α-karboanhydrázy

Α-karboanhydrázy
Páskový model CA2, zinek uprostřed, podle PDB  1MOO
Stávající strukturální data : 1azm , 2cab
Kofaktor	zinek
Identifikátor
Rodové jméno (jména)	CA1 , CA2 , CA3 , CA4 , CA5A , CA5B , CA6 , CA7 , CA9 , CA12 , CA13 , CA14
Klasifikace enzymů
ES, kategorie	4.2.1.1 ,  lyáza
Typ odpovědi	(De) hydratace
Podklad	Oxid uhličitý + voda
produkty	Hydrogenuhličitan + vodíkový ion

Tyto a-uhličité anhydrases (zkratka α-CA ), jsou enzymy , které katalyzují na hydrataci a oxidu uhličitého (CO ₂ ) do kyseliny uhličité (H ₂ CO ₃ ) a naopak . Vyskytují se ve zvířatech , rostlinách , bakteriích a zelených řasách . Oxid uhličitý lze v těle snáze transportovat ve formě hydrogenuhličitanu , takže reverzibilní přeměna má smysl. Kromě toho je hodnota pH v krevní plazmě je ovlivněna reakcía žaludeční kyselina je regulovaná. U zvířat je známo jedenáct paralogních izoforem enzymu a čtyři další bez enzymové aktivity .

Jedenáct izoforem se dělí na:

• cytosolický ( CA-I , CA-II , CA-III , CA-VII , CA-XIII )
• mitochondriální ( CA-VA , CA-VB )
• vylučovaný ( CA-VI )
• asociované s membránou ( CA-IV , CA-IX , CA-XII , CA-XIV )

Enzym objevily přibližně ve stejné době v roce 1932 William Christopher Stadie (1886-1959) a Helen O'Brien ve Spojených státech a Norman Urquhart Meldrum (1907-1933) a Francis John Worsley Roughton (1899-1972) ve Velké Británii.

Katalyzovaná rovnováha

Oxid uhličitý je hydratován na kyselinu uhličitou a naopak. Kyselina uhličitá se ve vodných roztocích disociuje na hydrogenuhličitan a proton:

${\ displaystyle {\ ce {CO2 + H2O <=> HCO3- + H +}}}$

Karboanhydrázy je enzym, který katalyzuje velmi rychle: může hydratovat až 10 ⁶ molekul oxidu uhličitého za sekundu a urychluje reakci 10 ⁷ -krát. Jejich hodnota k _kočky je 1 000 000 za sekundu. Michaelisova konstanta K _m je v tomto případě 0,012 M .

Pro zpětnou reakci je hodnota k _cat = 400 000 za sekundu a K _m = 0,026 M.

konstrukce

CA byla objevena jako první enzym, který ve svém aktivním centru vyžaduje kov jako kofaktor . Protein obsahuje zinkový iont jako kofaktor , který určuje skutečnou katalytickou aktivitu enzymu. To je vázán ke třem imidazolových zbytků v aminokyselinové histidin . Čtvrtý koordinace pozemek je z hydroxokomplexy - ligand obsazené.

Ve vzácných případech je kadmium vázáno jako kofaktor v aktivním centru enzymu (např. V Thalassioria weissflogii ).

Funkce v organismu

dýchání

Při dýchání , oxid uhličitý (CO ₂ ) je produkován jako metabolický konečný produkt. Oxid uhličitý se uvolňuje do krve a musí být transportován do plic (ve složitých organismech). Ve vodných roztocích, jako je. B. v krvi nebo v cytoplazmě , nicméně, CO ₂ reaguje s vodou za vzniku hydrogenuhličitanu. Ačkoli tyto reakce probíhají spontánně i bez katalyzátoru, karboanhydrázy se nacházejí téměř ve všech organismech. To, zda je CO ₂ absorbován nebo uvolněn, závisí na hodnotě pH buněčné plazmy. Ve zvířecím organismu se CA nachází v erytrocytech (červených krvinkách), kde se podílí na transportu oxidu uhličitého. Oxid uhličitý difunduje v kapilárách do erytrocytů, kde se s vodou převádí na kyselinu uhličitou a nakonec reaguje na hydrogenuhličitanové ionty a protony. Hydrogenuhličitan se vyměňuje za chlorid z plazmy v takzvané hamburgerové směně, aby se zachovala elektrická neutralita.

oko

V ciliárního tělesa v oku , karbonátdehydratázy CA_IV je klíčový enzym pro výrobu komorové vody . Nadměrná produkce nebo zhoršený odtok komorové vody je považován za jeden z patogenetických základů glaukomu . Inhibice karboanhydrázy na bázi léků s aktivními složkami, jako je dorzolamid nebo acetazolamid, je proto dnes v terapii glaukomu osvědčenou možností. Mutace v genu CA4 mohou vést k formě retinitis pigmentosa (RP17).

