Acetylocholinoesteraza

1. Profil enzymu

1.1. Definicja i klasyfikacja

Acetylocholinoesteraza (AChE, EC 3.1.1.7) to hydrolaza serynowa rozkładająca acetylocholinę do choliny i octanu. Należy do rodziny esteraz cholinowych, obejmującej także butyrylocholinoesterazę (BChE), zwaną dawniej pseudocholinoesterazą.

1.2. Budowa i mechanizm katalityczny

Centrum aktywne leży na dnie wąskiego, głębokiego wąwozu o długości około 20 Å. Znajduje się w nim triada katalityczna: seryna, histydyna i glutaminian.

U wejścia do wąwozu znajduje się drugie miejsce wiązania — obwodowe miejsce anionowe (PAS). Ma ono znaczenie wykraczające poza katalizę: uczestniczy w oddziaływaniach białko-białko i jest wiązane przez część inhibitorów.

Przebieg reakcji jest dwuetapowy: acetylowanie seryny z uwolnieniem choliny, następnie hydroliza kompleksu acetyloenzymu z odtworzeniem wolnego enzymu. Szybkość obrotu sięga rzędu 10⁴ cząsteczek na sekundę — enzym pracuje na granicy kontroli dyfuzyjnej, czyli szybciej już nie może, bo ograniczeniem staje się tempo docierania substratu.

1.3. Formy molekularne i kotwiczenie

Enzym występuje w kilku formach oligomerycznych. Sposób ich zakotwiczenia w tkance różni się w zależności od lokalizacji:

• złącze nerwowo-mięśniowe — forma asymetryczna zakotwiczona przez białko kolagenopodobne ColQ w blaszce podstawnej; mutacje COLQ powodują wrodzone zespoły miasteniczne
• ośrodkowy układ nerwowy — forma czteroczłonowa zakotwiczona przez białko PRiMA w błonie neuronu
• erytrocyt — forma związana z błoną, wykorzystywana diagnostycznie

1.4. Rys historyczny

Istnienie enzymu rozkładającego acetylocholinę postulował Henry Dale w 1914 roku, a wyizolowano go w latach trzydziestych. Struktura krystaliczna została rozwiązana w 1991 roku przez zespół Joela Sussmana — ujawniła nieoczekiwaną budowę wąwozu i stała się punktem wyjścia dla projektowania inhibitorów. Praktyczne znaczenie hamowania enzymu poznano jednak wcześniej — w latach trzydziestych i czterdziestych, wraz z syntezą związków fosforoorganicznych.

2. Mechanizmy i funkcje

2.1. Zakończenie sygnału cholinergicznego

W złączu nerwowo-mięśniowym uwolniona acetylocholina wiąże receptory nikotynowe, wywołując depolaryzację. Aby mięsień mógł się rozluźnić i przyjąć kolejny sygnał, przekaźnik musi zostać natychmiast usunięty. AChE hydrolizuje go w czasie liczonym w dziesiątych częściach milisekundy — zanim zdąży ponownie związać się z receptorem.

W synapsach ośrodkowych rola jest podobna, choć sygnał cholinergiczny ma tam charakter bardziej modulacyjny niż punktowy.

Cholina uwolniona w tej reakcji jest wychwytywana zwrotnie przez transporter wysokiego powinowactwa (CHT1) i wykorzystywana do ponownej syntezy acetylocholiny. Etap ten jest limitujący dla syntezy przekaźnika — stąd zainteresowanie prekursorami choliny w suplementacji.

2.2. Funkcje niekatalityczne

Coraz lepiej udokumentowany obszar, wykraczający poza rozkład przekaźnika:

• udział w adhezji komórkowej i wzroście neurytów w rozwoju
• oddziaływanie z amyloidem β przez obwodowe miejsce anionowe — AChE przyspiesza agregację amyloidu; ma to znaczenie dla projektowania inhibitorów blokujących nie tylko centrum katalityczne, ale i PAS
• udział w różnicowaniu komórek i regulacji apoptozy — procesu, którego nasilenie należy do mechanizmów choroby Alzheimera [8]

2.3. Inhibitory — trzy kategorie o zupełnie różnych konsekwencjach

Zjawisko starzenia enzymu. Po zahamowaniu przez związek fosforoorganiczny w cząsteczce enzymu zachodzi wtórna reakcja odłączenia grupy bocznej, po której wiązanie staje się nieodwracalne. Odtrutki z grupy oksymów (pralidoksym, obidoksym) są skuteczne wyłącznie przed jej zajściem — stąd krytyczne znaczenie czasu podania [1].

