Kolsyraanhydras

Kolsyraanhydras
Human carbonic anhydrase II PDB=6LUX.png
Humant kolsyraanhydras II med bunden zink och koldioxid. <a i=2>Identifierare
Identifiers
EG nr. 4.2.1.1
CAS-nr. 9001-03-0
Databaser
IntEnz IntEnz-vy
BRENDA BRENDA inträde
ExPASy NiceZyme-vy
KEGG KEGG inträde
MetaCyc Metabolisk väg
PRIAM profil
PDB- strukturer RCSB PDB PDBe PDB summa
Genontologi AmiGO / QuickGO
Sök
PMC artiklar
PubMed artiklar
NCBI proteiner
Karbonanhydras-
identifierare av eukaryot typ
Symbol Carb_anhydras
Pfam PF00194
InterPro IPR001148
PROSITE PDOC00146
SCOP2 1 burk / SCOPe / SUPFAM
Membran 333
Tillgängliga proteinstrukturer:
Pfam   strukturer / ECOD  
PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumma struktur sammanfattning

Kolsyraanhydraserna (eller karbonatdehydrataserna ) ( EC 4.2.1.1 ) bildar en familj av enzymer som katalyserar omvandlingen mellan koldioxid och vatten och de dissocierade jonerna av kolsyra (dvs. bikarbonat- och vätejoner ) . Det aktiva stället för de flesta kolsyraanhydraser innehåller en zinkjon . De klassificeras därför som metalloenzymer . Enzymet upprätthåller syra-basbalansen och hjälper till att transportera koldioxid.

Kolsyraanhydras hjälper till att upprätthålla syra-bas-homeostas , reglera pH och vätskebalans. Beroende på dess placering förändras enzymets roll något. Till exempel producerar kolsyraanhydras syra i magslemhinnan. I njurarna påverkar kontrollen av bikarbonatjoner cellens vatteninnehåll. Kontrollen av bikarbonatjoner påverkar också vattenhalten i ögonen. Hämmare av kolsyraanhydras används för att behandla glaukom, överdriven ansamling av vatten i ögonen. Blockering av detta enzym förändrar vätskebalansen i ögonen för att minska vätskeansamlingen och därigenom minska trycket.

Kolsyraanhydras är avgörande för hemoglobinfunktionen via Bohr-effekten som katalyserar hydratiseringen av koldioxid för att bilda kolsyra och snabbt dissociera i vatten. En ökning av koldioxid resulterar i huvudsak i sänkt blod-pH, vilket minskar syre-hemoglobinbindningen. Det motsatta är sant där en minskning av koncentrationen av koldioxid höjer blodets pH-värde vilket ökar hastigheten för syre-hemoglobinbindning. Att relatera Bohr-effekten till kolsyraanhydras är enkelt: kolsyraanhydras påskyndar reaktionen av koldioxid som reagerar med vatten för att producera vätejoner (protoner) och bikarbonatjoner.

För att beskriva jämvikt i kolsyraanhydrasreaktionen används Le Chateliers princip . Vävnaderna är surare än lungorna eftersom koldioxid produceras av cellandning och den reagerar med vatten i vävnaderna för att producera väteprotonerna. Eftersom koldioxidkoncentrationen är högre skiftar jämvikten åt höger, till bikarbonatsidan. Motsatsen ses i lungorna, där koldioxid frigörs så dess koncentration är lägre så att jämvikten skiftar till vänster mot koldioxid för att försöka höja dess koncentration.

Förekomst och funktion

Kolsyraanhydras hittades ursprungligen i röda blodkroppar hos kor 1933 och upptäcktes samtidigt av Rougton i Cambridge och Meldrum i Philadelphia som letade efter en katalytisk faktor.

Reglering av pH

Kolsyraanhydras spelar en viktig roll för att reglera blodets pH, vilket påskyndar CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H + reaktionen för att säkerställa jämvikten balansen upprätthålls snabbt. Jämviktsreaktionen påverkas av andelen bikarbonat och H + till koldioxid. HCO 3 - är en konjugatbas som neutraliserar syror, och H + är en konjugatsyra som neutraliserar baser genom syra-bas-homeostas . HCO 3 - och H + är idealiska för att buffra pH i blod och vävnader eftersom pKa ligger nära det fysiologiska pH = 7,2 – 7,6. Eftersom HCO 3 - och H + regleras i njurarna och plasmakoldioxid regleras i lungorna, är både verkan i njurarna och lungorna viktiga för att upprätthålla stabiliteten i blodets pH. Därför hjälper kolsyraanhydras med H+-utsöndringen i lumen i njurens njurtubuli och reabsorptionen av HCO 3 - i njurarna. Det hjälper också koldioxidtransporten från lungvävnaden till alveolerna i lungkapillären, där koldioxiden kommer att utsöndras under utandning.

