استیل کولین استراز (Acetylcholinesterase)

1-2 آنزیم استیل کولین استراز

1-2-1 تنوع ژن در موجودات مختلف

برای آنزیم استیل کولین استراز در مهره داران تنها یک ژن یافت شده است [6]. در حالی که در Ceanorahbitidis elegance، چهار نوع ژن مختلف برای این آنزیم شناسایی شده است [7]. در مگس میوهDrosophila melanogaster ، تنها یک ژن برای آنزیم استیل کولین استراز وجود دارد[8,9]. در عنکبوتیان دو ژن کد کننده آنزیم استیل کولین استراز وجود دارد[10,11].

1-2-2 ساختار پروتئین

آنالیز های کریستالوگرافی انجام شده بر روی استیل کولین استراز Torpedo californica [12] نشان می دهد که جایگاه فعال این آنزیم نزدیک به انتهای یک شکاف عمیق و باریک که تقریبا نیمی از عمق پروتئین را طی می کند، قرار دارد. این شکاف به وسیله 14 اسید آمینه آروماتیک به شده حفاظت شده پوشانده شده است که 70 درصد سطح این شکاف را می پوشانند[4,13]. این اسید آمینه ها در تسهیل انتشار سوبسترا به جایگاه فعال آنزیم نقش دارند[4]. شناسایی یون آمونیوم درجه 4 در سوبسترا، استیل کولین، و احتمالا هدایت آن به داخل شکاف از طریق بر هم کنش های کاتیون پی، با زنجیره های جانبی آروماتیک این اسید های آمینه تسهیل می شود[14].

نمودار روبانی TcAChE به همراه استیل کولین با شمای گوی و میله ای که در جایگاه فعال قرار گرفته است[13]

تریپتوفان 84 (W84) و فنیل آلانین 330 (F330) در تشکیلcatalytic anionic site (CAS) نقش دارند و تیروزین 70 (Y70)، تیروزین 121 (Y121) و تریپتوفان279 (W279) در تشکیل peripheral anionic site (PAS) مشارکت می کنند[13]. گلوتامات 327 (Glu327)، هیستیدین 440 (His440) و سرین 200 (Ser200)، اسید آمینه های سه گانه کاتالیتیک هستند[4]. شکل (1-2) ساختار استیل کولین استراز Torpedo californica و شکل (1-3) ساختار شماتیک جایگاه فعال استیل کولین استراز Torpedo californica را نشان می دهد.

شکل شماتیک از برش عرضی جایگاه فعال TcAChE که باقی مانده های اصلی CAS ، PAS وcatalytic triad را نشان می دهد[13].

3 آنزیم استیل کولین استراز در دروزوفیلا ملانوگاستر

استیل کولین استراز در مهره داران به صورت ایزوفرم های متفاوتی پردازش می شود[8]. اما در حشرات استیل کولین استراز تنها به یک فرم پردازش می شود. این فرم یگانه یک پروتئین همودیمر دوگانه دوست با وزن مولکولی Kda 150 است که از طریق یک لنگر گلایکوزیل فسفاتیدیل اینوزیتول در انتهای c-terminal مولکول، به غشا متصل می شود. مونومرها از طریق یک پیوند دی سولفیدی به هم متصل شده و دیمر پروتئینی را تشکیل می دهند[4,8]. در Drosophila melanogaster یک مونومر استیل کولین استراز از دو زیر واحد با وزن مولکولی Kda 55 و Kda 16 ساخته شده است، که از طریق پیوند های غیر کوالان به هم متصل شده اند[8]. اتصال دو زیر واحد Kda 150 از هر مونومر، از طریق یک پیوند دی سولفیدی بین باقی مانده های سیستئین، باعث اتصال دو مونومر به هم و تشکیل یک دیمر می شود[8]. درDrosophila melanogaster یک لوکوس ژنی به نام Ace یک پیشساز با وزن مولکولی Kda 70 برای استیل کولین استراز کد می کند که از پروتئولیز این پیشساز زیر واحد های Kda 55 و Kda 16 حاصل می شوند[8]. در انتهای کربوکسیل (c-terminal )، در زیر واحدKDa 55، استیل کولین استرازیک ناحیه اتصال برای یک لنگر گلیکولیپیدی وجود دارد. این لنگر گلیکو لیپیدی مسئول اتصال آنزیم استیل کولین استراز به غشا می باشد[8]. در مهره داران پردازش استیل کولین استراز به صورت دو پلی پپتید مجزا مشاهده نشده است[8]. در مقایسه با استیل کولین استراز مهره داران، استیل کولین استراز دروزوفیلا دارای یک توالی اضافه (insertion) 30 تایی از اسید آمینه ها در فاصله اسید آمینه های 150 تا 180 است که این قسمت اضافی احتمالا محل پروتئولیز (proteolysis site) می باشد[8]. درجه حفاظت شدگی (conservation) بین اسید آمینه های انتهای N (N-terminal)، در زیر واحد Kda 16 بین دروزوفیلا و مهره داران بسیار زیاد است[8]