2.4. Objawy nadmiernego zahamowania — zespół cholinergiczny

Nagromadzenie acetylocholiny daje charakterystyczny obraz, opisywany akronimem obejmującym objawy muskarynowe: ślinotok, łzawienie, mimowolne oddawanie moczu i stolca, wymioty, skurcz oskrzeli, bradykardia, zwężenie źrenic. Do tego dochodzą objawy nikotynowe: drżenia pęczkowe, osłabienie mięśni, a w ciężkich przypadkach porażenie mięśni oddechowych — najczęstsza bezpośrednia przyczyna zgonu.

Objawy ośrodkowe obejmują niepokój, splątanie, drgawki i śpiączkę.

2.5. Butyrylocholinoesteraza — drugi enzym o tej samej funkcji

Obok acetylocholinoesterazy organizm dysponuje drugim enzymem rozkładającym estry choliny — butyrylocholinoesterazą, nazywaną też cholinoesterazą osoczową. Różnice między nimi mają znaczenie praktyczne.

Enzym osoczowy pełni funkcję bufora: przechwytuje związki estrowe, zanim dotrą do synapsy. Z tego powodu jego oznaczanie służy dwóm celom — jako wskaźnik ekspozycji na związki fosforoorganiczne oraz jako miara wydolności syntetycznej wątroby, ponieważ powstaje wyłącznie w hepatocytach.

Praktyczne znaczenie ma wariant genetyczny obniżający aktywność enzymu. Osoby będące jego nosicielami rozkładają suksametonium — lek zwiotczający stosowany w anestezjologii — wielokrotnie wolniej niż pozostałe, co prowadzi do przedłużonego bezdechu wymagającego kontynuacji wentylacji. Zjawisko to jest jednym z klasycznych przykładów farmakogenetyki, opisanym na długo przed erą badań genetycznych.

W chorobie Alzheimera aktywność butyrylocholinoesterazy w mózgu rośnie, podczas gdy acetylocholinoesterazy maleje — obserwacja ta stała się podstawą opracowania inhibitorów działających na oba enzymy.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Zastosowania terapeutyczne hamowania

Choroba Alzheimera. Hipoteza cholinergiczna — zakładająca, że deficyt przekaźnictwa cholinergicznego wynikający z degeneracji jądra podstawnego Meynerta odpowiada za część objawów poznawczych — stała się podstawą pierwszej klasy leków w tym wskazaniu. Zarejestrowane są trzy substancje: donepezyl, galantamina i rywastygmina [2].

Ocena skuteczności wymaga uczciwości: inhibitory AChE nie zatrzymują postępu choroby, a poprawa objawowa jest umiarkowana i przemijająca. Pozostają jednak jednym z niewielu dostępnych narzędzi. Rozwój preparatów dotyczy głównie form podania — w 2022 roku dopuszczono system transdermalny donepezylu, mający ograniczyć działania niepożądane i ułatwić stosowanie u osób z zaburzeniami połykania [3].

Miastenia. Pirydostygmina poprawia przekaźnictwo nerwowo-mięśniowe, zwiększając stężenie acetylocholiny w złączu, w którym liczba receptorów jest zmniejszona przez przeciwciała. Jest to leczenie objawowe, nieoddziałujące na proces autoimmunologiczny; leczenie przyczynowe opiera się na immunosupresji i terapiach celowanych [4].

Anestezjologia. Neostygmina odwraca działanie niedepolaryzujących leków zwiotczających.

Zatrucie lekami antycholinergicznymi. Fizostygmina jako odtrutka.

