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Acetiltransferasa de colina

La colina acetiltransferasa (comúnmente abreviada como ChAT , pero a veces CAT ) es una enzima transferasa responsable de la síntesis del neurotransmisor acetilcolina . ChAT cataliza la transferencia de un grupo acetilo de la coenzima acetil-CoA a la colina , produciendo acetilcolina (ACh). ChAT se encuentra en alta concentración en las neuronas colinérgicas , tanto en el sistema nervioso central (SNC) como en el sistema nervioso periférico (SNP). Al igual que con la mayoría de las proteínas de la terminal nerviosa, ChAT se produce en el cuerpo de la neurona y se transporta a la terminal nerviosa , donde su concentración es más alta. La presencia de ChAT en una célula nerviosa clasifica a esta célula como una neurona "colinérgica". En los humanos, la enzima colina acetiltransferasa está codificada por el gen CHAT . [5]

Historia

La colina acetiltransferasa fue descrita por primera vez por David Nachmansohn y AL Machado en 1943. [6] Nachmansohn, un bioquímico alemán, había estado estudiando el proceso de conducción de impulsos nerviosos y la utilización de reacciones químicas que producen energía en las células, ampliando los trabajos de los premios Nobel Otto Warburg y Otto Meyerhof sobre fermentación , glucólisis y contracción muscular . Basándose en investigaciones anteriores que demostraban que las "acciones de la acetilcolina sobre las proteínas estructurales" eran responsables de los impulsos nerviosos, Nachmansohn y Machado investigaron el origen de la acetilcolina. [7]

Se ha extraído una enzima del tejido cerebral y nervioso que forma acetilcolina. La formación se produce únicamente en presencia de trifosfato de adenosina (ATP) . La enzima se llama colina acetilasa.

—  Nachmanson y Machado, 1943 [6]

El modo de acción de la acetiltransferasa era desconocido en el momento de este descubrimiento, sin embargo Nachmansohn planteó la hipótesis de la posibilidad de que el acetilfosfato o la fosforilcolina intercambiaran el fosfato (del ATP ) por colina o ion acetato. [6] No fue hasta 1945 que la coenzima A (CoA) fue descubierta simultánea e independientemente por tres laboratorios, [8] [9] [10] siendo el de Nachmansohn uno de ellos. Posteriormente, el acetil-CoA, en ese momento llamado "acetato activo", fue descubierto en 1951. [11] La estructura 3D de ChAT derivada de rata no se resolvió hasta casi 60 años después, en 2004. [12]

Estructura

La estructura 3D de ChAT se ha resuelto mediante cristalografía de rayos X PDB : 2FY2 ​. La colina está unida al sitio activo de ChAT por interacciones no covalentes entre la amina cargada positivamente de la colina y el grupo hidroxilo de Tyr552, además de un enlace de hidrógeno entre el grupo hidroxilo de la colina y un residuo de histidina , His324.

El sustrato de colina encaja en un bolsillo en el interior de ChAT, mientras que el acetil-CoA encaja en un bolsillo en la superficie de la proteína. La estructura cristalina tridimensional muestra que el grupo acetilo del acetil-CoA linda con el bolsillo de unión de la colina, lo que minimiza la distancia entre el donante y el receptor del grupo acetilo.

Estructura de los sitios de unión de la colina acetiltransferasa
  • Estructura cristalina del ion colina unido a la colina acetiltransferasa. Se muestran los residuos de la cadena lateral de His324A y Tyr552A.PDB: 2FY3
    Estructura cristalina del ion colina unido a la colina acetiltransferasa. Se muestran los residuos de la cadena lateral de His324A y Tyr552A. PDB : 2FY3
  • Representación estereoscópica de colina y acetil-CoA en el sitio activo de ChAT. (PDB: 2FY3​, PDB: 2FY5​ - superpuesto).
    Representación estereoscópica de colina y acetil-CoA en el sitio activo de ChAT. ( PDB : 2FY3 , PDB : 2FY5 - superpuesto).
  • Representación estereoscópica de colina y acetil-CoA unidos al sitio activo de ChAT - ángulo alterno. (PDB: 2FY3​, PDB: 2FY5​ - superpuesto).
    Representación estereoscópica de colina y acetil-CoA unidos al sitio activo de ChAT - ángulo alterno. ( PDB : 2FY3 , PDB : 2FY5 - superpuesto).

Homología

La ChAT está muy conservada en todo el genoma animal. Entre los mamíferos, en particular, existe una similitud de secuencia muy alta. La ChAT de los humanos y los gatos ( Felis catus ), por ejemplo, tiene una identidad de secuencia del 89%. La identidad de secuencia con la de Drosophila es de alrededor del 30%. [13]

Formas de ChAT

Existen dos formas de ChAT: la forma soluble y la forma unida a la membrana. [14] La forma soluble representa el 80-90% de la actividad enzimática total, mientras que la forma unida a la membrana es responsable del 10-20% restante de la actividad. [15] Sin embargo, durante mucho tiempo ha habido un debate sobre cómo se une la última forma de ChAT a la membrana. [16] La forma unida a la membrana de ChAT está asociada con vesículas sinápticas. [17]

Isoformas comunes y periféricas de ChAT

Existen dos isoformas de ChAT, ambas codificadas por la misma secuencia. El tipo común de ChAT (cChAT) está presente tanto en el SNC como en el SNP. El tipo periférico de ChAT (pChAT) se expresa preferentemente en el SNP en humanos y surge de la omisión de exones (exones 6-9) durante la modificación postranscripcional . Por lo tanto, la secuencia de aminoácidos es muy similar; sin embargo, a pChAT le faltan partes de la secuencia presente en cChAT. La isoforma pChAT se descubrió en 2000 con base en observaciones de que los anticuerpos ChAT derivados del cerebro no teñían las neuronas colinérgicas periféricas como lo hacen con las que se encuentran en el cerebro. Este mecanismo de empalme genético que conduce a diferencias entre cChAT y pChAT se ha observado en varias especies, incluidos mamíferos vertebrados y moluscos invertebrados, lo que sugiere que este mecanismo conduce a alguna ventaja evolutiva aún no identificada.

