Acetilcolinesterasa

Por: Fernando Trigo García, Iván Pérez Jara y Alba Tribaldo Torralbo. Grado en Biología Sanitaria UAH

La acetilcolinesterasa es una enzima inhibidora de la acetilcolina (un neurotransmisor), que junto a la BChE, butilcolinesterasa, conforma el grupo de las colinesterasas. Su función es la de hidrolizar la acetilcolina en las sinapsis para cesar la activación que esta producía sobre la placa motora. Se han detectado cambios en su concentración o propiedades en ciertas neuropatologías como el Alzheimer o Parkinson.

Human Acethylcholinesterase

Estructura

Acetilcolinesterasa de Tetronarce californica (Torpedo del pacífico) en verde se observan las láminas beta y en rojo las helices alfa. La flecha marca el sitio de la serina (serina 200).

Existen dos tipos de esta proteína: la butilcolinesterasa y la acetilcolinesterasa. En este artículo nos centraremos en el análisis de la AChE y de sus diferentes variantes (polimorfismo)

La AChE se caracteriza a nivel molecular por ser una proteína del tipo α/β. Consiste en una larga serie de láminas β  rodeadas de 15 α-hélices. Su centro activo se configura de 14 residuos de aminoácidos aromáticos y el grupo del indol w84 y w279 que modifican su estructura al contacto con el ligando (la colina de la acetilcolina)

Aproximación del centro activo

Se configura por lo que algunos autores denominan «triada catalítica» compuesta de serina 200, serina 400 y un residuo de ácido glutamínico E327. Al parecer, este actuaría sobre el radical acil, disociándolo, y posteriormente hidrolizándolo. Como resultado de la hidrólisis de la acetilcolina se obtendría acetato y colina.

Polimorfismo

Existen tres isoformas de AChE distintas: La R, H y T.

-AChE-R («readthrough»): Forma monómeros y se expresa principalmente en ciertas sinapsis durante condiciones asociadas a estrés y otras neuropatologías.

-AChE H o E («hidrofóbica o de eritrocitos): Forma dímeros anfifílicos que se distribuyen abundantemente por membranas de eritrocitos.

AChE-T («tailed»): es la isoforma presente en las sinapsis, tiene una cola formada por subunidades Q unidas por enlaces disulfuro a un tetrámero catlítico.

Comparación de proteínas entre especies

A lo largo de el apartado de estructura del artículo nos hemos referido a la acetilcolinesterasa de Tetronarce californica (Torpedo del pacífico) aunque nuestro objeto de estudio es la humana. Esto se debe a que mediante la herramienta de PDB para comparar proteínas, hemos observado que la acetilcolinesterasa humana y la del torpedo tienen un 99% de correlación estructural (comparación jFATCAT_rigid). Por lo que al presentar una estructura similar sus funciones, son también similares. Sin embargo la correlación de la secuencia de aminoácidos es solo de un 57.27%, esto se debe a que aunque la secuencia varié, si la estructura perdura, la proteína es igualmente funcional y viable. Así la evolución tiende a diferenciar secuencias de proteínas entre especies, pero no sus estructuras.

Papel bioquímico

  1. Función catalítica

Su función principal consiste en catalizar la hidrólisis de la acetilcolina
(neurotransmisor en las sinapsis), es decir, la acetilación/desacetilación de la misma. Esta reacción catalizada , y producida en las hendiduras sinápticas da lugar a acetato y colina a partir de acetilcolina:

Acetilcolinesterasa
Acetilcolina —————————————-> Acetato + colina

Con el fin de aclarar ciertos conceptos antes de proseguir la explicación
integra de la reacción, definiremos los dos subsitios/dominios en los que se divide dicha enzima:

  • Subsitio aniónico: Contiene al grupo Glutamato que aporta una carga negativa a la molécula, permitiendo así la unión por fuerzas electroestáticas al grupo amonio de la acetilcolina. También ocurren una serie de interacciones con los grupos metilo del nitrógeno de la colina, facilitando una orientación adecuada del sustrato.
COLINA
  • Subsitio estearico: Contiene el resto de serina y como su nombre indica es el lugar donde ocurre la acción catalítica, que rompe enlace éster.

