アセチルコリンエステラーゼ

アセチルコリンエステラーゼ（AChE）は、生体における神経伝導の中核を担う酵素である。コリン作動性シナプスにおいて、本酵素はアセチルコリンを分解し、神経伝達物質によるシナプス後膜への興奮作用を終結させることで、生体内の神経信号伝達を正常に維持する。コリンエステラーゼは、触媒基質特異性に基づき、アセチルコリンエステラーゼとブチリルコリンエステラーゼ（BuChE）に分類される。AChEは真性（特異的）コリンエステラーゼとも呼ばれ、in vivoにおけるコリン作動性神経インパルスの維持に極めて重要な加水分解酵素である。BuChEは偽性（非特異的）コリンエステラーゼと呼ばれ、その生理学的機能は現時点では十分に解明されていない。

分布

ヒトAChEは主として神経組織、すなわち脳の白質・灰白質、脊髄および神経節の神経細胞や神経筋接合部に分布するほか、赤血球、血小板、マクロファージ、血清などの非神経組織にも分布する。AChEは膜結合型タンパク質であり、主に細胞膜およびシナプス前膜に局在するが、一部の細胞では細胞内小器官などの細胞内構造にも存在する。赤血球に結合したAChE活性は赤血球成熟度と関連し、赤芽球におけるAChE活性は老化赤血球より有意に高い。年齢および性別によるAChE活性の有意差は認められず、妊婦ではAChEが増加する傾向がみられる。2種のコリンエステラーゼ含量には個体差が大きく、変動係数は10～40%に達し得る。一方、同一個体内では両コリンエステラーゼは比較的安定しており、変動係数は約10%である。

分子構造

AChEは少量のグルコサミンおよびガラクトサミンを含む糖タンパク質である。AChEは多様な分子形態で存在し、流体力学的特性およびサブユニットの結合様式により識別される。触媒サブユニットは、脂質結合サブユニットまたはコラーゲン様サブユニットと連結し、異種分子を形成し得る。コラーゲン様構造単位を含む分子は4つの触媒サブユニットからなり、各触媒サブユニットはジスルフィド結合を介してらせん状のコラーゲン様サブユニットに連結される。このコラーゲン様部分は基底膜コラーゲンのプロコラーゲンに類似する。コラーゲン様サブユニットはN末端およびC末端にコラーゲン配列を有さず、シナプス基底部成分に結合する。線維状のコラーゲン様構造に起因する構造的非対称性から、非対称型（A型）と称される。脂質結合サブユニットは、四量体（A4）、二重四量体（A8）、三重四量体（A12）から構成され、分子量は約20 kDで、脂肪酸と共有結合している。脂質結合サブユニットは複数のジスルフィド結合を介して触媒サブユニット四量体と連結し、触媒サブユニットを細胞外表面へ係留する。膜外表面に局在する本酵素は、カルボキシル末端でリン脂質と連結することにより疎水性を獲得する。流体力学的特性に基づき球状（G型）に分類され、G型はさらに親水性G型と疎水性G型に区分される。

触媒機構

AChEの活性中心は、主としてエステル化部位、アニオン部位、疎水性領域の3領域から構成される。エステル化部位はセリンおよびヒスチジンを含み、AChのカルボニル炭素原子に結合し得る。アニオン部位は少なくとも1つのカルボニル基（おそらくグルタミン酸由来）を含み、AChの第四級アンモニウムカチオン基を静電的に引き寄せる。疎水性領域は、エステル化部位または第四級アンモニウム基結合部位に連結するか、トリプトファンやチロシンなどの芳香族アミノ酸から構成され、芳香族基質の結合に重要な役割を果たす。三次元構造解析により、AChEの最も顕著な特徴は、触媒活性基が位置する深く狭い峡谷状構造であることが示されている。

AChは、静電的相互作用および疎水性相互作用により、AChEのエステル化部位以外の領域にも結合する。AChのアシル基は反応性を有するが、結合自体には必須ではない。カチオン性ヘッドを有するAChは周辺結合部位で捕捉され、拡散により酵素の活性中心へ到達する。AChの2つのメチレン基の疎水性により親和性は約10倍増加する。第四級アンモニウム結合部位および疎水性領域でのAChの結合により、AChは直線状となって適切な位置に配置され、活性中心のSer水酸基酸素によるAChアシル基炭素への求核攻撃が促進される。活性イミダゾール基がシグナルを受容し、その後プロトンを放出することで、AChEと基質はまず四面体中間体を形成し、これがアセチル化酵素へ変換され、第一加水分解産物であるコリンが遊離する。活性部位のGluのカルボキシル基はイミダゾリル基のプロトンを引き寄せ、四面体中間体形成を促進する。続いて、Hisのイミダゾール基が水分子のプロトンを引き抜いて水酸化物イオンを生成し、アセチル化酵素を攻撃して別の四面体中間体を形成し、加水分解により酢酸と遊離AChEが生成する。

医療応用

アセチルコリンエステラーゼ阻害薬は、アルツハイマー病、重症筋無力症、緑内障など、さまざまな疾患の治療に用いられる。アルツハイマー病（AD）は進行性の認知機能障害を特徴とする神経変性疾患である。主な病理学的特徴として、神経細胞間に多数の老人斑が存在すること、神経細胞内に神経原線維変化が認められることが挙げられ、患者の認知、記憶、言語機能および日常生活能力に重大な影響を及ぼす。AD患者の脳におけるコリン作動性活性の低下は、認知・記憶障害の主要因である。脳内アセチルコリン濃度を増加させることにより、AD患者の症状改善が期待できる。AD症状改善の主要な薬理学的アプローチは、AChE活性を阻害してAChの加水分解を遅延させ、コリン作動性シナプス間隙におけるAChレベルを上昇させることで治療目的を達成することである。重症筋無力症は、アセチルコリン受容体抗体により媒介され、T細胞依存性かつ補体介在性の神経筋接合部伝達障害を呈する自己免疫疾患であり、現在は抗AChE薬を基盤として治療が行われている。