همان طور که گفته شد در دروزوفیلا، استیل کولین استراز توسط لوکوس Ace کد می شود که واحد رونویسی شونده آن Kb 34 طول دارد و 10 اگزون را شامل می شود[15]. RNA-transcript حاصل (بدون احتساب دم پلی A )4291 نوکلئوتید طول دارد[15]. تعیین توالی ناحیه پروموتر این ژن نشان می دهد که در این ناحیه، یک TATA box و یک موتیف _n(GA) وجود دارد[15]. استیل کولین استراز دروزوفیلا نسبت به استیل کولین استراز مهره داران از لحاظ وجود اگزون ها و اینترون ها، تکه تکه تر می باشد، اما splicing site دو اگزون آخر در mRNA کولین استراز های مهره داران و دروزوفیلا حفاظت شده (conserve) است[15].

1-2-4 اهمیت و کاربرد

اهمیت استیل کولین استراز در همئوستازی بدن از این جهت است که این آنزیم، هدف بعضی از نیرومند ترین سم ها شامل حشره کش ها، سم مار ها و سلاح های شیمیایی می باشد[16]. اگرچه مهار کننده های این آنزیم برای درمان بیماری آلزایمر و بیماری خود ایمنی میاستنیا گراویس نیز به کار می روند[17,18]. استیل کولین استراز برخی بافت ها شامل بافت سیستم عصبی مرکزی و بافت ماهیچه ای بیان می شود. مشخص شده که این آنزیم در برخی مراحل تکامل جنینی در بعضی بی مهره گان نقش دارد[19].

از این جهت که آنزیم استیل کولین استراز هدف بیولوژیک بسیاری از حشره کش هایی است که در کشاورزی مورد استفاده قرارمی گیرند، می توان از مهار کننده های این آنزیم به عنوان عواملی سودمند یاد کرد که در عین حال خطرات فراوانی را از لحاظ آلودگی های محیطی و سلامتی انسان به همراه دارند[20]. به طور معمول جستجوی ترکیبات ارگانو فسفره وکاربامات ها که به طور گسترده در تولید این نوع حشره کش ها به کار می روند، با استفاده از روش های کروماتوگرافی مثل کروماتوگرافی گازی یا سایر روش های ترکیبی صورت می گیرد. که این روش ها مراحل پیچیده ای را شامل شده، گران قیمت و وقت گیر هستند و در نتیجه برای آنالیز سریع و فوری نمونه ها در مقیاس وسیع مناسب نیستند[21]. به همین علت است که در سال های اخیر آنزیم استیل کولین استراز برای طراحی بیوسنسور هایی برای جستجوی این عوامل شیمیایی در محیط زیست و مواد غذایی به شدت مورد توجه قرار گرفته است[20,21].

ارگانوفسفره پاراکسون (شکل 1-4) یک مهارگر برگشت ناپذیر آنزیم استیل کولین استراز است. گروه هیدرکسیل آزاد باقی مانده سرین در جایگاه فعال آنزیم میتواند به اتم فسفر در ترکیب ارگانوفسفره حمله کند و یک پیوند اکسیژن-فسفر قدرتمند تشکیل دهد. این پیوند به شدت نسبت به هیدرولیز مقاوم است و به این ترتیب آنزیم استیل کولین استراز به صورت غیر قابل برگشت مهار می شود[22](شکل1-5).