Las anhidrasas carbónicas (o carbonato deshidratasas ) ( EC 4.2.1.1) forman una familia de enzimas que catalizan la interconversión entre dióxido de carbono y agua y los iones disociados del ácido carbónico (es decir, iones bicarbonato e hidrógeno ). [1] El sitio activo de la mayoría de las anhidrasas carbónicas contiene un ion zinc . Por tanto, se clasifican como metaloenzimas . La enzima mantiene el equilibrio ácido-base y ayuda a transportar dióxido de carbono. [2]
La anhidrasa carbónica ayuda a mantener la homeostasis ácido-base , regular el pH y el equilibrio de líquidos. Dependiendo de su ubicación, el papel de la enzima cambia ligeramente. Por ejemplo, la anhidrasa carbónica produce ácido en el revestimiento del estómago. En el riñón, el control de los iones de bicarbonato influye en el contenido de agua de la célula. El control de los iones de bicarbonato también influye en el contenido de agua en los ojos. Los inhibidores de la anhidrasa carbónica se utilizan para tratar el glaucoma, la acumulación excesiva de agua en los ojos. El bloqueo de esta enzima cambia el equilibrio de líquidos en los ojos para reducir la acumulación de líquido y así aliviar la presión. [2] [3]
La anhidrasa carbónica es fundamental para la función de la hemoglobina a través del efecto Bohr , que cataliza la hidratación del dióxido de carbono para formar ácido carbónico y se disocia rápidamente en agua. [4] Esencialmente, un aumento en el dióxido de carbono da como resultado un pH sanguíneo más bajo, lo que reduce la unión de oxígeno a hemoglobina. [5] Lo contrario ocurre cuando una disminución en la concentración de dióxido de carbono aumenta el pH de la sangre, lo que aumenta la tasa de unión de oxígeno a hemoglobina. Relacionar el efecto Bohr con la anhidrasa carbónica es simple: la anhidrasa carbónica acelera la reacción del dióxido de carbono con el agua para producir iones de hidrógeno (protones) e iones de bicarbonato.
Para describir el equilibrio en la reacción de la anhidrasa carbónica, se utiliza el principio de Le Chatelier . La mayoría de los tejidos son más ácidos que el tejido pulmonar porque el dióxido de carbono se produce por la respiración celular en estos tejidos, donde reacciona con el agua para producir protones y bicarbonato. Debido a que la concentración de dióxido de carbono es mayor, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, hacia el lado del bicarbonato. Lo contrario ocurre en los pulmones, donde se libera dióxido de carbono, reduciendo su concentración, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, favoreciendo la producción de dióxido de carbono. [6]
La anhidrasa carbónica se aisló y caracterizó inicialmente a partir de glóbulos rojos en 1933, con informes simultáneos de Meldrum y Roughton (en la Universidad de Cambridge en el Reino Unido) y de Stadie y O'Brien (en la Universidad de Pensilvania en los Estados Unidos), [ 7] [8] ambos mientras se busca un "factor catalítico... necesario para el tránsito rápido del HCO 3 - [anión bicarbonato] desde el eritrocito a... los capilares pulmonares". [9]
La anhidrasa carbónica desempeña un papel esencial en la regulación del pH de la sangre, lo que acelera la reacción CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H + para garantizar que el equilibrio se mantenga rápidamente. La reacción de equilibrio está influenciada por la proporción de bicarbonato y H + con respecto al dióxido de carbono. [10] El HCO 3 - es una base conjugada que neutraliza ácidos, y el H + es un ácido conjugado que neutraliza bases por homeostasis ácido-base . El HCO 3 - y el H + son ideales para amortiguar el pH en la sangre y los tejidos porque el pKa está cerca del pH fisiológico = 7,2 – 7,6. Dado que el HCO 3 - y el H + están regulados en los riñones y el dióxido de carbono plasmático está regulado en los pulmones, ambas acciones en los riñones y los pulmones son importantes para mantener la estabilidad del pH de la sangre. Por lo tanto, la anhidrasa carbónica ayuda con la secreción de H+ hacia la luz del túbulo renal y la reabsorción de HCO 3 - en los riñones. Además, ayuda al transporte de dióxido de carbono desde el tejido pulmonar a los alvéolos del capilar pulmonar, donde se excretará el dióxido de carbono durante la exhalación. [10]
La anhidrasa carbónica es una enzima muy antigua que se encuentra en ambos dominios de los procariotas y que existe en seis clases diferentes entre la mayoría de los organismos vivos. [11] Estas familias no son similares en secuencia o estructura porque evolucionaron independientemente una de otra, pero todas desarrollaron la misma estructura de sitio activo Zn 2+ , lo que muestra un gran ejemplo de evolución convergente. [ cita necesaria ]
Una enzima es una sustancia que actúa como catalizador en los organismos vivos y ayuda a acelerar las reacciones químicas. [12] La anhidrasa carbónica es una enzima importante que se encuentra en los glóbulos rojos, la mucosa gástrica, las células pancreáticas e incluso los túbulos renales. Fue descubierto en el año 1932 y se ha clasificado en tres clases generales. [13] La clase uno es la anhidrasa alfa carbónica que se encuentra en los mamíferos, la clase dos es la anhidrasa carbónica beta que se encuentra en bacterias y plantas y, por último, la clase tres es la anhidrasa carbónica gamma que se encuentra en las bacterias metanógenas en las aguas termales. [14] Las tres clases de anhidrasa carbónica tienen el mismo sitio activo con un centro de metal Zn; sin embargo, no son estructuralmente similares entre sí. La función principal de la anhidrasa carbónica en humanos es catalizar la conversión de dióxido de carbono en ácido carbónico y viceversa. Sin embargo, también puede ayudar con el transporte de CO 2 en la sangre, lo que a su vez ayuda a la respiración. Incluso puede funcionar en la formación de ácido clorhídrico en el estómago. Por lo tanto, el papel de la anhidrasa carbónica depende de dónde se encuentra en el cuerpo.
En el CA II de los mamíferos, el sitio activo consta de lo siguiente: un átomo metálico duro de ácido de Lewis Zn +2 coordinado con los residuos His -94, -96 y -119 separados 109˚ entre sí y un ion hidróxido (pKa = 6,8; 120° en configuración T d , una bolsa hidrófoba adyacente al hidróxido unido a zinc que consta de Val-143 en su base y Val-121, Trp-209 y Leu-198 en su cuello, un residuo de transporte de protones (PSR) His -64 H + transporta H + dentro y fuera del sitio activo a través de un cambio conformacional y una red de enlaces de hidrógeno que consta del grupo hidroxilo Thr-199 y el grupo carboxilo Glu-106 que estabiliza el hidróxido unido al zinc al facilitar la orientación de las moléculas de agua. en el lado activo a una configuración geométrica específica, CA II tiene una frecuencia de rotación de 10 6 s −1 que es 10 7 veces más rápida que la reacción no catalizada.
La reacción que muestra la catalización de la anhidrasa carbónica en nuestros tejidos es:
La catalización de la anhidrasa carbónica en los pulmones se muestra por:
La razón por la que las reacciones son en direcciones opuestas para los tejidos y los pulmones se debe a los diferentes niveles de pH que se encuentran en ellos. Sin el catalizador de anhidrasa carbónica, la reacción es muy lenta, sin embargo con el catalizador la reacción es 10 7 veces más rápida.
La reacción catalizada por la anhidrasa carbónica es:
El ácido carbónico tiene un pKa de alrededor de 6,36 (el valor exacto depende del medio), por lo que a pH 7 se protona un pequeño porcentaje del bicarbonato.
La anhidrasa carbónica es una de las enzimas más rápidas y su velocidad suele estar limitada por la velocidad de difusión de sus sustratos . Las velocidades catalíticas típicas de las diferentes formas de esta enzima oscilan entre 10 4 y 10 6 reacciones por segundo. [15]
La reacción inversa no catalizada es relativamente lenta (cinética en el rango de 15 segundos). Es por esto que una bebida carbonatada no se desgasifica instantáneamente al abrir el envase; sin embargo, se desgasificará rápidamente en la boca cuando entre en contacto con la anhidrasa carbónica contenida en la saliva. [dieciséis]
Una anhidrasa se define como una enzima que cataliza la eliminación de una molécula de agua de un compuesto, por lo que es esta reacción "inversa" la que le da su nombre a la anhidrasa carbónica, porque elimina una molécula de agua del ácido carbónico.
En los pulmones, la anhidrasa carbónica convierte el bicarbonato en dióxido de carbono, adecuado para la exhalación.
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El dióxido de carbono se transporta en la sangre de tres formas:
Un grupo protésico de zinc en la enzima está coordinado en tres posiciones mediante cadenas laterales de histidina . El cuarto puesto de coordinación lo ocupa el agua . Una cuarta histidina está cerca del ligando agua, lo que facilita la formación del centro Zn-OH, que se une al CO 2 para dar un bicarbonato de zinc. [18] La construcción es un ejemplo de catálisis general ácido-base general (ver el artículo " Catálisis ácida "). El sitio activo también presenta una bolsa adecuada para el dióxido de carbono, acercándolo al grupo hidróxido. Los estudios cinéticos realizados determinan el siguiente mecanismo para la enzima: En los pasos 1 y 2, el nucleófilo O − en el ion hidróxido coordinado con Zn 2+ realiza un ataque nucleofílico sobre el carbono parcialmente electrófilo de la molécula de CO 2 . Aquí el Zn 2+ actúa como un ácido de Lewis que reduce el pKa del ligando OH 2 coordinado de ~7-8 a 6,8 como Td , lo que impulsa la desprotonación del agua a un ion hidróxido y el protón libre es neutralizado por el buffer circundante. En el paso 3), se produce una transferencia de protones (H + ) desde el OH −1 al O − no coordinado en CO 3 −2 coordinado con el átomo de Zn +2 en el sitio activo. A continuación, se libera un ion bicarbonato y el sitio catalítico se regenera mediante la unión de otra molécula de agua a cambio del ion bicarbonato. En el paso 4), el ligando de agua coordinado se desprotona facilitado por el Zn +2 para generar otro ion hidróxido para comenzar el ciclo nuevamente. [19] [20]
Se reconocen al menos cinco familias de CA distintas: α, β, γ, δ y ζ. Estas familias no tienen ninguna similitud significativa en la secuencia de aminoácidos y en la mayoría de los casos se cree que son un ejemplo de evolución convergente . Los α-CA se encuentran en humanos.
