综述：乙酰胆碱酯酶：结构、动力学及其与有机磷化合物的相互作用

　　本综述系统阐述了乙酰胆碱酯酶（AChE）的精细结构与动态特性，重点解析了其与有机磷（OP）化合物的相互作用机制，包括磷酸化抑制与不可逆“老化”（aging）反应。文章整合了结构生物学（如催化三联体Ser203-His447-Glu334）与计算模拟成果，揭示了活性位点 gorge 的动态构象变化及“后门/侧门”等产物释放途径，为针对阿尔茨海默病（Alzheimer's disease）药物和OP毒剂解毒剂（如oxime reactivators）的研发提供了关键理论依据。

　　

1 BACKGROUND

乙酰胆碱酯酶（AChE）是丝氨酸水解酶，负责水解神经递质乙酰胆碱（ACh），终止胆碱能突触传递，对中枢和周围神经系统的功能调节至关重要。其催化效率极高，每秒可水解约5000个ACh分子，接近扩散控制极限。由于其在神经信号中的核心作用，AChE成为治疗神经疾病（如阿尔茨海默病）药物（如donepezil、rivastigmine）的关键靶点，同时也是有机磷（OP）杀虫剂和神经毒剂（如sarin、VX）的主要作用目标。OP化合物通过与催化丝氨酸（Ser203）形成共价加合物，不可逆抑制AChE活性，导致乙酰胆碱堆积，引发急性胆碱能毒性。

2 STRUCTURE OF AChE

AChE采用α/β水解酶折叠，其最显著特征是一个长20?、宽5?的深而窄的活性中心 gorge。 gorge底部包含催化三联体（Ser203、His447、Glu334）和多个功能亚位点：

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  催化芳香位点（CAS）：由Trp86、Tyr133、Tyr337和Phe338组成，通过阳离子-π相互作用结合ACh的胆碱基团；

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  酰基结合口袋：由Phe295、Phe297和Trp236构成，负责底物选择性；

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  氧阴离子空穴：Gly121、Gly122和Ala204提供氢键稳定过渡态；

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  外周芳香位点（PAS）：位于 gorge入口，由Tyr72、Asp74、Tyr124、Trp286和Tyr341组成，参与底物初始结合和变构调节。

  此外，Ω-loop（Cys69-Cys96）和酰基环具有构象灵活性，影响底物进出和抑制剂结合。序列和结构在物种间高度保守，但果蝇AChE的PAS残基（Glu69、Tyr71、Met153）差异暗示其功能演化特性。

3 AChE-OP INTERACTIONS

OP化合物（如sarin、VX、tabun）通常含手性磷中心，其Sp(?)异构体具有更高抑制活性。OP与AChE的作用分为三步：可逆结合、Ser203磷酸化（释放离去基团如F?）和老化（老化后形成脱烷基产物，无法被oxime复活）。老化速率取决于烷基基团的给电子能力（如sarin半衰期3小时，VX为36.5小时）。晶体结构显示，磷酸化氧与氧阴离子空穴形成氢键，磷取代基朝向胆碱或酰基口袋，导致His447和Phe338构象重排。大型OP（如DFP、paraoxon）引起酰基环显著变形（如Pro290位移5.5?），阻碍oxime（如2-PAM、HI-6）接近活性中心。Oxime复活剂通过PAS锚定（如Trp286堆叠），其核基攻击磷原子，但老化后负电荷增加使复活困难。

4 STRUCTURAL ASPECTS OF AChE AND OP INTERACTIONS

4.1 Active site

OP加合物中，磷酰氧与氧阴离子空穴氢键结合，取代基分别指向Trp86（胆碱位点）和酰基口袋。His447因氢键网络破坏发生旋转（最多180°），其构象移动程度取决于OP尺寸（小如sarin移动小，大如tabun移动大）。

4.2 Substrate and solvent access to the active site

gorge内溶剂分子位置固定，OP结合后取代基置换部分水分子。分析显示，paraoxon结合可引起Phe297和Glu285侧链移动，开辟第二条活性中心通路。

4.3 Acyl binding pocket

酰基环是构象变化最显著区域。大型OP（如DFP、paraoxon）诱导Pro290、Phe295和Phe297位移，导致 gorge变窄，阻碍复活剂进入。Oxime结合可部分恢复酰基环构象。

4.4 Peripheral aromatic site (PAS)

PAS具有构象灵活性（如Trp286吲哚环翻转），参与底物引导和变构调节。Oxime（如HI-6）通过PAS芳香堆叠锚定，其定向接近磷原子促进复活。PAS还参与Aβ肽和PrP蛋白的聚集 chaperoning。

4.5 Ω-loop

Ω-loop（Cys69-Cys96）在晶体结构中保守，但分子动力学（MD）模拟显示其具灵活性，尤其Glu84区域运动促进 gorge瞬时扩大，辅助配体结合与释放。

4.6 Oxime reactivation

Oxime复活效率取决于其与磷原子的接近程度和活性中心静电环境。双吡啶类oxime（如HI-6、MMB-4）通过PAS结合并定向核基，但静态结构限制设计效率，需结合动态特性优化。

5 AChE DYNAMICS REVEALED BY MOLECULAR SIMULATIONS

5.1 The back and side doors

MD模拟揭示AChE存在“后门”（Trp86、Tyr449旋转形成）和“侧门”（Ω-loop开口），允许水分子和小产物（如胆碱）通过。酪氨酸后门在TcAChE-aflatoxin复合物中首次观察到，通道宽3.4?。果蝇AChE中类似通道提示保守性。产物释放多途径：>65%经后门，20%保留活性位点，少量从侧门逸出。

5.2 The ‘breathing’ motion

微秒MD模拟显示 gorge入口“瓶颈”（Tyr121-Phe330间距）在0.9–2.5?间动态变化，呈泊松分布，体现随机呼吸运动。二聚化或抑制剂结合增加平均开口尺寸（单体1.67?→二聚体/E2020复合物2.7?），并提高开口频率。Ω-loop、残基324–400和428–450参与协同运动，表明变构调节 gorge可及性。天然四聚体膜锚定形式可能具有更显著动态特性。

6 SUMMARY AND OUTLOOK

OP抑制AChE的结构基础已通过晶体学详尽解析，但酶的高效催化性与静态结构存在矛盾。MD模拟揭示 gorge呼吸运动、后门/侧门开启及产物多路径释放等动态特性，弥补了结构盲点。未来需通过时间分辨技术（如X射线足迹法）验证这些计算预测，以促进针对OP中毒和神经疾病的新型抑制剂与复活剂设计。