Kolsyraanhydras är ett mycket gammalt enzym som finns i båda domänerna av prokaryoter och som finns i sex olika klasser bland de flesta levande organismer. Dessa familjer är inte lika i sekvens eller struktur eftersom de utvecklades oberoende av varandra, men alla utvecklade samma Zn 2+ aktiva platsstruktur, vilket visar ett bra exempel på konvergent evolution.

Bakgrund

Ett enzym är ett ämne som fungerar som en katalysator i levande organismer som hjälper till att påskynda kemiska reaktioner. Kolsyraanhydras är ett viktigt enzym som finns i röda blodkroppar, magslemhinnor, pankreasceller och till och med njurtubuli. Den upptäcktes år 1932 och den har kategoriserats i tre allmänna klasser. Klass ett är alfa-kolsyraanhydras som finns i däggdjur, klass två är beta-kolsyraanhydras som finns i bakterier och växter och slutligen klass tre som är gamma-karboanhydras som finns i metanogenbakterier i varma källor. De tre klasserna av kolsyraanhydras har alla samma aktiva ställe med ett Zn-metallcentrum; dock är de inte strukturellt lika varandra. Den huvudsakliga rollen för kolsyraanhydras hos människor är att katalysera omvandlingen av koldioxid till kolsyra och tillbaka igen. Men det kan också hjälpa till med CO 2 -transport i blodet som i sin tur hjälper andningen. Det kan till och med fungera i bildandet av saltsyra i magen.[Citat behövs] Därför beror kolsyraanhydras roll på var det finns i kroppen.

Strukturera

I däggdjurs CA II består det aktiva stället av följande: en hård Lewis-syra Zn +2 metallatom koordinerad till His -94, -96 och -119 rester 109˚ från varandra och en hydroxidjon (pKa=6,8; 120° i Td- konfiguration , en hydrofob ficka intill zinkbunden hydroxid bestående av Val-143 vid dess bas och Val-121, Trp-209 och Leu-198 vid dess hals, en Proton Shuttling Residue (PSR) His -64 H + transporterar H + in och ut från det aktiva stället via konformationsväxling, och ett vätebindningsnätverk bestående av Thr-199 hydroxylgrupp och Glu-106 karboxylgruppen som stabiliserar den zinkbundna hydroxiden genom att underlätta orienteringen av vattenmolekyler på den aktiva sidan till en specifik geometrisk konfiguration CA II har en omsättningsfrekvens på 10 6 s −1 vilket är 10 7 gånger snabbare än den okatalyserade reaktionen.

Reaktion

Se även: kolsyra
Schematisk över den cykliska reaktionsmekanismen katalyserad av kolsyraanhydras II.

Reaktionen som visar katalyseringen av kolsyraanhydras i våra vävnader är:

CO 2 + H 2 O ⟶ H
2 CO
3 ⟶ H + + HCO
− 3

Katalyseringen av kolsyraanhydras i lungorna visas av:

H + + HCO
− 3 ⟶ H
2 CO
3 ⟶ CO 2 + H 2 O

Anledningen till att reaktionerna går i motsatta riktningar för vävnaderna och lungorna är på grund av de olika pH-nivåerna som finns i dem. Utan kolsyraanhydraskatalysatorn är reaktionen mycket långsam, men med katalysatorn är reaktionen 10 7 gånger snabbare.

Reaktionen katalyserad av kolsyraanhydras är:

HCO
− 3 + H + ⇌ CO 2 + H 2 O

Kolsyra har ett pK a på runt 6,36 (det exakta värdet beror på mediet), så vid pH 7 protoneras en liten andel av bikarbonatet.

Kolsyraanhydras är ett av de snabbaste enzymerna, och dess hastighet begränsas vanligtvis av diffusionshastigheten för dess substrat . Typiska katalytiska hastigheter för de olika formerna av detta enzym varierar mellan 10 4 och 10 6 reaktioner per sekund.

Den okatalyserade omvända reaktionen är relativt långsam (kinetik inom 15-sekundersintervallet). Det är därför en kolsyrad dryck inte omedelbart avgasar när behållaren öppnas; men det kommer snabbt att avgasa i munnen när det kommer i kontakt med kolsyraanhydras som finns i saliven.

