Kulsyreanhydrase

Bånddiagram af humant kulsyreanydrase II, med et zinkatom synligt i midten

Kulsyreanhydraserne (også kaldet carboanhydrase eller karbonatdehydratase, EC 4.2.1) danner en familie af enzymer, der katalyserer den hurtige omdannelse af kuldioxid til bikarbonat og protoner, en reaktion der forløber relativt langsomt uden katalysator. De fleste kulsyreanhydrasers aktive site indeholder en zinkion, hvormed de klassificeres som metalloenzymer.

Struktur og funktion

Flere former af kulsyreanhydrase forekommer i naturen. Det bedststuderede eksempel er α-kulsyreanhydrase, der er til stede i dyr og indeholder en zinkion koordineret af imidazolringene fra tre histidinrester, His94, His96 og His119.

Den primære funktion for enzymet i dyr er at omdanne kuldioxid og bikarbonat i henhold til at opretholde syre-base-balancen i blod og andre væv og muliggøre transporten af disse stoffer. heden for enzymet Der eksisterer 14 forskellige isoformer i pattedyr. Planter har en anden form kaldet β-kulsyreanhydrase, som, fra et evolutionært synspunkt, er et særskilt enzym, men deltager i samme reaktion og også bruger en zinkion i dets aktive site. I planter hjælper kulsyreanhydrase med at hæve koncentrationen af CO₂ i grønkornene for at forøge carboxyleringshastigheden for enzymet RuBisCO. Dette er den reaktion, der integrerer CO₂ i sukre under fotosyntese, og som kun kan bruge kulstof på CO₂-formen. β-kulsyreanhydrases zinkion koordineres i modsætning til α-kulsyreanhydrases af to cysteinrester og én histidinrest.

Mekanisme

Kulsyreanhydrase II's aktive site indeholdende tre histidinrester og en hydroxid-gruppe (rød og hvid), der koordinerer til zinkionen (lilla). Fra PDB 1CA2.

Mekanismen afviger lidt fra type til type, men involverer zink(II)ionen, der aktiverer et vandmolekyle ved at sænke pKa til omkring 7 (normalen er ca. 16), hvormed den let deprotoniseres og bliver en langt bedre nukleofil. Herefter kan hydroxidionen angribe kuldioxid og dermed hydrere molekylet, der i mellemtiden af enzymet er bragt i position tæt på det aktiverede vandmolekyle, således at kontakt imellem de to molekyler er muliggjort.

CA-familier

Bånddiagram af humant kulsyreanhydrase II. I det aktive site ses en zinkion.

Der er mindst fem særskilte CA-familier (CA fra det engelske Carbonic Anhydrase) kaldet α-, β-, γ-, δ- og ε-kulsyreanhydrase. Disse familier har ingen betydelig overensstemmelse i deres aminosyresekvenser og i de fleste tilfælde menes der at være tale om eksempler på konvergent evolution.

α-CA

CA-enzymerne fundet i pattedyr kan inddeles i fire brede undergrupper, som hver især består af flere isoformer:

• de cytosoliske CA'er (CA-I, CA-II, CA-III, CA-VII og CA XIII)
• mitokondrielle CA'er (CA-VA og CA-VB)
• sekrerede CA'er (CA-VI)
• membranassocierede CA'er (CA-IV, CA-IX, CA-XII, CA-XIV og CA-XV)

Derudover findes tre ikke-katalytiske CA-isoformer (CA-VIII, CA-X og CA-XI), hvis funktion forbliver uvis.

Sammenligning af humane kulsyreanhydraser

Isoform	Gen	Molmasse	Tilstedeværelse (celle)	Tilstedeværelse (væv)	Relativ aktivitet	Følsomhed over for sulfonamider
CA-I	CA1	29 kDa	cytosol	rødt blodlegeme og fordøjelsessystemet	15%	høj
CA-II	CA2	29 kDa	cytosol	stortset allestedsnærværende	100%	høj
CA-III	CA3	29 kDa	cytosol	8% af opløseligt protein i Type I muskel	1%	lav
CA-IV	CA4	35 kDa	ekstracellulært GPI-bundet	Bredt distribueret, fx syretransport	~100%	moderat
CA-VA	CA5A		mitokondrie
CA-VB	CA5B		mitokondrie	sekretceller
CA-VI	CA6
CA-VII	CA7		cytosol bredt distribueret i mange celler og væv
CA-IX	CA9		cellemembrane-associeret
CA-XII	CA12	44 kDa	ekstracellulært placeret aktivt site	visse cancerer	~30%
CA XIII	CA13		cytosol
CA-XIV	CA14	54 kDa	ekstracellulært placeret aktivt site	nyre, hjerte, skeletmuskulatur, hjerne
CA-XV

β-CA

De fleste prokaryoters og planters grønkorns CA'ere indgår i beta-familien. To signaturmønstre for denne familie er blevet identificeret:

• 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

Gamma-klassen af CA'ere kommer fra methan-producerende bakterier, der vokser i varme kilder.

δ-CA

Delta-klassen af CA'ere er blevet beskrevet i kiselalger. Særskillelsen af denne klasse af CA'ere er der dog for nylig blevet rejst tvivl om.

ε-CA

Epsilon-klassen af CA'ere forekommer udelukkende i bakterier i få kemolitotrofer og marine cyanobakterier, der indeholder cso-carboxysomer. Nyere 3-dimensionelle analyser foreslår, at ε-CA har en vis strukturel overensstemmelse med β-CA, i særdeleshed nær metalionsitet. Dermed kan de to former være i familie langt ude, selvom den underliggen aminosyresekvens siden har forændret sig meget i hver sin retning.

Eksterne henvisninger

• PDB Molecule of the Month pdb49_1 Arkiveret 11. oktober 2008 hos Wayback Machine