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.]]

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 [estrutura secundaria|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.

### 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

### 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.

## 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. 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. 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. 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 
*