Карбоангідрази (або карбонатдегідратази) сімейство ферментів, які каталізують взаємоперетворення між вуглекислим газом і водою і дисоційовані іони вугільна кислота (тобто бікарбонат і іони водню). активний центр більшості карбоангідраз містить іон цинку. Тому їх класифікують як металоферменти. Фермент підтримує кислотно-лужний баланс і допомагає транспортувати вуглекислий газ.
Карбоангідраза допомагає підтримувати Кислотно-основний баланс, регулювати рН і баланс рідини. Залежно від його розташування, роль ферменту дещо змінюється. Наприклад, карбоангідраза виробляє кислоту в слизовій оболонці шлунка. У нирках, контроль іонів бікарбонату впливає на вміст води в клітині. Контроль іонів бікарбонату також впливає на вміст води в очах. Інгібітори карбоангідрази використовуються для лікування глаукоми, надмірного скупчення води в очах. Блокування цього ферменту змінює баланс рідини в очах, зменшуючи накопичення рідини, тим самим знижуючи тиск.
Карбоангідраза має вирішальне значення для функціонування гемоглобіну завдяки ефекту Бора, який каталізує гідратацію вуглекислого газу з утворенням вугільної кислоти та швидкої дисоціації у воду. По суті, збільшення вуглекислого газу призводить до зниження pH крові, що знижує зв’язування кисню з гемоглобіном. Справедливо навпаки, якщо зниження концентрації вуглекислого газу підвищує pH крові, що підвищує швидкість зв'язування кисню з гемоглобіном. Пов’язати ефект Бора з карбоангідразою просто: карбоангідраза прискорює реакцію вуглекислого газу, що реагує з водою, утворюючи іони водню (протони) та іони бікарбонату.
Для опису рівноваги в реакції карбоангідрази використовується принцип Ле Шательє. Тканини більш кислі, ніж легені, тому що вуглекислий газ утворюється клітинним диханням і реагує з водою в тканинах, утворюючи протони водню. Оскільки концентрація вуглекислого газу вища, рівновага зсувається вправо, в сторону бікарбонату. Протилежне спостерігається в легенях, де вивільняється вуглекислий газ, тому його концентрація нижча, тому рівновага зміщується ліворуч у бік вуглекислого газу, намагаючись підвищити його концентрацію.
Поява і функції Карбоангідразу вперше було виявлено в еритроцитах корів у 1933 році і одночасно було відкрито Роугтоном в Кембриджі та Мелдрамі у Філадельфії, які шукали каталітичний фактор.
Регуляція pH Карбоангідраза відіграє важливу роль у регулюванні рН крові, що прискорює CO2 + H2O <=> HCO 3-+ H+ реакція для забезпечення швидкої підтримки рівноваги. На рівноважну реакцію впливає співвідношення бікарбонату та H+ до вуглекислого газу. HCO3- — це сполучена основа, яка нейтралізує кислоти, а H+ — це сполучена кислота, яка нейтралізує основи за Кислотно-основний гомеостаз. HCO3- і H+ ідеально підходять для буферизації pH у крові та тканинах, оскільки pKa близький до фізіологічного pH = 7,2 – 7.6. Оскільки HCO3- і H+ регулюються в нирках, а вуглекислий газ плазми регулюється в легенях, обидві дії в нирках і легенях важливі для підтримки стабільності рН крові. Таким чином, карбоангідраза сприяє секреції H+ у просвіт ниркових канальців і реабсорбції HCO3- у нирках. Крім того, це сприяє транспорту вуглекислого газу з легеневої тканини до альвеол легеневого капіляра, де вуглекислий газ буде виводитися під час видиху.
Карбоангідраза — це дуже давній фермент, який зустрічається в обох доменах прокаріот і існує в шести різних класах серед більшості живих організмів. Ці сімейства не схожі за послідовністю чи структурою, оскільки вони еволюціонували незалежно одне від одного, але всі розвинули однакову структуру активного центру Zn2+, показуючи чудовий приклад конвергентної еволюції.