Función

Síntesis y transporte de ACh en las células [18]

Los sistemas colinérgicos están implicados en numerosas funciones neurológicas. La alteración en algunas neuronas colinérgicas puede explicar los trastornos de la enfermedad de Alzheimer . La proteína codificada por este gen sintetiza el neurotransmisor acetilcolina . La acetilcolina actúa en dos clases de receptores en el sistema nervioso central  , muscarínicos y nicotínicos  , que están implicados en diferentes respuestas fisiológicas. El papel de la acetilcolina en el receptor nicotínico todavía está bajo investigación. Es probable que esté implicada en las vías de recompensa/refuerzo, como lo indica la naturaleza adictiva de la nicotina , que también se une al receptor nicotínico. La acción muscarínica de la acetilcolina en el SNC está implicada en el aprendizaje y la memoria. La pérdida de inervación colinérgica en el neocórtex se ha asociado con la pérdida de memoria, como se evidencia en los casos avanzados de la enfermedad de Alzheimer. En el sistema nervioso periférico , las neuronas colinérgicas están implicadas en el control de funciones viscerales como, entre otras, la contracción del músculo cardíaco y la función del tracto gastrointestinal.

A menudo se utiliza como marcador inmunohistoquímico de neuronas motoras (motoneuronas).

Mutaciones

Se han aislado mutantes de ChAT en varias especies, entre ellas C. elegans , Drosophila y seres humanos. La mayoría de los mutantes no letales que tienen un fenotipo distinto del tipo salvaje presentan cierta actividad, pero significativamente menor que el tipo salvaje.

En C. elegans , varias mutaciones en ChAT se han relacionado con el gen cha-1. Todas las mutaciones dan como resultado una caída significativa en la actividad de ChAT. El porcentaje de pérdida de actividad puede ser mayor del 98% en algunos casos. Los efectos fenotípicos incluyen crecimiento lento, disminución del tamaño, comportamiento descoordinado y falta de sensibilidad hacia los inhibidores de la colinesterasa . [19] Los mutantes sensibles a la temperatura aislados en Drosophila han sido letales. Antes de la muerte, las moscas afectadas muestran un cambio en el comportamiento, incluyendo movimientos incontrolados y un cambio en la actividad del electrorretinograma . [20]

El gen humano responsable de codificar ChAT es CHAT. Las mutaciones en CHAT se han relacionado con el síndrome miasténico congénito , una enfermedad que provoca deficiencia general de la función motora y debilidad. Otros síntomas incluyen apnea fatal . De diez mutantes aislados, se ha demostrado que 1 carece de actividad por completo, 8 han demostrado tener una actividad significativamente reducida y 1 tiene una función desconocida. [21]

Importancia clínica

Enfermedad de Alzheimer

La enfermedad de Alzheimer (EA) implica dificultades en la memoria y la cognición. Las concentraciones de acetilcolina y ChAT se reducen notablemente en el neocórtex cerebral y el hipocampo. [22] Aunque la pérdida celular y la disfunción de las neuronas colinérgicas se considera un contribuyente a la enfermedad de Alzheimer, generalmente no se considera un factor primario en el desarrollo de esta enfermedad. Se propone que la agregación y deposición de la proteína beta amiloide interfiere con el metabolismo de las neuronas y daña aún más los axones colinérgicos en la corteza y las neuronas colinérgicas en el prosencéfalo basal. [23]

Esclerosis lateral amiotrófica

La esclerosis lateral amiotrófica (ELA) es una de las enfermedades de las neuronas motoras más comunes. En la ELA se observa una pérdida significativa de la inmunorreactividad de ChAT. [24] Se ha planteado la hipótesis de que la función colinérgica está implicada en un aumento descontrolado de la concentración intracelular de calcio, cuya razón aún no está clara. [25]

Drogas

El metilsulfato de neostigmina, un agente anticolinesterásico, se ha utilizado para tratar la ChAT. En particular, se ha demostrado que el uso de metilsulfato de neostigmina tiene efectos positivos contra el síndrome miasténico congénito. [26]

Se ha demostrado que la exposición al estradiol aumenta la ChAT en ratas hembras. [27]

Véase también

Referencias

  1. ^ abc GRCh38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSG00000070748 – Ensembl , mayo de 2017
  2. ^ abc GRCm38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSMUSG00000021919 – Ensembl , mayo de 2017
  3. ^ "Referencia de PubMed humana:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  4. ^ "Referencia PubMed de ratón:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU . .
  5. ^ Strauss WL, Kemper RR, Jayakar P, Kong CF, Hersh LB, Hilt DC, Rabin M (febrero de 1991). "Mapa del gen de la colina acetiltransferasa humana en la región 10q11-q22.2 mediante hibridación in situ". Genomics . 9 (2): 396–8. doi : 10.1016/0888-7543(91)90273-H . PMID  1840566.
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Lectura adicional

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