A szénsav-anhidráz egy enzim, amely a vörösvértestekben, a hasnyálmirigy-sejtekben, a gyomornyálkahártyában és a vese tubulusaiban található meg. Fő feladata a szénsav (H2CO3) és a szén-dioxid (CO2) közötti interkonverzió katalizálása. Ez az enzim alapvető szerepet játszik a légzésben a CO2 vérben történő szállításának befolyásolásával. Emellett a gyomor sósav képződésében is részt vesz. A szénsav-anhidráz enzim segít fenntartani a sav-bázis homeosztázist, a folyadékegyensúlyt és szabályozza a pH-t. Helyétől függően az enzim szerepe kissé eltér. Például a gyomornyálkahártyában a szénsav-anhidráz savat termel.
Az enzim felépítése és funkciója
A szénsav-anhidráznak számos formája létezik a természetben. A legjobban tanulmányozott, állatokban is jelen lévő α-szénsav-anhidráz formában a cinkiont három hisztidin-maradék, a His94, His96 és His119 imidazolgyűrűi koordinálják. Az állatokban az enzim fő funkciója a bikarbonát és a szén-dioxid átalakítása a vér és más szövetek sav-bázis egyensúlyának fenntartása, valamint a szén-dioxid szövetekből történő eltávolításának segítése.
Az emlősökben legalább 14 különböző izoenzim létezik. Ugyanakkor a növényekben egy másik forma, a β-szénsav-anhidráz található, amely evolúciós szempontból különálló enzim. Azonban hasonló reakcióban vesz részt, és aktív helyén szintén cinkiont használ. A növényekben található szénsav-anhidráz segít növelni a RuBisCO enzim karboxilezési sebességét azáltal, hogy növeli a CO2 koncentrációját a kloroplasztison belül. Ez a reakció a fotoszintézis során a CO2-t szerves széncukrokba integrálja, és csak a szén-dioxid formájú szenet tudja felhasználni, a szénsavat vagy a bikarbonátot nem.
A szénsav-anhidráz a bioanorganikus kémia szempontjából alapvető fontosságú, mivel a CO2 hidratációja és mechanizmusa a biológiai rendszerekben elengedhetetlen. 1932-ben igazolták, hogy a vörösvértestekben létezik egy enzim, amely katalizálja a CO2 hidratációját, és ezt az enzimet szénsav-anhidráznak (rövidítve CA) nevezték el. 1939-ben felismerték, hogy az enzim cinket (Zn) tartalmaz.
A CO2 a fotoszintézis kiindulópontja, vagy a szubsztrát oxidációjának végpontja, ezért a szénsav-anhidrázokról ma már tudjuk, hogy mindenütt jelen vannak, állatokban, növényekben, baktériumokban és gombákban egyaránt előfordulnak. Különböző forrásokból származó, azonos reakciót katalizáló és általában homológ szerkezetű enzimeket izoenzimeknek nevezünk. Eddig összesen 7 különböző CA osztályt azonosítottak az organizmusok alapján: alfa, béta, gamma, delta, zeta, éta és théta. Minden osztály több izoenzimet is tartalmazhat. Néha ugyanaz az organizmus több izoenzimmel is rendelkezik egy adott funkcióra, mint például az emberi szénsav-anhidráz esetében. Az emberekben 15 olyan CA található, amelyek az alfa osztályba tartoznak; ezek az izoenzimek eltérnek a testben való elhelyezkedésükben és katalitikus aktivitásukban.
