Lanhidrasa carbònica, en anglès:carbonic anhydrases o carbonate dehydratases, forma una família d'enzims que catalitzen la interconversió ràpida de diòxid de carboni, CO2, i aigua, H2O, a anions hidrogencarbonat, HCO3-, i cations oxoni, H3O+ (o vice-versa), una reacció reversible que, en absència d'un catalitzador, ocorre relativament lenta. Tenen activitat de liasa i en el lloc actiu de la majoria de les anhidrases carbòniques conté un ió zinc; per tant, es classifiquen com metal·loenzims. Descoberta l'any 1932, aquesta molècula va ser el primer enzim amb zinc a la seva zona activa descobert.
Estan associades a diversos teixits i regions de la cèl·lula, que en moltes ocasions mostren variabilitat de temperatura, pH o activitat metabòlica. Això va definir la importància de la catalització de les reaccions de CO₂ en diversos processos fisiològics.
Mecanisme molecular en humans Una de les funcions d'aquest enzim en els animals és interconvertir el diòxid de carboni i l'hidrogencarbonat per mantenir l'equilibri àcid-base a la sang i altres teixits orgànics, i ajudar el transport del diòxid de carboni fora dels teixits.
Sabem que és un procés reversible i gairebé simultani. L'objectiu general és el transport de CO2 des dels teixits perifèrics, en els quals es forma com a producte final de diverses reaccions metabòliques, fins als pulmons, on s'elimina formant part l'aire que s'expira. En aquest procés l'anhidrasa carbònica, que es troba present als eritròcits, intervé dos cops com a catalitzador. A nivell tissular, el CO2 format com a producte de les reaccions metabòliques passa a la sang, a l'interior de l'eritròcit, a causa que allà hi ha una concentració inferior d'aquesta molècula. Aleshores, l'anhidrasa carbònica catabolitza la reacció que converteix aquest CO2 en àcid carbònic, H2CO3, que donarà lloc posteriorment a la formació de bicarbonat, HCO3-, i d'un protó, H+.
El HCO3- format es difon al plasma sanguini i permet el transport de CO2 ja que està integrat dins seu. Per altra banda, el H+ format s'unirà a una molècula d'oxihemoglobina, HbO2, afavorint d'aquesta manera lalliberament als teixits perifèrics de l'oxigen, O2, que formava part de l'oxihemoglobina. Vegeu fig. 1 miniatura|Fig. 1: En aquesta imatge es mostra el procés que té lloc a la sang per alliberar O2|229x229px miniatura|Fig. 2: En aquesta imatge es mostra el procés que te lloc als pulmons per alliberar CO2 El procés consequent de l'alliberament de HCO3-al plasma sanguini té lloc a nivell de l'alvèol pulmonar. Com que la concentració de CO2 és menor a l'alveol, aquest serà transportat del lloc més concentrat almenys concentrat. En aquest punt intervé l'anhidrasa carbònica per segon cop, que catabolitza el pas de H2CO3 i H+ a la formació de CO2, que difon a l'espai alveolar i s'acaba expirant. (vegeu fig. 2)
Mecanisme d'acció de l'anhidrasa en la reacció Veiem com participa l'anhidrasa sobre la reacció explicada: el centre actiu de la majoria d'anhidrases carbòniques conté un ió de zinc (Zn) que es coordina amb la resta d'anells imidazol de la molècula. La quarta posició l'ocupa l'aigua, fet que causa una polarització de l'enllaç H-O-H. Posteriorment, l'aparició d'una quarta histidina prop del substrat d'H2O causa l'acceptació d'un protó provinent d'aquesta molècula d'aigua. Aquest fet deixa un hidròxid (OH-) enganxat al zinc, que serà l'encarregat d'atacar el CO2 i formar hidrogencarbonat (HCO3-).
El mecanisme d'acció de l'anhidrasa, de manera més simplificada, consta de dos passos:
L'hidroxil (OH-) unit a la molècula de zinc reacciona amb el carbonil del CO2 per formar una molècula d'HCO3- que queda unida al zinc. Posteriorment es produeix el procés de regeneració de l'enzim. L' H+ es transfereix per regenerar l'espècie catalítica activa, permetent que el zinc s'uneixi novament a l'OH- i es torni a la conformació original.