A modo de resumen la acetilcolinesterasa produce la inactivación de la acetilcolina
cuya consecuencia directa es la repolarización de la membrana presináptica tras transmitir el impulso nervioso. Recordemos que la membrana se desporalizaba cuando el impulso nervioso era transmitido.

HIDRÓLISIS DE LA ACETILCOLINA

ACETILACIÓN: La acetilcolina y la enzima entran en contacto. Al momento la acetilcolina reacciona con el residuo de serina del centro activo, generándose un intermedio acetil-enzima y la liberación de la colina.

Acetilcolina + Acetilcolinesterasa ——–> Colina + Acetilcolinesterasa
acetilada

La correspondente colina regresará a la membrana presináptica, reutilizándose en la síntesis de acetilcolina.

DESACETILACIÓN: Ocurre la hidrólisis del intermediario acetil-enzima, obteniendo nuevamente.

Acetilcolinesterasa + H2O ———> Acetilcolinesterasa + Ac. Acético
acetilada

HIDRÓLISIS DE ACETILCOLINA

2.Función no catalítica

Las propiedades no catalíticas de la AchE son explicadas por su similaridad con proteínas relacionadas con la adhesión celular. Estas proteínas sin actividad catalítica presentan un dominio homologo a la AchE muy alto, lo que puede sugerir que la AchE participa en esta adhesión celular.
De esta manera, después de diferentes experimentos se ha llegado a un acuerdo, donde esta enzima esta implicada en la neuritogénesis, es decir ,en la formación de neuritas.

Teniendo en cuenta estos datos aportados, expondremos los diferentes resultados de estos experimentos, que se basaban principalmente en la transfección de la AchE o el uso de vectores antisentido del cDNA de la misma:

  • Transfección con DNA murino => Crecimiento en el nº de dentritas en células del neuroblastoma.
  • Microinyección y transfección en glioma = Efectos en el desarrollo y morfología de los astrocitos.
  • Transfección de la isoforma S y R = Aumento de procesos dendríticos (S) y se redondean las células (R)

Además para asegurarse que ninguno de estos procesos era dependiente del catalítico, se utilizó la AchE-S incapaz de hidrolizar la Ach e incluso así, pudo obsevarse estos mismos efectos.

Papel de la acetilcolinesterasa en la salud

Para poder entender el papel que ejerce la acetilcolinesterasa en la salud, es prioritario entender la importancia que tiene el neurotransmisor acetilcolina en el correcto funcionamiento del sistema nervioso.

La acetilcolina se encuentra en grandes cantidades por el sistema nervioso, tanto central como periférico, siendo esencial para la regulación de determinadas fases del sueño, el funcionamiento de la memoria y la correcta conexión entre la musculatura y cerebro. Por tanto, la acetilcolina está implicada en tantos procesos nerviosos de gran importancia que su ausencia puede acarrear graves consecuencias al funcionamiento del SN, incluyendo la imposibilidad de responder ante ciertos estímulos si no se encuentra este neurotransmisor en suficiente proporción. Sin embargo, para el óptimo desempeño del sistema nervioso, es tan importante la presencia de la acetilcolina como su correcta degradación para que no se acumule de forma excesiva en la hendidura sináptica. Es aquí donde entra la acetilcolinesterasa, la cual hidroliza la acetilcolina en acetato y colina para mantener una correcta concentración del neurotransmisor durante la sinapsis.

La acetilcolina se va perdiendo de forma gradual con el paso del tiempo pero, en algunos casos patológicos, este decrecimiento en las cantidades de acetilcolina se produce de forma mucho más significativa, dificultando las actividades del sistema nervioso y ocasionando que el papel de la acetilcolinesterasa pueda llegar a ser perjudicial.

Es, por ejemplo, el caso del Alzheimer. Se trata de un enfermedad neurodegenerativa relacionada con la baja presencia de la enzima acetiltransferasa de colina, encargada de la síntesis de acetilcolina. Por tanto, si una persona con Alzheimer dispone de una menor cantidad de acetilcolina, ya que no puede ser sintetizada, será contraproducente una alta actividad por parte de la acetilcolinesterasa que hidrolizará la poca acetilcolina de la que dispongan los afectados por la enfermedad, disminuyendo su concentración en el organismo y dificultando el funcionamiento de las vías colinérgicas . Es por esto que dicha patología se relaciona mayoritariamente con pérdidas de memoria y mal desempeño cognitivo. Todo esto implica, que aunque no haya una relación causa efecto con la enzima, ésta es determinante para controlar la enfermedad y mejorar la cognición de los perjudicados por ella.

