Свойства холинэстераз. Механизм взаимодействия холинэстераз с ацетилхолином
В соответствии с классификацией и номенклатурой ферментов, принятой Международным биохимическим союзом, различают три типа холинэстераз: ацетилхолинэстеразу (АХЭ), или ацетилхолингидролазу, бутирилхолинэстеразу (БуХЭ), или ацилгидролазу ацилхолинов, и бензоилхолинэстеразу (БеХЭ), или бензоилхолингидролазу. Эти ферменты отличаются друг от друга субстратной специфичностью, различным отношением к концентрации субстратов, оптимумом рН и различным отношением к ингибиторам. Ведущая роль в гидролизе ацетилхолина принадлежит ацетилхолинэстеразе.
Наличие ацетилхолинэстеразы в синаптических образованиях подтверждено гистохимическими и электронно-микроскопическими исследованиями. АХЭ легко расщепляет ацетилхолин и ацетил- в метилхолин и практически не гидролизует бутирилхолин и бензоилхолин. Ацетилхолинэстераза отличается от БуХЭ также по локализации. Она содержится в сером веществе мозговой ткани, симпатических ганглиях, мотонейронах спинного мозга, аксоновой терминали, двигательных концевых пластинках, мембране ядра, эритроцитах, эндоплазматическом ретикулуме, мышцах. БуХЭ локализуется в плазме крови, оболочке кишечника, печени и поджелудочной железе.
Вместе с тем в большинстве тканей можно обнаружить оба фермента, однако в одних более активна ацетилхолинэстераза, в других — БуХЭ.
В последнее время к одним из наиболее распространенных методов определения активности холинэстеразы в токсикологической практике можно отнести методы Hestrin (1949) и Ellman (1961).
К настоящему времени получено много данных о строении и функции активных центров холинэстеразы, ХР и их взаимодействии с АХ. Все эти вопросы подробно изложены в ряде монографий.
По современным представлениям, холинэстеразы осуществляют мощный каталитический эффект благодаря наличию в их молекуле двух активных центров: анионного (соответствующего катионной головке АХ) и эстеразного (соответствующего сложноэфирной его группировке), обладающих высокой реакционной способностью к ацетилхолину (один активный центр холинэстераз в минуту гидролизует около миллиона молекул АХ). Анионный центр свойствен только ХЭ и играет ориентировочную роль (притягивает к себе катионную часть молекулы ацетилхолина).
Эстеразный центр, расположенный на расстоянии 4—5 А от анионного, выполняет гидролизующую функцию. Он имеет реакционноспо-собную нуклеофильную группу, могущую взаимодействовать с имеющим некоторый недостаток электронов (электрофильным) атомом карбонильной группы субстрата. Важная роль в реакции гидролиза ацетилхолина холинэстеразой отводится гидроксиду серина и азоту имидазольного кольца гистидина. Установлено, что вокруг анионного и эстеразного центров холинэстеразы имеются гидрофобные участки, играющие важную роль в реакциях, протекающих на поверхности фермента.
В общем виде реакцию ацетилхолина под действием холинэстераз можно представить в виде последовательного процесса: активный фермент обратимо реагирует с ацетилхолином, в результате чего образует комплекс субстрат — фермент. В этом комплексе связь между ферментом и субстратом осуществляется не только за счет взаимодействия эстеразного центра с углеродом карбамильной группы ацетилхолина, но также за счет притяжения катионной головки ацетилхолина к анионному центру и взаимодействия неполярных групп субстрата с гидрофобными участками активного центра.
Распад комплекса фермент — субстрат с образованием продуктов реакции происходит в два этапа. На первом этапе ацетильный остаток субстрата присоединяется к ферменту, замещая содержащийся в нем протон, а остаток холина отщепляется в виде свободного холина. Далее следует деацетилирование эстеразного участка фермента с восстановлением его первоначальной структуры и образованием уксусной кислоты.
Высокая вероятность взаимодействия между холинэстеразой и ацетилхолина достигается благодаря конформационным изменениям молекул субстрата и фермента в момент реакции. В результате этого создается высокая каталитическая эффективность реакции ХЭ с АХ и синапс готов к приему новых импульсов, что и является условием нормального функционирования нервной системы. Ацетилхолин может реагировать в организме не только с ХЭ, но и с ХР.