Enzimă - carbonic anhidraza

INTRODUCERE

EC 4.2.1.1

Denumire sistemica: carbonat hidrolaza (carbonate hydrolyase)

Alte denumiri: carbonat dehidrataza (carbonate dehydratase);

carbonat anhidraza (carbonate anhydrase);

acid carbonic anhidraza (arbonic acid anhydrase)

Carbonic anhidraza este o enzima care face parte din familia metalo-enzimelor (enzime care contin unul sau mai multi atomi metalici ca si componenti functionali) si catalizeaza conversia rapida a dioxidului de carbon si apa in acid bicarbonic, protoni si ioni bicarbonati, o reactie care are loc cu o viteza mult mai mica in absenta enzimei. Enzima mareste considerabil viteza reactiei, ajungand la 104 - 106 de reactii pe secunda. Majoritatea enzimelor contin in situsul catalitic ioni de zinc.

Enzima a fost pentru prima oara identificata in 1933 in eritrocitele de vaca. De atunci a fost descoperita in toate tesuturile mamiferelor, plante, alge si bacterii. Aceasta enzima antica are trei clase diferite, numite: alfa, beta si gamma carbonic anhidraze. Enzimele din aceste clase diferite au foaret putine secvente sau structuri comune, desi ele asigura aceeasi functie si au nevoie de un ion de zinc pentru situsul catalitic. Carbonic anhidrazele mamiferelor apartin clasei alfa, cele ale plantelor la clasa beta, in timp ce enzimele din metanobacterii care cresc in medii cu temperatura ridicata apartin clasei gamma. In concluzie este doar o aparenta faptul ca aceste enzime au evoluat independent si au creat un situs catalitic similar.

Carbonic anhidrazele mamiferelor apar in aproximativ 10 forme putin diferite, depinzand de compartimentul tisular sau celular in care sunt localizate. Aceste izoenzime au anumite variati ale secventei, ceea ce duce la diferente specifice in activitatea lor. De exmplu izoenzimele gasite in anumite fibre musculare au o activitate enzimatica scazuta, in comparatie cu cele secretate de glandele salivare. In timp ce majoritatea izoenzimelor anhidrazei carbonice sunt solubile si secretate, unele sunt destinate membranelor diferitelor celule epiteliale.

Dioxidul de carbon (CO2) este un metabolit cheie in toate organismele vii. Acesta exista in echilibru cu bicarbonatul (HCO3-), care este putin solubil in membranele lipidice in comparatie cu dioxidul de carbon; dioxidul de carbon poate difuza liber inauntrul si in afara celulelor, in timp ce bicarbonatul trebuie sa fie transportat. Conversia bicarbonatului in dioxid de carbon de carbonat faciliteaza transportul acestuia in celula, in timp ce conversia inversa ajuta la pastrarea dioxidului de carbon in celula. Interconversia dioxidului de carbon si a bicarbonatului se petrece incet in conditiile pH-ului fiziologic, asa incat organismele produc enzime pentru a grabi procesul. Carbonic anhidrazele sunt enzime ce contin zinc, care catalizeaza reactia reversibila dintre dioxidul de carbon hidratat si bicarbonatul deshidratat.

Structura si functia

In natura apar cateva forme de carbonic anhidraze. La cele mai studiate α-carbonic anhidraze din animale, ionul de zinc este coordonat de ciclurile imidazolice a 3 resturi histidinice, His94, His 96 si His 119. Principala functie a enzimei in animale este sa converteasca dioxidul de carbon in bicarbonat, pentru a mentine echilibrul acido-bazic din sange si alte tesuturi si de a ajuta la transportul dioxidului de carbon afara din tesuturi.

Plantele contin o forma diferita, numita β-carbonic anhidraza , care este enzima diferita din punct de vedere evolutiv, dar participa la aceleasi reactii si de asemenea foloseste zincul in situsul catalitic. In plante, carbonic anhidraza ajuta la cresterea concentratiei de CO2 in cloroplaste, pentru a mari rata de carboxilare a enzimei Rubisco. Aceasta este reactia care integreaza CO2 in carbonul organic din glucoza, in timpul procesului de fotosinteza si poate folosi carbonul doar sub forma de CO2 si nu sub forma de acid carbonic sau bicarbonic.

In anul 2000 a fost descoperita o carbonic anhidraza care continea cadmiu, aceasta a fost gasita in diatomeele marine, in timpul unei limitari a concentratiei de zinc. In largul oceanului, zincul este adesea in concentratii asa scazute, incat limiteaza cresterea fitoplanctonului, precum diatomeele, in concluzie o carbonic anhidraza ce foloseste un alt ion metalic este benefica in aceste medii. Inainte de aceasta descoperire, cadmiul era considerat ca fiind un metal foarte toxic, fara functie biologica.

Reactia catalizata de carbonic anhidraza:

Rata de reactie a carbonic anhidrazei este una dintre cele mai rapide dintre toate enzimele si e tipic limitata de rata de difuzie si de substratele ei.

Aceasta reactie este omniprezenta in natura, schimbul de gaze si ioni pe care il implica este crucial pentru o gama larga de procese biochimice si fiziologice. Mecanismul de reactie al carbonic anhidrazei de la mamifere a fost intens studiat.

Reactia inversa este rapida si nu necesita catalizatori: