Anhidrase carbónica

As anhidrases carbónicas (CA), tamén chamadas carbonato deshidratases (), forman unha familia de encimas que catalizan a interconversión entre o dióxido de carbono e a auga e os ións resultantes da disociación do ácido carbónico (é dicir, bicarbonato e ións hidróxeno). O sitio activo da maioría das anhidrases carbónicas conten un ión cinc. Son, polo tanto, clasificadas como metaloencimas. O encima mantén o balance ácido-base e axuda ao transporte de dióxido de carbono.

A anhidrase carbónica axuda a manter a homeostase ácido-base, regula o pH e o balance de fluídos. Dependendo da súa localización, o papel do encima cambia lixeiramente. Por exemplo, a anhidrase carbónica produce ácido na parede interna do estómago. Nos riles, o control dos ións bicarbonato inflúe no contido de auga da célula. O control de ións bicarbonato tamén inflúe no contido de auga dos ollos. Os inhibidores da anhidrase carbónica utilízanse para tratar o glaucoma, que é a excesiva acumulación de auga nos ollos. Bloquear este encima fai cambiar o balance de fluídos nos ollos, reducindo a súa acumulación e, dese xeito, aliviando a presión.

A anhidrase carbónica é fundamental para a función da hemoglobina debido ao efecto Bohr, que cataliza a hidratación de dióxido de carbono para formar ácido carbónico e disociarse rapidamente na auga. Esencialmente, un incremento de dióxido de carbono resulta nun descenso do pH sanguíneo, que diminúe a unión do oxíxeno á hemoglobina. O contrario é tamén certo, xa que unha diminución na concentración de dióxido de carbono leva o pH sanguíneo, o cal eleva a taxa de unión oxíxeno-hemoglobina. A relación entre o efecto Bohr e a anhidrase carbónica é simple: a anhidrase carbónica acelera a reacción do dióxido de carbono coa auga para producir ións hidróxeno (protóns) e ións bicarbonato.

Para describir o equilibrio na reacción da anhidrase carbónica, utilízase o principio de Le Chatelier. A maioría dos tecidos son máis ácidos que o tecido pulmonar porque neses tecidos se produce dióxido de carbono pola respiración celular, onde este reacciona coa auga e produce protóns e bicarbonato. Como a concentración de dióxido de carbono é maior, o equilibrio desprázase cara á dereita, ao lado da reacción do bicarbonato. Nos pulmóns obsérvase o contrario, porque o dióxido de carbono alí é liberado, reducindo a súa concentración, así que o equilibrio se despraza cara á esquerda, favorecendo a produción de dióxido de carbono.

 Descubrimento 
A anhidrase carbónica illouse e caracterizouse inicialmente a partir de glóbulos vermellos do sangue en 1933, con informes simultáneos de Meldrum e Roughton (da Universidade de Cambridge, Reino Unido) e de Stadie e O’Brien (da Universidade de Pensilvania, Estados Unidos), en ambos os casos mentres investigaban un "factor catalítico... necesario para o transito rápido do HCO3- [anión bicarbonato] dos eritrocitos aos... capilares pulmonares".

 Introdución 

Un encima é unha substancia que actúa como catalizador nos organismos vivos que acelera as reaccións químicas. A anhidrase carbónica é un importante encima que se atopa nos glóbulos vermellos do sangue, na mucosa gástrica, células pancreáticas e nos túbulos renais. Foi descuberto na décda de 1930 e foi categorizado inicialmente en tres clases xerais (hoxe coñécense máis). A clase unha é a anhidrase carbónica alfa que se encontra en mamíferos, a clase dúas é a da anhidrase carbónica beta, que se atopa en bacterias e plantas, e a clase tres é a da anhidrase carbónica gamma, que se atopa nas bacterias metanóxena de fontes termais. As tres clases de anhidrase carbónica teñen o mesmo sitio activo cun centro metálico de Zn; porén, non son estruturalmente similares entre si.

 Estrutura e función 

Na natureza aparecen varias formas de anhidrase carbónica. Na forma ben estudada anhidrase carbónica α presente en animais, o ión cinc está coordinado polos aneis de imidazol de 3 residuos de histidina, His94, His96 e His119.

A función primaria do encima en animais é interconverter dióxido de carbono e bicarbonato para manter o balance ácido-base no sangue e noutros tecidos, e axudar a transportar o dióxido de carbono polo sangue fóra dos tecidos o cal, á súa vez, axuda á respiración. Pode tamén funcionar colaborando na formación de ácido clorhídrico no estómago. Xa que logo, o papel da anhidrase carbónica depende de onde se atope no corpo.

En mamíferos existen polo menos 14 isoformas. As plantas conteñen unha forma diferente chamada anhidrase carbónica β, que, desde un punto de vista evolutivo, é un encima distinto, pero participa na mesma reacción e tamén usa un ión cinc no seu sitio activo. En plantas, a anhidrase carbónica axuda a elevar a concentración de CO2 nos cloroplastos para incrementar a taxa de carboxilación do encima da fase escura da fotosíntese RuBisCO. A reacción da RuBisCO é a que integra ("fixa") o CO2 nos azucres creados na fotosíntese, e só pode usar o CO2 como forma de carbono, non o ácido carbónico nin o bicarbonato.

 Estrutura 
Na anhidrase carbónica dúas (CA-II) de mamíferos, o sitio activo consiste no seguinte: un átomo metálico de Zn+2 que se comporta como ácido de Lewis duro coordinado aos residuos de His-94, -96, e -119 separados uns doutros 109° e un ión hidróxido (pKa=6.8; 120° en configuración tetraédrica Td, un peto hidrófobo adxacente ao hidróxido unido ao Zn que consta da Val-143 na súa base e da Val-121, Trp-209 e Leu-198 no seu pescozo, un residuo bombeador de protóns His-64 H+ (ou PSR, do inglés Proton Shuttling Residue) bombea H+ dentro e fóra do sitio activo por cambios conformacionais, e unha rede de enlaces de hidróxeno que consta do grupo hidroxilo da Thr-199 e o grupo carboxilo do Glu-106, que estabiliza o hidróxido unido ao Zn ao facilitar a orientación de moléculas de auga no sitio activo nunha configuración xeométrica específica. A CA-II ten unha frecuencia de recambio de 106 s−1, o cal é 107 veces máis rápido que a reacción non catalizada.

 Regulación do pH 
A anhidrase carbónica exerce un papel esencial na regulación do pH sanguíneo, o cal acelera a reacción

CO2 + H2O  <=>  HCO3- + H+

para asegurar que se mantén rapidamente o balance de equilibrio. A reacción de equilibrio está influenciada pola proporción de bicarbonato e H+ respecto ao dióxido de carbono. O HCO3- é unha base conxugada que neutraliza ácidos, e o H+ é un ácido conxugado que neutraliza bases para manter a homeostae ácido-base. O HCO3- e o H+ son ideais para tamponar o pH no sangue e tecidos porque o pKa está preto do pH fisiolóxico = 7,2 – 7,6. Como o HCO3- e o H+ son regulados nos riles e o dióxido de carbono é regulado nos pulmóns, ambas as accións nos riles e pulmóns son importantes para manter a estabilidade do pH sanguíneo. Polo tanto, a anhidrase carbónica axuda á secreción de H+ no lume do túbulo renal e a reabsorción de HCO3- nos riles. Ademais, contribúe ao transporte de dióxido de carbono desde o tecido pulmonar aos alvéolos pulmonares no capilar pulmonar, onde o dióxido de carbono será excretado durante a exhalación.

 Reacción 
miniatura|Esquema do mecanismo de reacción cíclica catalizada pola anhidrase carbónica II.|288x288px
miniatura|Esta imaxe mostra os ligandos e o estilo do peto da anhidrase cabónica.

A reacción que mosra a catalización da anhidrase carbónica nos nosos tecidos é
 CO2 + H2O ⟶  ⟶ H+ + 

A catalización realizada pola anhidrase carbónica nos pulmóns é
 H+ +  ⟶  ⟶ CO2 + H2O

A razón de que estas reaccións teñan direccións opostas nos pulmón e noutros tecidos é que hai neles diferentes pHs. Sen o catalizador anhidrase carbónica, a reacción é moi lenta; porén, co catalizador a reacción é 107 veces máis rápida.

A reacción catalizada pola anhidrase carbónica é

  + H+ ⇌ CO2 + H2O

O ácido carbónico ten un pKa de arredor de 6,36 (o valor exacto depende do medio), así que a pH 7 unha pequena porcentaxe de bicarbonato está protonado.

A anhidrase carbónica é un dos encimas máis rápidos, e a súa velocidade está limitada pola velocidade de difusión dos seus substratos. Velocidades catalíticas típicas de diferentes formas deste encima están entre 104 e 106 reaccións por segundo.

A reacción inversa non catalizada é relativamente lenta (cinética no rango de 15 segundos). A isto débese que unha bebida carbonatada non se desgasifica instantaneamente cando abrimos o seu contedor; porén, desgasifícase rapidamente na boca cando se pon en contacto coa anhidrase carbónica da saliva.

Unha anhidrase defínese como un encima que cataliza a eliminación dunha molécula de auga do seu substrato, e esta é a reacción "inversa" que lle dá á anhidrase carbónica o seu nome, porque retira unha molécula de auga do ácido carbónico.

Nos pulmóns a anhidrase carbónica converte o bicarbonato en dióxido de carbono, doado de exhalar.

 Transporte de CO2 
miniatura|O sitio activo do encima CA-II (código PD: 1CA2) onde O = vermello, N = azul, Zn = gris e C = verde
O dióxido de carbono producido pola anhidrase carbónica ou outros procesos é transportado no sangue de tres formas:
 Disolto como gas no plasma: 7-10 %
 Unido á hemoglobina como carbaminohemoglobina nos glóbulos vermellos: 20 %
 Presente como ión bicarbonato no plasma e transportado como bicarbonato: 70 %

 Mecanismo 
miniatura|Detalle do sitio activo da ahnidrase carbónica II humana, mostrando os seus residuos de histidina e un grupo hidróxido coordinando (liñas descontinuas) o ión cinc no centro. De .
miniatura|O encima CA-II (PDB code: 1CA2) mostrando as estruturas secundarias e o peto hidrófobo (lado dereito do Zn2+) formado por unha folla beta (azul) e as cadeas laterais de dúas valinas e un triptófano.
Un grupo prostético cinc presente no encimas está coordinado en tres posicións polas cadeas laterais da histidina. A cuarta posición de coordinación está ocupada por unha molécula de auga. Unha cuarta histidina está próxima ao ligando auga, facilitando a formación do centro Zn-OH, que se une ao CO2 para dar un bicarbonato de cinc. O constructo é un exemplo catálise ácido-base xeral (ver catálise ácida). O sitio activo tamén presenta un peto adecuado para o dióxido de carbono, que o sitúa próximo ao grupo hidróxido. Os estudos cinéticos realizados determinan o seguinte mecanismo para o encima: Nos pasos 1 e 2, o nucleófilo O− do ión hidróxido coordinado co Zn2+ realiza un ataque nucleofílico sobre o carbono parcialmente electrófilo da molécula de CO2. Aquí, o Zn2+ actúa como un ácido de Lewis que rebaixa o pKa do ligando OH2 coordinado de ~7-8 a 6,8 como Td, o cal impulsa a desprotonación da auga a un ión hidróxido e un protón libre que é neutralizado polo tampón que o rodea. No paso 3, ocorre unha transferencia dun protón (H+) desde o OH−1 ao O− non coordinado do CO3−2 coordinado co átomo de Zn+2 do sitio activo. Seguidamente, libérase un ión bicarbonato e o sitio catalítico é rexenerado por medio da unión doutra molécula de auga intercambiada co ión bicarbonato. No paso 4, o ligando auga coordinado é desprotonado facilitado polo Zn+2 para xerar outro ión hidróxido para empezar o ciclo outra vez.

 Familias 
miniatura|Diagrama de fitas da anhidrase carbónica II humana. O ión zinc do sitio activo é visible no centro. De .

Polo menos recoñécense cinco familias de CA: α, β, γ, δ e ζ, pero informouse de máis. Estas familias non teñen unha similitude de secuencias significativa pero si un centro activo similar e considéranse un exemplo de evolución converxente. A α-CAs atópanse en humanos.

 α-CA 

Os eucariotas, incluíndo vertebrados, algas, plantas e fungos, así como algunhas bacterias conteñen esta familia de anhidrases carbónicas (CAs).

Os encimas CA atopados en mamíferos agrúpanse en varias clases de xenes homólogos:
 CAs citosólicas (CA-I, CA-II, CA-III, CA-VII e CA-XIII) (, , , , )
 CAs mitocondriais (CA-VA e CA-VB) (, )
 CAs segregadas (CA-VI) ()
 CAs asociadas a membranas (CA-IV, CA-IX, CA-XII, CA-XIV e CA-XV) (, , , )

Hai tres isoformas adicionais de anhidrase carbónica humana "acatalítica" (CA-VIII, CA-X, e CA-XI) (, , ), cuxas funcións non están claras.

+ Comparación das anhidrases carbónicas de mamíferos Isoforma Xene MasamolecularA non ser que se especifique outra cousa:  Páxina 638 (kDa) Localización Actividade específica de encimashumanos, (s−1) Sensibilidade ássulfonamidas, KI (nM) Célula Tecido CA-I    29  citosol  eritrocito e tracto GI  2,0 × 105  250 CA-II    29  citosol  case ubicua  1,4 × 106  12 CA-III    29  citosol  8 % de proteína soluble no músculo de tipo I  1,3 × 104  240000 CA-IV    35  extracelular e unida a GPI  tracto GI, ril, endotelio  1,1 × 106  74 CA-VA    34.7 (predita)  mitocondrias  fígado  2,9 × 105  63 CA-VB     36.4 (predita)  mitocondrias  amplamente distribuída  9,5 × 105  54 CA-VI    39–42  secretoria  saliva e leite  3,4 × 105  11 CA-VII    29  citosol  amplamente distribuída  9,5 × 105  2,5 CA-IX    54, 58  asociada á membrana plasmática  tracto GI normal, varios cancros  3,8 × 105  16 CA-XII    44  sitio activo localizado extracelularmente  ril, certos cancros  4,2 × 105  5,7 CA-XIII   29  citosol  amplamente distribuída  1,5 × 105  16 CA-XIV    54  sitio activo localizado extracelularmente  ril, corazón, músculo esquelético, cerebro  3,1 × 105  41 CA-XV   34–36  extracelular e ligado a GPI  ril, non se expresa en tecidos humanos  4,7 × 105  72

 β-CA 
A maioría das CAs dos procariotas e cloroplastos de plantas pertencen á familia beta.
Identificáronse dous padróns sinatura para esta familia:
 C-[SA]-D-S-R-[LIVM]-x-[AP]
 [EQ]-[YF]-A-[LIVM]-x(2)-[LIVM]-x(4)-[LIVMF](3)-x-G-H-x(2)-C-G

 γ-CA 
A clase gamma de CAs procede de metanóxenos, arqueas produtoras de metano que viven en fonte termais.

 δ-CA 
A clase delta de CAs foi descrita nas diatomeas. Porén, a distinción desta clase de CA foi posta en cuestión recentemente.

 ζ-CA 
A clase zeta de CAs aparece exclusivamente en bacterias nuns poucos quimiolitótrofos e cianobacterias mariñas que conteñen carboxisomas co agrupamento de xenes cso. Análises tridimensionais recentes suxiren que a ζ-CA ten algunhas semellanzas estruturais coa β-CA, particularmente preto do sitio do ión metálico. Así, as dúas formas poden estar distantemente relacionadas, mesmo se a secuencia de aminoácidos subxacente diverxeu desde entón considerablemente.

 η-CA 
A familia eta de CAs atopouse recentemente en organismos do xénero Plasmodium. Son un grupo de encimas que previamente se pensaba que pertencían á familia alfa das CAs: porén, demostrouse que as η-CAs teñen características únicas, como o seu padrón de coordinación de ións metálicos.

 ι-CA 
A clase iota é a máis recente das descritas. Descubriuse na diatomea mariña Thalassiosira pseudonana, e está moi estendida entre o fitoplancto mariño. En diatomeas, a ι-CA é esencial para os mecanismos de concentración de CO2 e, a diferenza doutras clases de CAs, pode usar o manganeso en lugar do cinc como cofactor metálico. Tamén se confirmou a presena de homólogos da ι-CA en bacterias gramnegativas, nas cales pode ser unha proteína homodímera.

 Anhidrase carbónica que contén cadmio 

As diatomeas mariñas expresan unha nova forma da anhidrase carbónica ζ. T. weissflogii é unha especie de diatomea do fitoplancto común en moitos ecosistemas mariños, que contén unha anhidrase carbónica que pode ter tanto ión cadmio coma ión cinc. Previamente, críase que o cadmio era un metal tóxico sen ningunha función biolóxica coñecida. Porén, esta especie de fitoplancto parece que se adaptou aos baixos niveis de cinc do océano usando o cadmio cando non hai suficiente cinc.{{cite journal |vauthors=Lane TW, Saito MA, George GN, Pickering IJ, Prince RC, Morel FM |title=Biochemistry: a cadmium enzyme from a marine diatom |journal=Nature |volume=435 |issue=7038 |pages=42 |date=maio de 2005 |pmid=15875011 |doi=10.1038/435042a |bibcode=2005Natur.435...42L } Aínda que a concentración de cadmio na auga de mar é tamén baixa (aproxmadamente 1x10−16 molar), existe unha vantaxe ambiental en poder usar ambos os metais dependendo de cal está mais dispoñible en cada momento. Este tipo de anhidrase carbónica é, polo tanto, cambialista, o que significa que pode intercambiar o metal no seu sitio activo por outro metal (neste caso, cinc e cadmio).