Кваліфікація Фермент — це речовина, яка діє як каталізатор у живих організмах, який допомагає прискорити хімічні реакції. Карбоангідраза є важливим ферментом, який міститься в еритроцитах, слизовій оболонці шлунка, клітинах підшлункової залози та навіть ниркових канальцях. Він був відкритий у 1932 році та розділений на три основні класи. Перший клас — альфа-вуглекислота ангідраза, яка зустрічається у ссавців, другий клас – бета-карбоангідраза, яка міститься в бактеріях і рослинах, і, нарешті, третій клас – гамма-карбоангідраза, яка міститься в метаногенних бактеріях у гарячих джерелах. Усі три класи карбоангідрази мають однаковий активний центр із металевим центром Zn; однак структурно вони не схожі один на одного. Основна роль карбоангідрази в організмі людини полягає в каталізації перетворення вуглекислого газу на вугільну кислоту і назад. Однак він також може сприяти транспорту CO2 у крові, що, у свою чергу, сприяє диханню. Він навіть може брати участь у утворенні соляної кислоти в шлунку.[Потрібна цитата] Тому роль карбоангідрази залежить від того, де вона знаходиться в організмі.
Структура У CA II ссавців активний центр складається з наступного: жорсткого атома металу кислоти Льюїса Zn+2, координованого із залишками His -94, -96 і -119 на відстані 109˚ один від одного та гідроксидний іон (pKa=6,8; 120° у Td конфігурації, гідрофобна кишеня поруч із зв’язаним цинком гідроксидом, що складається з Val-143 у своїй основі та Val-121, Trp-209 і Leu -198 на його шиї залишок протонного переміщення (PSR) His-64 H+ переміщує H+ до активного центру та з нього за допомогою конформаційного перемикання та мережі водневих зв’язків складається з гідроксильної групи Thr-199 і карбоксильної групи Glu-106, яка стабілізує зв’язаний з цинком гідроксид, полегшуючи орієнтацію молекул води в активній стороні до певної геометричної конфігурації. CA II має частоту обертання 106 s−1, що в 107 разів швидше, ніж некаталізована реакція.
Реакція
Реакція, яка демонструє каталізацію карбоангідрази в наших тканинах, така:
CO2 + H2O ⟶ H2CO3 ⟶ H+ + HCO3-
Каталізація карбоангідрази в легенях проявляється:
H+ + HCO3- ⟶ H2CO3 ⟶ CO2 + H2O
Причиною того, що реакції в тканинах і легенях є протилежними, є різний рівень рН, який міститься в них. Без каталізатора карбоангідрази реакція йде дуже повільно, але з каталізатором реакція відбувається в 107 разів швидше.
Реакція, що каталізується карбоангідразою:
HCO3- + H+ ⇌ CO2 + H2O
Вугільна кислота має pKa приблизно 6,36 (точне значення залежить від середовища), тому при pH 7 невеликий відсоток бікарбонату протонується.
Карбоангідраза є одним із найшвидших ферментів, і її швидкість зазвичай обмежується швидкістю дифузії її субстратів. Типова каталітична швидкість різних форм цього ферменту коливається від 104 до 106 реакцій на секунду.
Некаталізована зворотна реакція є відносно повільною (кінетика в 15-секундному діапазоні). Ось чому газований напій не дегазується миттєво при відкритті ємності; однак він швидко дегазується в роті, коли вступає в контакт з карбоангідразою, яка міститься в слині.
Ангідразу визначають як фермент, який каталізує видалення молекули води із сполуки, і тому саме ця «зворотна» реакція дає назву карбоангідразі, оскільки вона видаляє молекулу води з вугільної кислоти.
У легенях карбоангідраза перетворює бікарбонат на вуглекислий газ, придатний для видиху.
Транспорт CO2
Вуглекислий газ транспортується кров'ю в трьох формах:
Розчинений у вигляді газу в плазмі – 7-10% Зв’язується з гемоглобіном у вигляді карбаміногемоглобіну в еритроцитах – 20% Присутній у вигляді іонів бікарбонату в плазмі і транспортується у вигляді бікарбонату - 70%
Механізм
Цинк простетична група у ферменті координується в трьох положеннях гістидином бічними ланцюгами. Четверту координаційну позицію займає вода. Четвертий гістидин близький до водного ліганду, сприяючи утворенню центру Zn-OH, який зв’язує CO2 з утворенням бікарбонату цинку. Конструкція є прикладом загальної кислоти – загальної основи каталіз (див. статтю «Кислотний каталіз»). Активний центр також має кишеню, придатну для вуглекислого газу, наближаючи його до групи гідроксиду. Проведені кінетичні дослідження визначають наступний механізм для ферменту: на етапі 1 і 2 нуклеофіл O− на гідроксид-іоні, координованому до Zn2+, здійснює нуклеофільну атаку на частково електрофільний вуглець на молекулі CO2. Тут Zn2+ діє як кислота Льюїса, яка знижує pKa координованого ліганду OH2 з ~7-8 до 6,8 як Td , що призводить до депротонування води до гідроксид-іона, а вільний протон нейтралізується навколишнім буфером. На кроці 3) відбувається перенесення протона (H+) від OH−1 до некоординованого O− у CO3−2, координований до атома Zn+2 в активному центрі. Потім вивільняється іон бікарбонату, і каталітичний центр регенерується шляхом зв’язування іншої молекули води в обмін на іон бікарбонату. На етапі 4) скоординований водний ліганд депротонується за допомогою Zn+2, щоб утворити інший гідроксид-іон для початку циклу знову.