Reacció La reacció catalitzada per l'anhidrasa carbònica és: (en teixits biològics - alta CO₂)L'àcid carbònic té un pKa d'uns 6,36 (el valor exacte depén del medi) per tant, a pH 7 un petit percentatge de l'hidrogencarbonat està protonat. Vegeu àcid carbònic per als detalls sobre els equilibris HCO₃- + H+ H₂CO₃ i H₂CO₃ CO₂ + H₂O
La velocitat de reacció de l'anhidrasa carbònica és una de les més ràpides de tots els enzims, i la velocitat està limitada per la taxa de difusió dels seus substrats bioquímics. Les taxes típiques oscil·len entre 104 i 10⁶ reaccions per segon.
La reacció inversa és relativament baixa (cinètica en el rang 15-segons) en absència de catalitzador. Per aquest motiu una beguda carbonatada no es desgasifica instantàniament quan s'obre l'envàs; tanmateix, a la boca es desgasifica ràpidament quan entra en contacte amb la anhidrasa carbònica que conté la saliva.
Una anhidrasa es defineix com un enzim que catalitza la remoció d'una molècula d'aigua d'un compost, per tant, és la reacció inversa la que dona nom a la anhidrasa carbònica,pel fet que treu una molècula d'aigua de l'àcid carbònic.
(en pulmons, nefrons i ronyó - baixa concentració de CO₂ en les cèl·lules vegetals) miniatura|Fig. 3: Anhidrasa carbònica II humana
Famílies miniatura|Fig. 4: Diagrama de cinta d'anhidrasa carbònica II
S'hi distingeixen, com a mínim, set famílies AC (α, β, γ, δ, ε, η i θ) no relacionades evolutivament.
Anhidrasses carbòniques α Les anhidrasses carbòniques α són l'únic tipus de família trobat en mamífers. Aquesta família d'anhidrasses carbòniques està composta per metal·loenzims de zinc de distribucions variades depenent del teixit, i estan relacionades amb processos biològics connectats amb la respiració i amb l'intercanvi iònic. La seva funció principal és catalitzar la reacció del diòxid de carboni amb l'ió bicarbonat. Dotze dels tretze isoenzims que formen la família es troben expressats en humans. Els membres d'aquesta família tenen un paper important en la regulació del pH, del CO₂, dels ions i del transport d'aigua. Es diferencien en l'activitat catalítica, la distribució tissular i la sensibilitat als inhibidors sulfonamides.
Anhidrasa carbònica I (AC-I) L'enzim AC-I es troba al citoplasma. Té una activitat menor comparada amb l'AC-II. En pacients d'anèmia hemolítica s'ha observat una disminució de la presència de l'enzim, cosa que indica que la seva expressió podria servir com a indicador per aquesta malaltia.
Anhidrasa carbònica II (AC-II) L'AC-II es localitza al citoplasma i a l'espècie humana el gen AC-II està al cromosoma 8q22. Es troba en diversos teixits, com per exemple als eritròcits, al tracte gastrointestinal, als ulls, als osteoclasts, als ronyons, als pulmons, als testicles i al cervell. Es caracteritza per la seva alta velocitat enzimàtica. L'osteopetrosis autosòmica recessiva, la ceguera i la sordesa evolutiva, l'anèmia greu, l'hepatoesplenomegalia o dificultats per menjar són algunes de les malalties assosciades a l'AC-II. Els activadors d'aquest enzim són amines biogèniques (histamina, serotonina i catecolamines), la fenilalanina i l'histidina. En canvi, inhibidors farmacològics ho són majoritàriament els sulfonamides.
Anhidrasa carbònica III (AC-III) L'AC-III també està associada al citoplasma. S'expressa notablement al teixit muscular esquelètic i al teixit adipós. No tan nombrosament, s'ha localitzat a la pròstata, als ronyons, al cervell i als eritròcits. La seva activitat enzimàtica és tan sols un 3% de l'activitat de l'AC-II, fet que podria indicar que l'activitat catalítica no és la seva funció principal. L'AC-III regula l'homeòstasi mineral. La seva expressió augmenta quan hi ha una diferenciació d'osteoblast-osteòcit, i protegeix els osteòcits madurs d'hipòxia i d'estrès oxidatiu. És capaç de protegir les cèl·lules de l'oxidació proteica gràcies a dos grups sulfhidril reactius que el conformen. Altrament, una alta expressió d'AC-III a les cèl·lules pot protegir-les de l'apoptosi induïda per aigua oxigenada (H₂O₂).