A CA a hidrolitikus enzimek klasszikus példája, amely katalizálja a víz hozzáadását vagy eltávolítását egy szubsztrát molekulából. Bár a CO2 hidratációja spontán módon történik vízben pH 7-en, a reakció kinetikailag lassú (k = 10-1 s-1), túl lassú ahhoz, hogy a légzés során termelődő összes CO2-t átalakítsa. Csak pH 9 felett válik az katalizálatlan reakció gyorssá, az OH- közvetlen támadásának köszönhetően, amely sokkal jobb nukleofil, mint a H2O (k = 104 M-1 s-1, ahol az M-1 az OH- koncentrációra utal). A HCO3- képződés gyorsabb, ha az OH- a nukleofil. Magasabb pH-n, amikor több OH- ion van jelen, gyorsabb reakció utal arra, hogy az OH- részt vesz a sebességmeghatározó lépésben. Azonban reálisan az emberi vér pH-ja nem változtatható meg a CO2 hidratációjának felgyorsítása érdekében. Ehelyett az emberek a szénsav-anhidrázt használják a reakció katalizálására. A CA elterjedtsége a különböző organizmusokban tükrözi ezen enzimek fontosságát az élet fenntartásában. A CA-katalizált CO2 hidratációjának sebessége alapvető fontosságú az élő sejtek igényeinek kielégítésére. Néhány fiziológiai CA funkció magában foglalja a pH szabályozását, az elektrolit szekréciót, az iontranszportot és a CO2 homeosztázist. Az emésztőrendszerben a CA-k szerepet játszanak a sav szekréciójában és a nyál semleges pH-jának fenntartásában a pH modulálásával.
Ezen funkciók közül a CA leginkább a CO2 és HCO3- szállításában játszik szerepet a légzéssel kapcsolatban, azaz az atmoszférikus oxigén és szén-dioxid cseréjének folyamatában, amely akkor megy végbe, amikor az ember belélegzi az oxigént és kilélegzi a szén-dioxidot. Alacsony oldhatósága miatt a CO2-t egy oldhatóbb formává, HCO3--sá kell alakítani, hogy az egész testben szállítható legyen. A CA-val kapcsolatos orvosi kutatások a Zn-tartalmú aktív helyre összpontosítanak, mint terápiás célpontra különböző betegségek kezelésében; mind a CA gátlókat, mind az aktivátorokat beépítik a gyógyszertervezésbe. A CA gátlókat epilepszia, fekélyek, rák, elhízás és más neurológiai rendellenességek kezelésére használják. A szemben a CA hidrogénionokat termel, amelyek fenntartják az optikai nyomást. Azonban a túl nagy nyomás a szemben károsíthatja a látóideget és glaukómát okozhat. A CA aktivitás koncentrációgrádienset hozhat létre, amely a víz szállítását vezérli a látóideghez. Ha túl sok víz van a látóideg körül, a nyomás megnő a ideg körül, ami károsodást okoz. A gyógyszerészeti alkalmazásokon túl a CA-t szén-dioxid megkötési és szén-érzékelő alkalmazásokban is vizsgálták. A szén-dioxid megkötés és tárolás úgy történik, hogy a CA-k a CO2-t bikarbonáttá alakítják. A kalciumionok (Ca2+) jelenlétében megnövekedett bikarbonát elérhetőség kalcit (CaCO3) kiválását okozza. A CA Zn-tartalmú aktív helyének szerkezetére és funkciójára vonatkozó részleteket több mint 80 év kutatása derítette fel.
A szénsav-anhidráz katalitikus reakciója
A következő reakció mutatja be a szénsav-anhidráz katalízisét a szövetekben:CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO-3
A szénsav-anhidráz katalízise a tüdőben a következőképpen ábrázolható:H+ + HCO-3 → H2CO3 → CO2 + H2O
A reakció ellentétes irányba történik a tüdőben és a szövetekben, mivel azokban eltérő pH-szintek találhatók. A szénsav-anhidráz katalizátor nélkül azonban ez a reakció sokkal lassabb; a katalizátorral a reakció 107-szer gyorsabb.
A szénsav-anhidráz által katalizált reakció:HCO-3 + H+ ⇋ CO2 + H2O
Mivel a szénsav pKa értéke akár 6,36 (a közegtől függően), a bikarbonát kisebb százaléka protonálódhat pH 7-en.A szénsav-anhidráz a leggyorsabb enzim, és sebességét általában szubsztrátjainak diffúziós sebessége korlátozza. Az enzim különböző formáinak tipikus katalitikus sebessége 104 -106 reakció másodpercenként.
Az uncatalizált fordított reakcióról azt mondják, hogy viszonylag lassú (kinetikai szempontból 15 másodperc nagyságrendű). Ez az oka annak, hogy egy szénsavas ital nem azonnal degázálódik a tartály felnyitásakor, amikor érintkezésbe kerül a nyálban található szénsav-anhidrázzal, azonban gyorsan degázálódik a szájban.
