Холинэстераза: фермент и его функции¶

Холинэстераза — группа ферментов класса гидролаз (подкласс эстераз), катализирующих реакцию гидролиза сложных эфиров холина на холин и соответствующую органическую кислоту. В организме человека и животных эти ферменты играют ключевую роль в终止 передаче нервного импульса в холинергических синапсах, обеспечивая расщепление нейромедиатора ацетилхолина после его высвобождения в синаптическую щель.

¶Общая характеристика

Холинэстеразы относятся к семейству α/β-гидролаз. Их каталитический механизм основан на работе «каталитической триады» (серин—гистидин—глутамат), характерной для сериновых гидролаз. Реакция, которую они ускоряют, имеет вид:

Ацетилхолин + H₂O → холин + уксусная кислота

Скорость гидролиза чрезвычайно высока: одна молекула ацетилхолинэстеразы способна расщеплять порядка нескольких тысяч молекул субстрата в секунду, что делает её одним из самых эффективных известных ферментов.

¶Классификация

Различают два основных типа холинэстераз, различающихся по субстратной специфичности, локализации и физиологической роли.

¶Ацетилхолинэстераза (АХЭ)

Ацетилхолинэстераза (КФ 3.1.1.7) — «истинная» холинэстераза. Она локализована преимущественно в постсинаптических мембранах холинергических синапсов, в эритроцитах, а также в нервной ткани. Фермент обладает высокой специфичностью именно к ацетилхолину и обеспечивает быстрое прекращение сигнала. Именно АХЭ является мишенью большинства фармакологических и токсических агентов, влияющих на холинергическую передачу.

¶Бутирилхолинэстераза (псевдохолинэстераза)

Бутирилхолинэстераза (КФ 3.1.1.8), или псевдохолинэстераза, синтезируется в печени и обнаруживается в плазме крови, печени, поджелудочной железе, глиальных клетках. Она гидролизует не только ацетилхолин, но и другие эфиры холина (бутирилхолин, бензоилхолин), а также ряд лекарственных веществ. Её физиологическая роль до конца не выяснена; предполагается участие в метаболизме липидов и в детоксикации.

¶Локализация и функции

Ацетилхолинэстераза обеспечивает возврат постсинаптической мембраны в состояние покоя, что критически важно для ритмичной работы нервной системы. Без её активности ацетилхолин накапливался бы в синапсе, вызывая持续 деполяризацию и блокаду проведения импульса.

¶Ингибиторы холинэстеразы

Вещества, подавляющие активность холинэстераз, делятся на обратимые и необратимые.

• Обратимые ингибиторы (физостигмин, галантамин, неостигмин) связываются с активным центром временно и используются в медицине — при миастении, в анестезиологии, а также при лечении болезни Альцгеймера для компенсации дефицита ацетилхолина.
• Необратимые ингибиторы (фосфорорганические соединения, включая некоторые инсектициды и боевые отравляющие вещества типа зарина) фосфорилируют серин активного центра, что приводит к стойкой инактивации фермента и тяжелым отравлениям.

Антидотом при отравлении фосфорорганическими соединениями служат атропин (блокирует мускариновые рецепторы) и реактиваторы холинэстеразы (например, пралидоксим).

¶Клиническое значение

Определение активности холинэстеразы в сыворотке крови используется в диагностике:

• отравлений фосфорорганическими соединениями и карбаматами;
• оценки функции печени (при циррозе и гепатитах активность псевдохолинэстеразы падает);
• выявления генетического дефицита фермента, что важно при применении миорелаксанта суксаметония в анестезиологии — у пациентов с низкой активностью фермента возможна длительная остановка дыхания.

Активность АХЭ в эритроцитах и псевдохолинэстеразы в плазме — стандартные биохимические показатели.

¶История изучения

Гидролитическое расщепление ацетилхолина было описано в начале XX века. В 1914 году Генри Дейл установил роль ацетилхолина как медиатора. В 1930-х годах работы Дэвида Начманзона и Ирвина Нахмансона выявили механизм действия эзерина. В 1960–1970-х годах были расшифрованы структура активного центра и механизм катализа; за исследования ацетилхолинэстеразы и её ингибиторов ряд учёных был удостоен Нобелевских премий. В России значительный вклад в изучение холинергических систем внесли школы под руководством С. В. Аничкова и его последователей.

¶Значение в науке и практике

Холинэстераза — один из наиболее изученных ферментов. Она служит модельным объектом для исследования ферментативного катализа, а её ингибиторы широко применяются как лекарственные средства, пестициды и химическое оружие. Понимание работы холинэстераз лежит в основе фармакологии нейродегенеративных заболеваний и токсикологии.

Источники: учебники по биохимии (Северин, Березов, Кольман), руководства по энзимологии, материалы по фармакологии холинергических средств, публикации по токсикологии фосфорорганических соединений.