy.
6. Dlaczego zwiÄ…zki fosfoorganiczne sÄ… toksyczne?
7. Czy obecność DFP w doświadczeniu studenckim wpłynie na mierzone wartości Km i
Vmax acetylocholinesterazy?
8. Czy obecność atropiny w mieszaninie reakcyjnej doświadczenia studentów mo\
e
wpłynąć na mierzone wartości Km i Vmax acetylocholinesterazy?
9. Wska\
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) znajdz
stronÄ™ Molecule of
Month Acetylcholinesterase oraz struktury przedstawione na Rys.Rys. 3 i 4.