3.2. Zatrucie związkami fosforoorganicznymi

Problem o skali globalnej — dotyczy pestycydów stosowanych w rolnictwie oraz bojowych środków trujących. Mechanizm polega na trwałym zahamowaniu enzymu z następowym zespołem cholinergicznym [1].

Leczenie obejmuje atropinę (blokada receptorów muskarynowych), oksymy (reaktywacja enzymu, o ile nie doszło do starzenia) i leczenie podtrzymujące, często z wentylacją mechaniczną.

Osobnym zjawiskiem jest opóźniona neuropatia po niektórych związkach fosforoorganicznych, niezależna od hamowania AChE.

3.3. Wrodzone i nabyte niedobory butyrylocholinoesterazy

Warianty genu BCHE o obniżonej aktywności powodują przedłużone działanie suksametonium — leku zwiotczającego stosowanego do intubacji. Skutkiem jest przedłużony bezdech pooperacyjny wymagający wentylacji. Zjawisko to bywa pierwszym objawem nierozpoznanego wariantu genetycznego.

Aktywność butyrylocholinoesterazy obniżają też choroby wątroby, niedożywienie, ciąża oraz ekspozycja na związki fosforoorganiczne — a ponieważ enzym ten powstaje w wątrobie, jego aktywność bywa wykorzystywana jako pośredni wskaźnik jej czynności syntetycznej.

Warto zwrócić uwagę na odwrotną stronę tego zjawiska. Obniżona aktywność enzymu nie jest chorobą samą w sobie i u osoby, która nigdy nie otrzyma suksametonium ani nie zetknie się ze związkami fosforoorganicznymi, pozostaje bez znaczenia klinicznego. Ujawnia się dopiero w zetknięciu z konkretną substancją — jest to więc przykład wariantu genetycznego, którego skutki zależą wyłącznie od ekspozycji, a nie od samego genotypu.

3.4. Jak zbadać

Uwaga interpretacyjna: stopień zahamowania cholinoesterazy osoczowej nie zawsze koreluje z nasileniem objawów klinicznych — decyzje terapeutyczne w zatruciu opiera się na obrazie klinicznym, nie na wyniku laboratoryjnym.

3.5. Modyfikacja behawioralna i dietetyczna

• Ograniczenie ekspozycji na pestycydy — dokładne mycie warzyw i owoców, stosowanie środków ochrony przy pracy z preparatami owadobójczymi
• Wystarczająca podaż choliny — jaja, wątroba, soja; cholina jest substratem limitującym syntezę acetylocholiny
• Aktywność poznawcza i fizyczna — wspiera układ cholinergiczny pośrednio, przez plastyczność
• Sen — konsolidacja pamięci zależna od przekaźnictwa cholinergicznego zachodzi w fazie REM
• Ostrożność przy lekach antycholinergicznych — leki przeciwhistaminowe I generacji, niektóre przeciwdepresyjne i urologiczne pogarszają funkcje poznawcze u osób starszych i działają przeciwstawnie do inhibitorów AChE

3.6. Wsparcie suplementacyjne

Zastrzeżenie o randze bezpieczeństwa. Hupercyna A nie jest łagodnym preparatem roślinnym, lecz silnym i długo działającym odwracalnym inhibitorem AChE o profilu farmakologicznym zbliżonym do leków tej klasy, w części jurysdykcji regulowanym jako produkt leczniczy. Traktowanie jej jak zwykłego suplementu jest błędem, ponieważ może wywoływać objawy cholinergiczne i sumuje się z działaniem leków hamujących ten sam enzym.

Wniosek ogólniejszy dotyczy całej tej kategorii. Substancja hamująca enzym nie staje się łagodniejsza dlatego, że pochodzi z rośliny — o sile działania decyduje powinowactwo do centrum aktywnego i czas wiązania, a nie pochodzenie preparatu. Objawy nadmiernego hamowania są przy tym przewidywalne i wynikają wprost z mechanizmu: nadmiar acetylocholiny daje ślinotok, potliwość, skurcze jelit, spowolnienie rytmu serca i skurcz oskrzeli. Rozpoznanie ich jako działania niepożądanego bywa opóźnione właśnie dlatego, że pacjent nie kojarzy dolegliwości żołądkowo-jelitowych z preparatem „na pamięć”.