Ett anhydras definieras som ett enzym som katalyserar avlägsnandet av en vattenmolekyl från en förening, och det är därför denna "omvända" reaktion som ger kolsyraanhydras dess namn, eftersom det tar bort en vattenmolekyl från kolsyra.

I lungorna omvandlar kolsyraanhydras bikarbonat till koldioxid, lämpligt för utandning.

CO 2 transport

Aktivt ställe för CAII-enzym (PDB-kod: 1CA2) som O = röd, N = blå, Zn = grå och C = grön

Koldioxid transporteras i blodet i tre former:

  1. Löst som gas i plasma – 7-10%
  2. Bundet till hemoglobin som karbaminohemoglobin i röda blodkroppar – 20 %
  3. Finns som bikarbonatjon i plasma och transporteras som bikarbonat - 70%

Mekanism

Närbildsvisning av det aktiva stället för humant kolanhydras II, som visar tre histidinrester och en hydroxidgrupp som koordinerar (streckade linjer) zinkjonen i mitten. Från .
CAII-enzym (PDB-kod: 1CA2) som visar de sekundära strukturerna och den hydrofoba fickan (höger sida av Zn 2+ ) som bildas av beta-arket (blått) och de två valin- och en tryptofansidokedjor

En zinkprotesgrupp i enzymet koordineras i tre positioner av histidinsidokedjor . Den fjärde koordinationspositionen upptas av vatten . En fjärde histidin är nära vattenliganden, vilket underlättar bildandet av Zn-OH-centrum, som binder CO 2 för att ge ett zinkbikarbonat. Konstruktionen är ett exempel på allmän syra-generell baskatalys ( se artikeln " Syrkatalys" ). Den aktiva platsen har också en ficka som är lämplig för koldioxid, vilket för den nära hydroxidgruppen. Kinetiska studier som utförs bestämmer följande mekanism för enzymet: I steg 1 & 2 utför nukleofilen O − på hydroxidjonen koordinerad till Zn 2+ en nukleofil attack på det delvis elektrofila kolet på CO 2 -molekylen. Här fungerar Zn 2+ som en Lewis-syra som sänker pKa för den koordinerade OH 2 -liganden från ~7-8 ner till 6,8 som Td, vilket driver deprotoneringen av vatten till en hydroxidjon och den fria protonen neutraliseras av den omgivande bufferten. I steg 3) sker en protonöverföring (H + ) från OH −1 till den icke-koordinerade O − i CO 3 −2 koordinerad till Zn +2 -atomen i det aktiva stället. Därefter frigörs en bikarbonatjon och det katalytiska stället regenereras genom bindning av en annan vattenmolekyl i utbyte mot bikarbonatjonen. I steg 4) deprotoneras den koordinerade vattenliganden som underlättas av Zn +2 för att generera en annan hydroxidjon för att starta cykeln om igen.

Familjer

Banddiagram av humant kolanhydras II. Aktiv plats zinkjon synlig i mitten. Från .

Minst fem distinkta CA-familjer känns igen: α, β, γ, δ och ζ. Dessa familjer har ingen signifikant aminosyrasekvenslikhet och anses i de flesta fall vara ett exempel på konvergent evolution . α-CA finns hos människor.

a-CA

Ryggradsdjur , alger och vissa bakterier har denna familj av CA.

CA-enzymer som finns i däggdjur är indelade i fyra breda undergrupper, [ citat behövs ] som i sin tur består av flera isoformer:

Det finns ytterligare tre "akatalytiska" humana kolanhydrasisoformer ( CA-VIII , CA-X och CA-XI ) ( CA8 , CA10 , CA11 ) vars funktioner förblir oklara.

Den här bilden visar liganderna och fickstilen för kolsyraanhydras.
Jämförelse av kolanhydraser från däggdjur
Isoform Gen Molekylmassa
) (kDa
Plats
  Specifik aktivitet av humana enzymer, (s −1 )

Känslighet för sulfonamider , K I (nM)
Cell Vävnad
CA-I CA1 29 cytosol röda blodkroppar och mag-tarmkanalen 2,0 × 10 5 250
CA-II CA2 29 cytosol nästan allestädes närvarande 1,4 × 10 6 12
CA-III CA3 29 cytosol 8% av lösligt protein i typ I muskel 1,3 × 10 4 240 000
CA-IV CA4 35 extracellulär GPI- länkad GI-kanal , njure , endotel 1,1 × 10 6 74
CA-VA CA5A 34,7 (förutspått) mitokondrier lever 2,9 × 10 5 63
CA-VB CA5B 36,4 (förutspått) mitokondrier brett spridd 9,5 × 10 5 54
CA-VI CA6 39–42 sekretorisk saliv och mjölk 3,4 × 10 5 11
CA-VII CA7 29 cytosol brett spridd 9,5 × 10 5 2.5
CA-IX CA9 54, 58 cellmembran -associerad normal mag-tarmkanalen , flera cancerformer 3,8 × 10 5 16
CA-XII CA12 44 extracellulärt belägen aktiv plats njure , vissa cancerformer 4,2 × 10 5 5.7
CA-XIII CA13 29 cytosol brett spridd 1,5 × 10 5 16
CA-XIV CA14 54 extracellulärt belägen aktiv plats njure , hjärta , skelettmuskulatur , hjärna 3,1 × 10 5 41
CA-XV CA15 34–36 extracellulär GPI- länkad njure , inte uttryckt i mänskliga vävnader 4,7 × 10 5 72