Az anhidráz olyan enzimként definiálható, amely katalizálja a vízmolekula eltávolítását egy vegyületből, és így a "fordított" reakció adja a szénsav-anhidráz nevét, mert vizet távolít el a szénsavból.A tüdőben lévő szénsav-anhidráz a bikarbonátot szén-dioxiddá alakítja, ami ideális a kilégzéshez.
Működési mechanizmus
Az enzimben található cink prosztetikus csoportot 3 pozícióban hisztidin oldalláncok koordinálják. A 4. koordinációs pozíciót a víz foglalja el. Egy 4. hisztidin közel van a víz ligandumhoz, megkönnyítve a Zn-OH centrum képződését, amely CO2-t köt, hogy cink-bikarbonátot termeljen. A szerkezet egy általános sav katalízis példája, amely egy általános bázis katalízis is. Ezenkívül az aktív hely egy zsebbel rendelkezik, amely alkalmas a szén-dioxid számára, közelebb hozva azt egy hidroxilcsoporthoz. Ez egy szénsav-anhidráz enzim a vörösvértestekben.
Az emberi szénsav-anhidráz II aktív helye az alábbi ábrán látható, ahol három hisztidin-maradék és egy hidroxilcsoport koordinálja (szaggatott vonalak) a középen lévő cinkiont.
A Zn a katalitikus helyen van, az aktivitás elveszik, ha a fémet eltávolítják, és cink felvételével helyreáll. A szénsav-anhidráz harmadlagos szerkezete cink hiányában is fennmarad; még a denaturált apoprotein is spontán módon képes visszaalakulni random tekerődésből natívhoz hasonló konformációba. Az anionokat a fém üreg vonzza a pozitív Zn(N3OH2)2+ csoporttal, és úgy vélik, hogy nagyon hatékonyan kötődnek a cinkhez a szénsav-anhidrázban; ezért használatukat a lehető legnagyobb mértékben kerülni kell, ha az enzim tanulmányozása a cél. Amikor a fehérjét frissen kétszer desztillált vagy gondosan deionizált vízzel dializálják inert atmoszféra alatt, a minta pH-ja megközelíti az izoelektromos pontot, amely HCA I és szarvasmarha (BCA II) enzimek esetében 6 alatt van. A pH ezután megfelelő NaOH adagolással beállítható. Az irodalomban jelentett összes, acetát-, foszfát-, imidazol- vagy trisz-szulfát pufferben végzett mérésre az anion és a fémion közötti interferencia hatással van. Számos jel utal arra, hogy a cink a CA magas pH-jú formájában négykoordinált, egy OH csoporttal a negyedik koordinációs helyen. Alacsony pH-n az enzim koordinált vizet tartalmazó formában létezik; a koordinációs szám lehet négy (egy vízmolekula) vagy öt (két vízmolekula).
A mechanizmus magában foglalja a cinkhez kötött OH- támadását egy CO2 molekulára, amely lazán kötődik egy hidrofób zsebben. Az így keletkező cink-koordinált HCO3- iont H2O váltja ki a fémionból.
Kadmiumot tartalmazó szénsav-anhidráz
Tengeri diatómákban megtalálták a ζ szénsav-anhidráz új formáját. Mivel a kadmium koncentrációja a tengervízben alacsony (akár 1x10-16 moláris), környezeti előnye van annak, hogy bármilyen fémet felhasználhatunk, attól függően, hogy éppen mennyi áll rendelkezésre. A szénsav-anhidráz (CA; karbonát-hidro-liáz, EC 4.2.1.1) egy cinktartalmú enzim, amely katalizálja a szén-dioxid reverzibilis hidratációját: CO2 + H2O <--> HCO3(-) + H+. Az enzim a gyógyszerek, például az acetazolamid, metazolamid és diklorfenamid célpontja a glaukóma kezelésére. Három evolúciósan nem rokon CA család létezik, az alfa, béta és gamma jelzésűek. Az állatvilágból ismert összes CA alfa típusú. Hét emlős CA izoenzim létezik különböző szöveti eloszlással és intracelluláris elhelyezkedéssel, CA I-VII. Meghatározták az emberi CA I és II, a szarvasmarha CA III és az egér CA V kristályszerkezetét. Mindegyikük azonos harmadlagos szerkezettel rendelkezik, amelynek domináns másodlagos szerkezeti eleme egy centrális 10 szálas béta-lemez. A cinkion egy kúpos üregben található, és három hisztidil-maradékhoz és egy oldószermolekulához koordinálódik. Az inhibitorok a fémcentrumhoz vagy annak közelében kötődnek egy hidrogénkötéses rendszer által vezetve, amely Glu-106-ot és Thr-199-et tartalmaz. A CA II katalitikus mechanizmusát különösen részletesen tanulmányozták.