En el caso de Parkinson se aprecia un desequilibrio entre distintos neurotransmisores entre los que se encuentra la acetilcolina que se localiza en defecto en la corteza cerebral, y por tanto, al igual que en el caso del Alzheimer previamente comentado, se produce una gran deficiencia en el funcionamiento de la neurotransmisión que depende de la acetilcolina. Es por eso, que lo prioritario es intentar elevar la concentración de dicho neurotransmisor y hacer más duradera su presencia en el espacio sináptico.

La acetilcolinesterasa también está relacionada con la miastenia gravis, una enfermedad autoinmune que provoca desórdenes en la movilidad ya que los anticuerpos atacan la acetilcolina dificultando que la conexión neuromuscular sea adecuada y efectiva. Esta alteración que sufren las vías colinérgicas ante la escasez de acetilcolina se puede ver paliada si se consigue reducir la acción de la acetilcolinesterasa para elevar la cantidad del neurotransmisor.

Es decir, en todas las patologías mencionadas hasta el momento, el problema es la baja concentración de acetilcolina que acarrea dificultades nerviosas. Es por esa razón, que en los tres casos están muy extendidos los tratamientos basados en la inhibición de la acetilcolinesterasa para reducir su actividad catalítica y que no siga destruyendo la poca acetilcolina de la que dispone el sistema nervioso. Los inhibidores de la enzima, actúan potenciando la trasmisión colinérgica e incrementando la disponibilidad del neurotransmisor en el cerebro, consiguiendo una mejora de la cognición y mayor control sobre la enfermedad.

La acetilcolinesterasa también se relaciona, aunque en menor medida y de forma dudosa, con otros procesos como el crecimiento de neuritas en tipos celulares diversos, es decir, la neuritogénesis, lo que conduce a plantear la posibilidad de que la enzima cuente con una acción trófica. Por otro lado, dado que procesos como la ansiedad, están estrechamente relacionados con la alta estimulación de las vías colinérgicas, es necesario tener niveles suficientes de acetilcolinesterasa que ayudan a equilibrar y controlar nuestro organismo desde el punto de vista emocional.

En contraposición, se ha observado que en pacientes perjudicados por diversos tumores, aunque destacan aquellos que sufren leucemias, se han constatado alteraciones en la enzima. Esto conduce a la conclusión de que de alguna forma, la acetilcolinesterasa está relacionada con la regulación del ciclo celular y que las variaciones en su estructura pueden conducir a fallos en la proliferación de las células, generando tumores.

En conclusión, el papel de la acetilcolinesterasa en la salud es más que evidente, siendo importantísima su presencia para mantener óptima la concentración de acetilcolina en el sistema nervioso evitando su acumulación. Aunque en casos puntuales de enfermedad sea necesario frenar su actividad para el correcto desempeño de la neurotransmisión.

Evolución

A pesar de que los estudios de la acetilcolinesterasa suelen enfocarse en su función reguladora del funcionamiento del sistema nervioso, es indudable la existencia de otras funciones, concretamente de carácter trófico en plantas y bacterias.

Por otro lado, se piensa que las continuas duplicaciones de uno de los genes de una versión ancestral de la acetilcolinesterasa en distintas etapas de la evolución permitió la aparición de genes nuevos que, en otras muchas proteínas, condujo a la codificación de lo que se conoce como dominio acetilcolina. La comparación de las secuencias de aa de dominios no catalíticos y catalíticos que conduce a pensar que los genes mencionados terminaron perdiendo la capacidad catalítica a lo largo de la evolución y por eso, hay especies que a pesar de tener la acetilcolinesterasa no desempeña la función hidrolítica. La evolución también provocó que, en el caso de vertebrados, tanto la forma de adherirse a membranas, la localización y las funciones fueran más diversas. También se cree que la posibilidad de que las proteínas interaccionen unas con otras mediada por el dominio antes mencionado apareció gracias a los cambios evolutivos.

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