p-CA

De flesta prokaryota och växtkloroplast - CA tillhör betafamiljen. Två signaturmönster för denna familj har identifierats:

  • C-[SA]-DSR-[LIVM]-x-[AP]
  • [EQ]-[YF]-A-[LIVM]-x(2)-[LIVM]-x(4)-[LIVMF](3)-xGHx(2)-CG

y-CA

Gammaklassen av CA kommer från metanogener , metanproducerande bakterier som växer i varma källor.

5-CA

Delta-klassen av CA har beskrivits i kiselalger . Skillnaden mellan denna klass av CA har dock nyligen kommit i fråga.

ζ-CA

Zeta-klassen av CA förekommer uteslutande i bakterier i ett fåtal kemolitotrofer och marina cyanobakterier som innehåller csokarboxysomer . Nyligen genomförda 3-dimensionella analyser tyder på att ζ-CA har en viss strukturell likhet med β-CA, särskilt nära metalljonstället. Således kan de två formerna vara avlägset besläktade, även om den underliggande aminosyrasekvensen sedan dess har divergerat avsevärt.

n-CA

Eta-familjen av CA hittades nyligen i organismer av släktet Plasmodium . Dessa är en grupp enzymer som tidigare trotts tillhöra alfafamiljen av CA, men det har visats att η-CA har unika egenskaper, såsom deras metalljonkoordinationsmönster.

ι-CA

Klassen iota är den senaste klassen av CA som beskrivs. Den har upptäckts i den marina kiselalgen Thalassiosira pseudonana . och är utbredd bland marint växtplankton I kiselalger är ι-CA väsentlig för CO 2 -koncentreringsmekanismerna och - i motsats till andra CA-klasser - kan den använda mangan istället för zink som metallkofaktor. Homologer av ι-CA har också bekräftats i gramnegativa bakterier, där de kan vara närvarande som en proteinhomodimer.

Struktur och funktion

Flera former av kolsyraanhydras förekommer i naturen. I den bäst studerade α-karboanhydrasformen som finns i djur, koordineras zinkjonen av imidazolringarna av 3 histidinrester , His94, His96 och His119.

Enzymets primära funktion hos djur är att interkonvertera koldioxid och bikarbonat för att upprätthålla syra-basbalansen i blod och andra vävnader, och att hjälpa till att transportera koldioxid ut ur vävnader.

Det finns minst 14 olika isoformer hos däggdjur. Växter innehåller en annan form som kallas β-karboanhydras , som ur en evolutionär synvinkel är ett distinkt enzym, men som deltar i samma reaktion och även använder en zinkjon på sitt aktiva ställe. I växter hjälper kolsyraanhydras till att höja koncentrationen av CO 2 i kloroplasten för att öka karboxyleringshastigheten för enzymet RuBisCO . Detta är reaktionen som integrerar CO 2 i organiskt kolsocker under fotosyntesen och kan endast använda CO 2 -formen av kol, inte kolsyra eller bikarbonat. [ citat behövs ]

Kadmiuminnehållande kolsyraanhydras

Marina kiselalger har visat sig uttrycka en ny form av ζ kolsyraanhydras. T. weissflogii , en art av växtplankton som är gemensam för många marina ekosystem, visade sig innehålla kolsyraanhydras med en kadmiumjon i stället för zink. Tidigare hade man trott att kadmium var en giftig metall utan någon som helst biologisk funktion. Denna art av växtplankton verkar dock ha anpassat sig till de låga halterna av zink i havet genom att använda kadmium när det inte finns tillräckligt med zink. Även om koncentrationen av kadmium i havsvatten också är låg (ca 1x10 −16 molar ) finns det en miljöfördel med att kunna använda någon av metallerna beroende på vilken som är mer tillgänglig vid tillfället. Denna typ av kolsyraanhydras är därför kambialistisk, vilket innebär att den kan byta ut metallen på sin aktiva plats med andra metaller (nämligen zink och kadmium).

