קרבוניק אנהידראז

קרבוניק אנהידראז (CA) הוא אנזים השייך למשפחת המטלואנזימים (אנזימים המכילים אטום מתכת אחד או יותר החיוני לפעילות האנזים). האתר הפעיל באנזים זה מכיל יון אבץ. אנזים זה מזרז באופן קטליטי את הפיכת פחמן דו-חמצני לביקרבונט ופרוטונים. זוהי ריאקציה המתרחשת לאט למדי בהיעדר קטליזטור. קרבוניק אנהידראז מגדיל במידה רבה את קצב הריאקציה, כאשר קצב ריאקציה אופייני לכמה צורות שונות של האנזים נע בין 104 ל-106 תגובות לשנייה. ישנן כמה צורות שונות של קרבוניק אנהידראז המופיעות בטבע. לדוגמה, צורת ה-α-carbonic anhydrase הנוכחת בבעלי חיים. התפקיד העיקרי של אנזים זה בבעלי חיים הוא להמיר את פחמן דו-חמצני והביקרבונט על מנת לשמור על שיווי משקל של חומצה-בסיס בדם, ברקמות השונות וכדי לעזור בהוצאת פחמן דו-חמצני מהרקמות השונות. צמחים מכילים צורה אחרת של האנזים הנקראת β-carbonic anhydrase. זהו אנזים השונה במקצת מ-α-carbonic anhydrase אך משתתף באותן הריאקציות וגם כן משתמש ביון האבץ באתר הפעיל שלו. בצמחים, קרבוניק אנהידראז עוזר להעלות את ריכוז ה-CO2 בתוך הכלורופלסט במטרה להגביר את קצב הקרבוקסילציה (קיבוע פחמן דו-חמצני) של האנזים רוביסקו. זוהי ריאקציה המביאה CO2 ליצירת סוכרים של פחמן אורגני במהלך הפוטוסינתזה. הריאקציה תוכל להתקיים רק כאשר יהיה שימוש בצורת ה-CO2 ולא בצורה של חומצה פחמנית או ביקרבונט. כמו כן, נמצא כי אנזים ממשפחת הקרבוניק אנהידראז מצורניות ימיות משתמש ביון קדמיום, בעת מחסור באבץ. דבר זה יכול לאפשר גדילת פיטופלנקטון (כמו צורניות) באוקיינוסים בהם ריכוז האבץ עשוי להיות נמוך מאוד. לפני גילוי זה, קדמיום נחשב כמתכת כבדה ורעילה מאוד ללא תפקוד ביולוגי מסוים. קצב הריאקציה של קרבוניק אנהידראז נחשב מהיר מאוד יחסית להרבה אנזימים אחרים, והוא נחשב ל"אנזים מושלם" כיוון שקצב הריאקציה שלו כל כך מהיר כך שהוא מוגבל רק על ידי קצב הדיפוזיה של הסובסטרט שלו. ברקמות בהן יש ריכוז גבוה של CO2 (לדוגמה, בכלי הדם בקרבת שרירים) תזורז הריאקציה: C O 2 + H 2 O → H 2 C O 3 → H C O 3 − + H + {\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightarrow H_{2}CO_{3}\rightarrow HCO_{3}^{-}+H^{+}}}} בעוד שהריאקציה ההופכית תזורז כאשר ריכוז CO2 יהיה נמוך (בריאות). הקבוצה הפרוסטטית (אבץ בדרך כלל) קשורה בשלוש עמדות על ידי טבעות האימידזול של חומצת האמינו היסטידין. לעמדה הרביעית נקשרת מולקולת מים. סידור זה, גורם לקיטוב (פולריזציה) של מולקולת המים, כל שיכול להיווצר יון הידרוקסיד, שהוא נוקלאופיל חשוב בתגובה זו. בנוסף, היסטידין רביעי ממוקם קרוב למקום קישור המים ויכול לקבל פרוטון (קטליזת חומצה-בסיס) ולכן לסייע ליצירת ההידרוקסיד באתר הפעיל. האתר הפעיל מכיל גם כיס מיוחד עבור פחמן דו-חמצני המביא אותו קרוב לקבוצת ההידרוקסיד מה שמאפשר להידרוקסיד לתקוף את פחמן דו-חמצני ליצירת ביקרבונט. ישנן שמונה מחלקות שונות של קרבוניק אנהידראז - α, β, γ, δ, ε. בין מחלקות אלו אין דמיון משמעותי ברצפי חומצות האמינו שלהן, וברוב המקרים נחשבות כדוגמה טובה לאבולוציה מתכנסת. α-CA - אנזימי הקרבוניק אנהידראז הנמצאים ביונקים, מתחלקים ל-4 תתי קבוצות רחבות שכל אחד מהם מורכב מכמה איזופורמים שונים: בציטוזול, במיטוכונדריה, אנזים מופרש ואנזים הקשור לממברנה. β-CA - רוב אנזימי הקרבוניק אנהידראז של הפרוקריוטים ושל הכלורופלסט בצמחים שייכים למשפחה זו. γ-CA - מחלקת הגמא נמצאה בבקטריה המייצרת את גז המתאן. δ-CA - מחלקת הדלתא נמצאה בצורניות (אך קיומה של מחלקה זו הוטל בספק). ε-CA - מחלקת האפסילון של CA קיימת בעיקר בבקטריה ובכחוליות ימיות מסוימות. אנליזות תלת־ממדיות שבוצעו לאחרונה גילו ש-ε-CA נושא דמיון מבני ל-β-CA בעיקר ליד מיקום יוני המתכת. לכן, ייתכן ו-2 המחלקות הללו קשורות אחת לשנייה באופן אבולוציוני מרוחק למרות שרצפי חומצות האמינו הבסיסיות שלהם השתנו מאז בצורה רבה. מדיה וקבצים בנושא קרבוניק אנהידראז בוויקישיתוף קרבוניק אנהידראז, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Michael R. Sawaya, Gordon C. Cannon, Sabine Heinhorst, Shiho Tanaka, The Structure of β-Carbonic Anhydrase from the Carboxysomal Shell Reveals a Distinct Subclass with One Active Site for the Price of Two, Journal of Biological Chemistry 281, 2006-03-17, עמ' 7546–7555 doi: 10.1074/jbc.M510464200