 Semellanzas con outras anhidrases carbónicas 

O mecanismo da anhidrase carbónica de cadmio (CDCA) é esencialmene o mesmo que o doutras anhidrases carbónicas na súa conversión do dióxido de carbono e auga en bicarbonato e un protón. Ademais, igual que as outras anhidrases carbónicas, a CDCA fai que a reacción vaia case tan rápido coma a velocidade de difusión dos seus substratos, e pode ser inhibida pola sulfonamida e derivados do sulfamato.

 Diferenzas con outras anhidrases carbónicas 

A diferenza doutras anhidrases carbónicas, o ión metálico do sitio activo non está unido a tres residuos de histidina e un ión hidróxido, senón que está unido a dous residuos de cisteína, un residuo de histidina e un ión hidróxido, o cal é característico de todas as β-CA. Debido a que o cadmio funciona como un ácido brando, estará máis estreitamente unido a ligandos de base branda. Os átomos de xofre nos residuos de cisteína son bases brandas, que entón se unen ao cadmio máis fortemente do que o faría o nitróxeno dos residuos de histidina. A CDCA ten tamén unha estrutura de pregamento tridimensional que é diferente á doutras anihidrases carbónicas, e a súa secuencia de aminoácidos non é semellante á doutras anhidrases carbónicas. É un monómero con tres dominios, cada un deles idéntico en secuencia de aminoácidos e cada un cun sitio activo cun ión metálico.

Outra diferenza clave entre a CDCA e outras anhidrases carbónicas é que ten un mecanismo para cambiar o seu ión cadmio por unión cinc no caso de que o cinc sexa máis dispoñible para o fitoplancto. O sitio activo da CDCA ten unha especie de "porta" formada por unha cadea de nove aminoácidos con residuos de glicina nas posicións 1 e 9. Normalmente, esta porta ou cancela permanece pechada e o ión cadmio está atrapada dentro. Porén, debido á flexibilidade e posición dos residuos de glicina, esta porta pode abrirse para que saia o ión cadmio. Entón pode poñerse no seu lugar un ión cinc e a porta péchase tras el. Como o cinc funciona como un ácido a medio camiño entre duro e brando, non se unirá tan fortemente aos ligandos de cisteína como o cadmio, pero o encima aínda seguirá sendo activo e razoablemente eficiente. O metal do sitio activo pode, pois, cambiar entre o cinc e o cadmio dependendo de cal sexa máis abundante nese momento. A capacidade da CDCA de utilizar ambos os ións dálle unha vantaxe de supervivencia a T. weissflogii.

 Transporte de cadmio 

O cadmio aínda se considera letal para o fitoplancto se está en grandes cantidades. Os estudos realizados mostraron que T. weissflogii ten unha resposta tóxica inicial ao cadmio cando se expón a el. A toxicidade do metal é reducida pola transcrición e a tradución de fitoquelatinas, que son proteínas que se unen e transportan cadmio. Unha vez que o cadmio se une á fitoquelatina, xa deixa de ser tóxico, e pode transportarse sen perigo ata o encima CDCA. Tamén se observou que a captación de cadmio pola fitoquelatina leva a un significativo incremento da expresión de CDCA.

 Proteínas similares á CDCA 
Comprobouse se outras especies do fitoplancton de diferentes fontes de auga tiñan tamén CDCA. Atopouse que moitas delas contiñan proteínas que son homólogas á CDCA atopada en T. weissflogii. Entre elas están especies de Great Bay, Nova Jersey e outras do océano Pacífico preto do ecuador. En todas as especies testadas, as proteínas similares á CDCA mostraron altos niveis de expresión incluso en altas concentracións de cinc e en ausencia de cadmio. A semellanza entre estas proteínas e a CDCA expresada por T. weissflogii variaba, pero sempre era polo menos un 67 % similar.

 Captura e secuestro de carbono 
A anhidrase carbónica podería ser relevante para a captura de carbono. Algunhas anhidrases carbónicas poden soportar temperaturas de ata 107 °C e unha extrema alcalinidade (pH > 10). Nunha experiencia piloto coa CA máis estable nun fluxo de combustión que consistía nunha composición de CO2 do 12–13 % molar tiña unha taxa de captura do 63,6 % nun período de 60 horas sen efectos perceptibles no rendemento do encima. A CA foi situada nunha solución de N-metildietanolamina (MDEA) na cal facía incrementar a diferenza de concentración (forza motriz) de CO2 entre o fluxo de combustión da central enerxética e a fase líquida nun contactor de líquido-gas.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Inhibidor da anhidrase carbónica

 Bibliografía 



 Ligazóns externas 


Categoría:Liases