Likheter med andra kolsyraanhydraser

Mekanismen för kadmiumkarboanhydras (CDCA) är i huvudsak densamma som för andra kolsyraanhydraser i dess omvandling av koldioxid och vatten till bikarbonat och en proton. Dessutom, liksom de andra kolsyraanhydraserna, får CDCA reaktionen att gå nästan lika snabbt som diffusionshastigheten för dess substrat, och den kan hämmas av sulfonamid- och sulfamatderivat .

Skillnader från andra kolsyraanhydraser

Till skillnad från de flesta andra kolsyraanhydraser är metalljonen på det aktiva stället inte bunden av tre histidinrester och en hydroxidjon. Istället är den bunden av två cysteinrester , en histidinrest och en hydroxidjon, som är karakteristisk för β-CA. På grund av det faktum att kadmium är en mjuk syra , kommer det att bindas hårdare av mjuka basligander . Svavelatomerna på cysteinresterna är mjuka baser, vilket binder kadmiumet hårdare än vad kvävet på histidinrester skulle göra . CDCA har också en tredimensionell vikningsstruktur som inte liknar något annat kolsyraanhydras, och dess aminosyrasekvens är inte lik de andra kolsyraanhydraserna. Det är en monomer med tre domäner, var och en identisk i aminosyrasekvens och var och en innehåller ett aktivt ställe med en metalljon.

En annan viktig skillnad mellan CDCA och de andra kolsyraanhydraserna är att CDCA har en mekanism för att byta ut sin kadmiumjon mot en zinkjon i händelse av att zink blir mer tillgängligt för växtplanktonet än kadmium. Det aktiva stället för CDCA är i huvudsak "gärdat" av en kedja av nio aminosyror med glycinrester i positionerna 1 och 9. Normalt förblir denna port stängd och kadmiumjonen fångas inuti. På grund av flexibiliteten och positionen hos glycinresterna kan dock denna port öppnas för att avlägsna kadmiumjonen. En zinkjon kan sedan sättas på dess plats och porten stängs bakom den. Som en gränssyra binder zink inte lika hårt till cysteinliganderna som kadmium skulle göra, men enzymet kommer fortfarande att vara aktivt och någorlunda effektivt. Metallen i den aktiva platsen kan växlas mellan zink och kadmium beroende på vilken som är mest förekommande vid tillfället. Det är CDCAs förmåga att använda antingen kadmium eller zink som sannolikt ger T. weissflogii en överlevnadsfördel.

Transport av kadmium

Kadmium anses fortfarande vara dödligt för växtplankton i höga mängder. Studier har visat att T. weissflogii har en initial toxisk reaktion på kadmium när den utsätts för det. Metallens toxicitet reduceras genom transkription och translation av fytokelatin , som är proteiner som kan binda och transportera kadmium. När det väl är bundet av fytokelatin är kadmium inte längre giftigt, och det kan säkert transporteras till CDCA-enzymet. Det har också visats att upptaget av kadmium via fytokelatin leder till en signifikant ökning av CDCA-uttryck.

CDCA-liknande proteiner

Annat växtplankton från olika vattenkällor har testats för förekomst av CDCA. Man fann att många av dem innehåller proteiner som är homologa med CDCA som finns i T. weissflogii . Detta inkluderar arter från Great Bay, New Jersey såväl som i Stilla havet nära ekvatorn . I alla testade arter visade CDCA-liknande proteiner höga nivåer av uttryck även i höga koncentrationer av zink och i frånvaro av kadmium. Likheten mellan dessa proteiner och CDCA uttryckt av T. weissflogii varierade, men de var alltid minst 67 % lika.

Kolavskiljning och lagring

Ytterligare information: Kolavskiljning och lagring

Kolsyraanhydras kan i princip visa sig relevant för kolavskiljning . Vissa kolsyraanhydraser tål temperaturer upp till 107 °C och extrem alkalinitet (pH > 10). En pilotkörning med den mer stabila CA på en rökkanal som bestod av 12–13 % mol sammansättning CO₂ hade en infångningshastighet på 63,6 % under en 60-timmarsperiod utan några märkbara effekter på enzymprestanda. CA placerades i en N-metyldietanolamin (MDEA)-lösning där den tjänade till att öka koncentrationsskillnaden (drivkraften) av CO 2 mellan rökströmmen från kraftverket och vätskefasen i en vätske-gas-kontaktor.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Carbonic_anhydrase&oldid=1140479002 "