Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Acetilcolinesterasi


Molecola del Mese di Giugno 2004

Acetilcolinesterasi
Ogni volta che muoviamo un muscolo ed ogni volta che formuliamo un pensiero, le nostre cellule nervose devono lavorare duramente. Devono elaborare informazioni: ricevere segnali, decidere cosa farne, ed inviare nuovi messaggi alle cellule vicine. Alcune cellule nervose comunicano direttamente con le cellule muscolari inviando loro il segnale per farle contrarre. Altre cellule nervose sono coinvolte solo nella burocrazia delle informazioni e passano la loro vita comunicando solo con altre cellule nervose. Ma, diversamente dalle burocrazie della nostra società, questa elaborazione di informazioni deve essere veloce per tenere il passo delle sempre nuove richieste di un organismo vivente.

Neurotrasmettitori
I nervi comunicano uno con l'altro e con le cellule muscolari usando i neurotrasmettitori. Questi sono piccole molecole che vengono rilasciate dalla cellula nervosa e si diffondono rapidamente fino a raggiungere le cellule vicine, stimolando una risposta al loro arrivo. Molti neurotrasmettitori diversi vengono usati per svolgere compiti diversi: il glutammato eccita i nervi all'azione; il GABA (acido gamma amminobutirrico) inibisce il passaggio dell'informazione; la dopamina e la serotonina sono coinvolte nei sottili messaggi del pensiero e della conoscenza. Il lavoro principale del neurotrasmettitore acetilcolina è quello di portare il segnale dalle cellule nervose alle cellule muscolari. Quando una cellula nervosa motrice ottiene il corretto segnale dal sistema nervoso, rilascia acetilcolina nelle sue sinapsi con le cellule muscolari. Qui l'acetilcolina si lega ai recettori sulle cellule muscolari, innescando il processo di contrazione. Naturalmente, quando il segnale finisce, il neurotrasmettitore deve essere distrutto altrimenti i segnali successivi sarebbero mescolati ai vecchi in un guazzabuglio di nuove e vecchie molecole di neurotrasmettitore. Lo smaltimento delle vecchie molecole di acetilcolina è il compito della acetilcolinesterasi.

Acetilcolinesterasi in Azione
L'acetilcolinesterasi si trova nelle sinapsi tra le cellule nervose e quelle muscolari. Aspetta pazientemente ed entra in azione subito dopo che un segnale è passato, demolendo l'acetilcolina nelle sue due componenti, l'acido acetico e la colina. Questo ferma efficacemente il segnale.
I due frammenti non vanno perduti, ma vengono riciclati per sintetizzare nuovi neurotrasmettitori per le prossime contrazioni.
L'acetilcolinesterasi è uno degli enzimi più veloci, dato che degrada una molecola di acetilcolina in circa 80 microsecondi.

Acetilcolina

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L'immagine qui a destra è stata realizzata con ArgusLab.



Pesce Elettrico
La prima acetilcolinesterasi studiata è stata ricavata da un pesce elettrico, la torpedine. Questi pesci hanno grossi fasci di strutture simili a nervi negli organi che generano l'elettricità, così la acetilcolinesterasi è particolarmente abbondante. La figura mostrata in alto, all'inizio della pagina (file PDB 1acj) mostra che l'enzima forma un dimero. Normalmente ci sono lipidi legati alla catena proteica che servono ad ancorare l'enzima alla membrana cellulare. In questa struttura i lipidi sono stati rimossi, per permettere di cristallizzazre l'enzima. Il sito attivo si trova sul fondo di una tasca profonda e stretta, dalle dimensioni appena sufficienti per il passaggio della acetilcolina. Alla base della tasca vi è una triade di tre amminoacidi (serina, istidina, glutammato) che è quasi identica alla triade presente nelle proteasi alla serina come la tripsina e la chimotripsina (mdm 10-2003).

Attaccare la Acetilcolinesterasi
Poichè la acetilcolinesterasi ha una funzione essenziale, rappresenta un punto debole nel nostro sistema nervoso. Veleni e tossine che attaccano l'enzima provocano l'accumulo di acetilcolina nelle sinapsi dei neuroni, paralizzando il muscolo. Nel corso dell'evoluzione, l'acetilcolinesterasi è diventata un facile bersaglio per molti nemici naturali. Per esempio, alcune tossine di serpente attaccano l'acetilcolinesterasi. La figura qui a destra consente di vedere direttamente all'interno del tunnel che conduce al sito attivo (file PDB 1b41) infatti si vede in rosso la serina del sito attivo. La figura subito sotto mostra come la tossina letale del Mamba Verde (un serpente velenoso africano) blocca l'ingresso al sito attivo e così paralizza l'azione dell'enzima.

Mamba verde

I medici stanno tentando di avvelenare in modo controllato l'acetilcolinesterasi nel tentativo di far regredire i sintomi del morbo di Alzheimer. I malati di Alzheimer perdono molte cellule nervose con il progredire della malattia. Un farmaco che blocchi parzialmente la acetilcolinesterasi, può aumentare i livelli del neurotrasmettitore, rinforzando i segnali nervosi residui. Un farmaco usato attualmente è mostrato più in basso, (file PDB 1eve). Si inserisce nella tasca del sito attivo e blocca temporaneamente l'ingresso di acetilcolina.
Esistono anche altri veleni, come quelli discussi più sotto, che bloccano l'enzima in modo quasi permanente.




















Esplorando la Struttura
La neurotossina sarin e insetticidi come il malathion attaccano direttamente gli amminoacidi del sito attivo della acetilcolinesterasi.
La figura qui a fianco (file PDB 1cfj) mostra la triade di amminoacidi del sito attivo della acetilcolinesterasi dopo che è stata avvelenata dal sarin. Nella reazione normale, l'amminoacido serina (Ser 200) forma un legame col gruppo acetilico della acetilcolina, rompendo il legame estereo e spezzando in due la molecola. Poi, nel giro di pochi microsecondi, una molecola di acqua rompe il nuovo legame liberando l'acido acetico e riportando la serina 200 alla sua forma originale.
Il Sarin trasferisce alla serina un perfido gruppo metilfosfonato (MeP). Questo si lega alla serina in modo molto più stabile del gruppo acetile dell'acetilcolina e l'enzima resta disattivato per molte ore.






Qui sotto è mostrato il Sarin, l'immagine 3D è stata fatta con ArgusLab.

----Sarin---------












Bibliografia

P. Taylor (1991) The Cholinesterases. Journal of Biological Chemistry 266, 4025-4028.

P. Taylor and Z. Radic (1994) The Cholinesterases: From genes to Proteins. Annual Review of Pharmacology and Toxicology 34, 281-320.

K. L. Davis (2002) Current and Experimental Therapeutics of Alzheimer Disease. Neuropsychopharmacology, K.L. Davis, D. Charney, J.T. Coyle, C. Nemeroff editors. Lippincott, Williams and Wilkins, publishers
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