Anhidrasa carbònica IV (AC-IV) L'AC-IV s'ha trobat ancorada a la membrana plasmàtica per un glicosilfosfatidilinositol (GPI). Està expressada al cor, als ronyons, als pulmons, a la retina i als eritròcits d'entre altres òrgans i teixits. Facilita l'intercanvi de parelles de protons per metabòlits molt energètics dels transports monocarboxílics mitjançant una via no catalítica. Aquest procés requereix que l'enzim s'uneixi a xaperones transportadores. També millora l'activitat de diversos transportadors d'àcids i bases, casos en els quals és necessaria l'activitat catalítica a més del contacte físic entre l'enzim i el domini extracel·lular del transportador.
Anhidrasa carbònica VA (AC-VA) L'AC-VA es localitza als teixits del fetge (molt abundant), dels ronyons i del múscul esquelètic (molt abundant). És un enzim mitocondrial. Concretament, proveeix bicarbonat com a substrat a quatre enzims metabòlics del mitocondri. La seva deficiència és un error metabòlic prenatal que condueix a l'encefalopatia hiperamonèmica. La falta d'AC-VA també causa cossos cetònics i de lactat elevats, acidosi metabòlica, hipoglucèmia i l'excreció de substrats de la carboxilasa.
Anhidrasa carbònica VB (AC-VB) L'AC-VB, igual que l'AC-VA, és un enzim mitocondrial. Té un rendiment més baix que l'AC-V5: accepta substitucions d'aminoàcids 4,5 vegades més lentament. Les diferències entre aquestes dues isoformes es deuen a l'inici de l'evolució per separat dels seus gens respectius fa 90 milions d'anys. L'AC-VB es troba als teixits del cor, dels ronyons, del fetge, dels testicles i dels músculs. Es desconeix el significat de la seva àmplia expressió en comparació amb l'AC-VA.
Anhidrasa carbònica VI (AC-VI) L'AC-VI és l'única anhidrasa carbònica que es pot secretar a la saliva, al sèrum, a la llet, a les vies respiratòries i al tub digestiu. A més, està associada al gust amarg i a la protecció de l'excés d'acidesa en càries dentals i lesions tant de l'epiteli gàstric com de l'esòfag. També protegeix la mucosa de l'esòfag i normalitza l'arquitectura de les papil·les gustatives. Està vinculada al cáncer de les glàndules salivals. L'activitat màxima de l'enzim es produeix en un pH d'entre 7,0 i 8,0. La seva activitat comença a decréixer a pH major de 8,0.
Anhidrasa carbònica VII (AC-VII) L'AC-VII es troba als teixits del múscul esquelètic, del fetge i del cervell. És una de les isoformes més eficients, i s'expressa majoritàriament al citosol. S'ha trobat una alta expressió d'aquest enzim a cèl·lules tumorals, cosa que podria classificar-la com a marcador tumoral. També s'han relacionat nivells baixos de l'AC-VII amb capacitat inferior de sobreviure a malalties específiques. És capaç de protegir les cèl·lules de l'estrès oxidatiu gràcies al les seves cisteïnes reactives.
Anhidrasa carbònica IX (AC-IX) La distribució de l'AC-IX està limitada a l'epiteli i al tracte gastrointestinal. Es troba expressada a una gran varietat de tumors, on regula el pH i és esencial pels procesos de migració i d'invasió de les cèl·lules. La regulació del pH es fa mitjançant l'alliberació de protons i facilitant l'absorció de HCO₃-. La seva baixa expressió s'associa amb la progessió de diversos tipus de càncers i amb un mal pronòstic. D'aquesta manera, l'AC-IX podria ser un biomarcador tumoral.
Anhidrasa carbònica XII (AC-XII) L'AC-XII està associada a la membrana cel·lular. En humans, es troba en molts teixits, incloent l'aorta, la bufeta, el còlon, l'esòfag, els ronyons, el fetge, els pulmons, els ganglis limfàtics, les glàndules mamàries, els ovaris, la pròstata, els limfòcits perifèrics de la sang, el recte, l'estómac, els músculs esquelètics, la pell, els braços, la tràquea i l'úter.