A szénsav-anhidrázok konvergens evolúciója
A CA-k konvergens evolúciójával kapcsolatosan az alábbi kulcsfontosságú pontok említhetők meg. Úgy tűnik, hogy a három fő életdomén divergenciájának idejéből erednek.
Az enzim kutatása és jelentősége
A szén-dioxid (CO2) hidratációja és mechanizmusa az élő rendszerekben alapvető fontosságú a bioanorganikus kémia számára. 1932-ben igazolták, hogy a vörösvértestekben létezik egy enzim, amely katalizálja a CO2 hidratációját. Az enzimet szénsav-anhidráznak (CA) nevezték el. 1939-ben felismerték, hogy az enzim cinket (Zn) tartalmaz.
Az uncatalizált reakció fiziológiai pH körül kinetikailag lassú (k ≈ 10-1 s-1), míg a leghatékonyabb CA izoenzim jelenlétében a maximális CO2 turnover szám (azaz az enzim minden molekulája által egységnyi idő alatt átalakított szubsztrátmolekulák száma) ≈ 106 s-1. In vitro a szénsav-anhidráz meglehetősen sokoldalú, számos OH- és H+ részvételével járó reakciót katalizál, mint például az észterek hidrolízisét és az aldehidek hidratációját.
A különböző izoenzimeket különböző fokú kifinomultsággal jellemezték. A nagy aktivitású formákat II-esnek jelölik (kcat ≈ 106 s-1 25 °C-on); az alacsony aktivitású formákat I-esnek (kcat ≈ 105 s-1), a nagyon alacsony aktivitású formákat pedig III-asnak (kcat ≈ 103 s-1). Nominális 2 Å felbontású röntgenkristályos szerkezeti információk állnak rendelkezésre a HCA I-ről és a HCA II-ről, ahol a H emberi eredetűre utal. A HCA II szerkezetét nemrégiben finomították. Mutánsok, valamint szubsztrát- és inhibitor-származékaik nagy felbontású szerkezeteit is jelentik.
Minden izoenzim egyetlen láncból álló polipeptid, molekulatömege körülbelül 30 kDa, és molekulánként egy cinkiont tartalmaz. Rögbi labda alakúak, déli pólusukon egy 16 Å mély rés fut végig. A rés alján a cinkiont három hisztidin-nitrogénatom rögzíti a fehérjéhez, és az oldószernek van kitéve. Két hisztidin (His-94 és His-96, HCA I számozás) a Nε2 atomjaikon keresztül kötődik a cinkhez, míg az egyik (His-119) a Nδ1 atomján keresztül (2.4. ábra). Elég általános, hogy a hisztidinek egyformán jól kötődnek a cinkhez a két hisztidin-nitrogén bármelyikén keresztül, a preferenciát valószínűleg a fehérjehajtogatás által támasztott sztérikus korlátok diktálják. Mindhárom hisztidin NH protonja H-kötésben vesz részt. A Hisztidin-119 egy glutamát-maradékkal van H-kötésben. Ahogy említettük, ez lehet a fém ligandumok bázicitásának szabályozásának egyik módja. Egy cinkhez kötött oldószermolekula H-kötésben vesz részt a Thr-199-cel, amely viszont H-kötésben van a Glu-106-tal. Ez a H-kötéses hálózat fontos a pH változásai által bekövetkező finom szerkezeti változások megértéséhez; ezek elvileg magyarázhatják a pH-függő tulajdonságokat.
tags: #carbonic #anhydrase #enzim #osszetetele