Родини
Визнано щонайменше п’ять різних сімейств CA: α, β, γ, δ і ζ. Ці родини не мають значної послідовності амінокислот подібності, і в більшості випадків вважаються прикладом конвергентної еволюції. α-КА зустрічаються в організмі людини.
α-CA
Хребетні, водорості і деякі бактерії мають це сімейство КА.
Ферменти CA, знайдені в ссавці, поділяються на чотири великі підгрупи, , які, у свою чергу, складаються з кількох ізоформ:
цитозольний CA (CAI, CA-II, CA-III, CA-VII та CA XIII) мітохондрії CA (CA-VA та CA-VB) секретовані CA (CA-VI) мембранно-асоційовані CA (CA-IV, CA-IX, CA-XII, CA-XIV і CA-XV)
Існує три додаткові «акаталітичні» ізоформи карбоангідрази людини(CA-VIII, CA-X, and CA-XI) чиї функції залишаються незрозумілими.
+Порівняння карбоангідраз ссавцівІзоформаГенМолекулярна масаUnless else specified: Page 638 (kDa)МісцезнаходженняСпецифічна активність ферментівлюдини, (s−1)Чутливість до сульфаніламіди, KI (nM)КлітинаТканинаCA-I29Цитозольеритроцитів і шлунково-кишкового тракту2.0 × 105250CA-II29Цитозольмайже повсюдно1.4 × 10612CA-III29Цитозоль8% розчинного білка в м'язах I типу1.3 × 104240000CA-IV35позаклітинний GPI-зчепленийШКТ, нирки, ендотелій1.1 × 10674CA-VA34.7 (прогнозовано)Мітохондріяпечінка2.9 × 10563CA-VB36.4 (прогнозовано)Мітохондріяшироко розповсюджений9.5 × 10554CA-VI39–42 Секреторнаслина і молоко3.4 × 10511CA-VII29Цитозольшироко розповсюджений9.5 × 1052.5CA-IX54, 58Клітинна мембрана-асоційовананормальний шлунково-кишковий тракт, кілька видів раку3.8 × 10516CA-XII44позаклітинний активний центрнирки, деякі види раку4.2 × 1055.7CA-XIII29Цитозольшироко розповсюджений1.5 × 10516CA-XIV54позаклітинний активний центрнирки, серце, скелетні м'язи, мозок3.1 × 10541CA-XV34–36позаклітинний GPI-зчепленийнирки, не виражені в тканинах людини4.7 × 10572
β-CA
Більшість прокаріотичних і рослинних хлоропластних КА належать до β-сімейства. Було ідентифіковано два шаблон підпису для цієї родини:
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
γ-клас CA походить від метаногенів, бактерій, що виробляють метан, які ростуть у гарячих джерелах.
δ-CA
δ-клас CA був описаний у діатомові. Розрізнення цього класу ЦА з'явилося недавно , однак піддаються сумніву.
ζ-CA
ζ-клас CA зустрічається виключно в бактеріях у кількох хемолітотрофах і морських ціанобактеріях, які містять cso-карбоксисоми . Останні тривимірні аналізи припускають, що ζ-CA має певну структурну подібність до β-CA, особливо поблизу місця іонів металу. Таким чином, дві форми можуть бути віддалено спорідненими, навіть якщо базова амінокислотна послідовність з тих пір значно розійшлася.
η-CA
Нещодавно в організмах роду Plasmodium було знайдено сімейство η. Це група ферментів, які раніше вважалися належними до α-сімейства КА, однак було продемонстровано, що η-КА мають унікальні особливості, такі як структура координації іонів металів.
ι-CA
Клас йота є останнім описаним класом CA. Він був виявлений у морських діатомових водоростях Thalassiosira pseudonana і широко розповсюджений серед морського фітопланктону. У діатомових водоростях ι-CA необхідний для механізмів концентрації CO2 і, на відміну від інших класів CA, він може використовувати марганець замість цинку як кофактор металу. Гомологи ι-CA також були підтверджені в грамнегативних бактеріях, де можуть бути присутні як білковий гомодимер.