Funkce ledvin

Mimo jiné, CA je rozhodující pro regulaci kyselina - báze bilance ze strany ledvinami . Pro toto nařízení je důležité, aby bylo asi 90 procent hydrogenuhličitanu filtrovaného v primární moči reabsorbováno. Jinak by se vyvinula acidóza . Bez CA by reabsorpce hydrogenuhličitanu z primární moči nefungovala. Mechanismus: Protony (H ⁺ ) se vylučují z proximálních tubulárních buněk ledvin z intracelulárních do extracelulárních (do lumenu renálních tubulů ) výměnou za Na ⁺ . Díky působení CA filtrovaný hydrogenuhličitan reaguje s protony za vzniku kyseliny uhličité , která se poté změní na vodu a oxid uhličitý. Na rozdíl od hydrogenuhličitanu může oxid uhličitý snadno procházet buněčnou membránou z tubulárního lumenu (primární moč) do tubulární buňky. Tam intracelulární CA katalyzuje reverzní reakci. Protony a hydrogenuhličitan se tvoří z oxidu uhličitého v tubulární buňce. Hydrogenuhličitan se uvolňuje z buňky do krve, proton je opět k dispozici pro stejnou reakci. Karboanhydrázu lze inhibovat léčivem acetazolamidem . Inhibice vede ke ztrátě hydrogenuhličitanu v moči, a tím k acidóze . To lze použít k léčbě metabolické alkalózy .

Žaludeční funkce

Je to klíčový enzym pro produkci žaludeční kyseliny. Karboanhydráza se nachází v parietálních buňkách žaludečního epitelu. Protony jsou transportovány do apikální membrány epiteliální buňky protonovou draselnou ATPázou (V-ATPáza) do lumen žaludku. V tomto procesu je draslík transportován do buňky výměnou. V buňce produkuje CA protony a hydrogenuhličitan z vody a oxidu uhličitého. Na bazolaterální membráně se poté z buňky přenese bikarbonát do systému krevních cév výměnou za chlorid. Chlorid dosáhne apikální membrány přes chloridový kanál do lumen žaludku a vytváří tam s protony žaludeční kyselinu.

V-ATPáza a karboanhydráza v parietálních buňkách žaludku jsou potlačeny inhibitory protonové pumpy. B. omeprazol nebo pantoprazol inhibovány.

slinivka břišní

V pankreatu se karboanhydráza používá k sekreci hydrogenuhličitanu.

Vedlejší účinky léků

Sulfonamidy , které se dnes používají jen zřídka , také inhibují karboanhydrázu.

rostliny

V rostlinách je pro fotosyntézu vyžadován oxid uhličitý a je absorbován průduchy listů. To se nakonec dostane do tylakoidů a během fotosyntézy se převede na glukózu . Rostliny s Crassulacean kyseliny metabolismu a C ₄ metabolismus potřeby uhličité anhydrases tak, že oxid uhličitý rozpuštěný v cytosolu je převeden rychleji do hydrogenuhličitanu (HCO ₃ ^- ). HCO ₃ ^- je používán jako substrát jiným enzymem a slouží jako první předběžná fixace oxidu uhličitého.

Více funkcí

U sladkovodních ryb umožňuje karboanhydráza resorpci solí ve specializovaných buňkách epitelu žábry a slouží tak k osmoregulaci .

Mechanismus reakce karboanhydrázy

• Molekula vody se může připojit k iontu zinku (II), který je koordinován se třemi centry donoru dusíku imidazolového kruhu tří histidinových aminokyselin. V důsledku koordinace se zinkovým iontem se snižuje hodnota pKa molekuly vody - tak daleko, že proton může být odštěpen i při fyziologické hodnotě pH v blízkosti karboanhydrázy (1) .

Negativní náboj zbývající na kyslíku je mezomerně stabilizovaný, protože může být přenesen na iont zinku (II).

• V dalším kroku (2) je molekula oxidu uhličitého uložena v aktivním středu enzymu takovým způsobem, že může reagovat s hydroxidovým iontem.
• Volné elektronové páry na kyslíku skupiny OH nukleofilně napadají molekulu oxidu uhličitého, takže vzniká hydrogenuhličitanový ion (3)
• Nakonec může být molekula vody navázána na aktivní centrum, takže se uvolní iont hydrogenuhličitanu (4) .

S touto regenerací aktivního centra může začít nový cyklus.

literatura

• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemistry. 5. vydání. Spectrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2003, ISBN 3-8274-1303-6 .

Individuální důkazy

1. ↑ Dokumentace PROSITE PDOC00146. Švýcarský institut pro bioinformatiku (SIB), přístupný v roce 2011 . 
2. ^ Interpro: karboanhydrázy
3. ^ Derek Lowe, Das Chemiebuch, Librero 2017, s. 288
4. ^ Reginald Garrett, Charles M. Grisham: Biochemie. (International Student Edition). 4. vydání. Cengage Learning Services, 2009, ISBN 978-0-495-11464-2 , s. 394.
5. ^ TW Lane, FM Morel: Biologická funkce pro kadmium v ​​mořských rozsivkách . In: Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 97, č. 9, duben 2000, str. 4627-4631. doi : 10,1073 / pnas.090091397 . PMID 10781068 . PMC 18283 (volný plný text).
6. ^ Norbert Pfeiffer: Glaukom. Thieme Verlag, Stuttgart 2001, str. 87-99.
7. ↑ I. Puscas, M. Coltau, M. Baican, G. Domuta: Omeprazol má dvojí mechanismus účinku: inhibuje jak H (+) K (+) ATPázu, tak enzym uhličité anhydrázy žaludeční sliznice u lidí (in vitro a in experimenty in vivo) . In: J. Pharmacol. Exp. Ther. . 290, č. 2, srpen 1999, str. 530-534. PMID 10411559 .

webové odkazy

• Jennifer McDowall / Interpro: Protein měsíce: karboanhydráza. (angl.)