Trzy zasady praktyczne.

1. Nie łączyć hupercyny A z lekami z grupy inhibitorów AChE (donepezyl, rywastygmina, galantamina, pirydostygmina) — działanie się sumuje, grożąc przełomem cholinergicznym.
2. Ostrożność u osób z astmą, chorobą wrzodową, bradykardią i padaczką — objawy cholinergiczne mogą zaostrzyć te stany.
3. Dwie strategie wspierania przekaźnictwa cholinergicznego — hamowanie rozkładu (hupercyna) i dostarczanie substratu (cholina, alfa-GPC, cytykolina) — są odmienne mechanistycznie; łączenie ich zwiększa ryzyko objawów niepożądanych.

3.7. Zatrucie związkami fosforoorganicznymi — postępowanie

Jest to sytuacja, w której wiedza o mechanizmie przekłada się bezpośrednio na decyzje ratujące życie, a opóźnienie liczone w godzinach zmienia rokowanie.

Obraz kliniczny wynika z nagromadzenia acetylocholiny w trzech miejscach jednocześnie. Objawy muskarynowe obejmują zwężenie źrenic, ślinotok, łzawienie, skurcz oskrzeli z obfitą wydzieliną, biegunkę i bradykardię. Objawy nikotynowe to drżenia pęczkowe, osłabienie i porażenie mięśni oddechowych. Objawy ośrodkowe obejmują niepokój, drgawki i śpiączkę. Bezpośrednią przyczyną zgonu jest niewydolność oddechowa — z porażenia mięśni, skurczu oskrzeli i zalegania wydzieliny.

Postępowanie opiera się na trzech filarach:

1. Odkażenie i ochrona personelu — zdjęcie odzieży i obmycie skóry; związki te wchłaniają się przez skórę, narażając także ratowników
2. Atropina — znosi objawy muskarynowe; dawkę zwiększa się do uzyskania osuszenia wydzieliny oskrzelowej, co jest miarą skuteczności, a nie tętno ani szerokość źrenic
3. Oksymy (pralidoksym, obidoksym) — odtwarzają aktywność zahamowanego enzymu, ale tylko zanim dojdzie do jego „starzenia”, czyli nieodwracalnego związania; po tym czasie są nieskuteczne, a czas ten zależy od konkretnego związku i wynosi od kilku godzin do doby

Uzupełniająco stosuje się benzodiazepiny przy drgawkach oraz wentylację mechaniczną. Wartość rokowniczą ma oznaczenie aktywności cholinoesterazy w osoczu i w erytrocytach, przy czym drugi z parametrów lepiej odzwierciedla stan enzymu w synapsach.

Ta sama zasada dotyczy zatruć karbaminianami, z jedną różnicą o znaczeniu praktycznym: wiązanie enzymu jest w ich przypadku odwracalne samoistnie, dlatego oksymów zwykle się nie stosuje, a rokowanie jest lepsze.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

AChE w erytrocytach i BChE w osoczu przy podejrzeniu ekspozycji na związki fosforoorganiczne. BChE dodatkowo jako marker czynności wątroby oraz — z liczbą dibukainową — przy podejrzeniu wariantu genetycznego przed znieczuleniem. W chorobie Alzheimera monitorowanie opiera się na testach neuropsychologicznych, nie na oznaczaniu enzymu.

Na co uważać

• Hupercyna A jest silnym inhibitorem o działaniu lekopodobnym — nie należy jej traktować jak zwykłego suplementu.
• Łączenie hupercyny z lekami przeciw otępieniu lub z pirydostygminą grozi przełomem cholinergicznym.
• Ostrożność u osób z astmą, chorobą wrzodową, bradykardią i padaczką.
• Leki antycholinergiczne (w tym przeciwhistaminowe I generacji) działają przeciwstawnie i pogarszają funkcje poznawcze u osób starszych.
• W zatruciu związkami fosforoorganicznymi decyduje czas — odtrutki oksymowe tracą skuteczność po starzeniu enzymu.