Los vertebrados , las algas , las plantas y algunas bacterias tienen esta familia de CA.
Las enzimas CA que se encuentran en los mamíferos se dividen en cuatro amplios subgrupos, [ cita necesaria ] que, a su vez, constan de varias isoformas:
Hay tres isoformas adicionales de anhidrasa carbónica humana "acatalíticas" ( CA-VIII , CA-X y CA-XI ) ( CA8 , CA10 , CA11 ) cuyas funciones aún no están claras. [21]
La mayoría de las AC de cloroplastos procarióticos y vegetales pertenecen a la familia beta. Se han identificado dos patrones característicos de esta familia:
La clase gamma de CA proviene de los metanógenos , arqueas productoras de metano que crecen en aguas termales.
La clase delta de CA se ha descrito en las diatomeas . Sin embargo, recientemente se ha cuestionado la distinción de esta clase de CA [27] .
La clase zeta de CA se produce exclusivamente en bacterias de unos pocos quimiolitotrofos y cianobacterias marinas que contienen csocarboxisomas . [28] Análisis tridimensionales recientes [27] sugieren que ζ-CA tiene cierta semejanza estructural con β-CA, particularmente cerca del sitio del ion metálico. Por lo tanto, las dos formas pueden estar relacionadas lejanamente, aunque la secuencia de aminoácidos subyacente haya divergido considerablemente desde entonces.
La familia eta de CA se encontró recientemente en organismos del género Plasmodium . Se trata de un grupo de enzimas que antes se pensaba que pertenecían a la familia alfa de las CA; sin embargo, se ha demostrado que las η-CA tienen características únicas, como su patrón de coordinación de iones metálicos. [29]
La clase iota es la clase de CA más reciente descrita. Ha sido descubierto en la diatomea marina Thalassiosira pseudonana y está muy extendido entre el fitoplancton marino. [30] En las diatomeas, el ι-CA es esencial para los mecanismos de concentración de CO 2 y, a diferencia de otras clases de CA, puede utilizar manganeso en lugar de zinc como cofactor metálico. [30] También se han confirmado homólogos de ι-CA en bacterias gramnegativas, donde puede estar presente como un homodímero de proteína. [31]
En la naturaleza se encuentran varias formas de anhidrasa carbónica. En la forma de α-anhidrasa carbónica mejor estudiada presente en animales, el ion zinc está coordinado por los anillos de imidazol de 3 residuos de histidina , His94, His96 e His119. [32]
La función principal de la enzima en los animales es interconvertir el dióxido de carbono y el bicarbonato para mantener el equilibrio ácido-base en la sangre y otros tejidos, y ayudar a transportar el dióxido de carbono fuera de los tejidos.
Existen al menos 14 isoformas diferentes en los mamíferos. Las plantas contienen una forma diferente llamada β-anhidrasa carbónica , que, desde un punto de vista evolutivo, es una enzima distinta, pero participa en la misma reacción y también utiliza un ion zinc en su sitio activo. En las plantas, la anhidrasa carbónica ayuda a elevar la concentración de CO 2 dentro del cloroplasto para aumentar la tasa de carboxilación de la enzima RuBisCO . Esta es la reacción que integra el CO 2 en azúcares de carbono orgánico durante la fotosíntesis , y puede utilizar sólo la forma de carbono CO 2 , no ácido carbónico ni bicarbonato. [ cita necesaria ]
Se ha descubierto que las diatomeas marinas expresan una nueva forma de ζ anhidrasa carbónica. Se descubrió que T. weissflogii , una especie de fitoplancton común a muchos ecosistemas marinos, contenía anhidrasa carbónica con un ion cadmio en lugar de zinc. [33] Anteriormente, se creía que el cadmio era un metal tóxico sin función biológica alguna. Sin embargo, esta especie de fitoplancton parece haberse adaptado a los bajos niveles de zinc en el océano utilizando cadmio cuando no hay suficiente zinc. [34] Aunque la concentración de cadmio en el agua de mar también es baja (aproximadamente 1x10 −16 molar ), existe una ventaja ambiental al poder utilizar cualquiera de los metales dependiendo de cuál esté más disponible en ese momento. Por lo tanto, este tipo de anhidrasa carbónica es cambialista, lo que significa que puede intercambiar el metal en su sitio activo con otros metales (es decir, zinc y cadmio). [35]
El mecanismo de la anhidrasa carbónica de cadmio (CDCA) es esencialmente el mismo que el de otras anhidrasas carbónicas en su conversión de dióxido de carbono y agua en bicarbonato y un protón. [36] Además, al igual que las otras anhidrasas carbónicas, la CDCA hace que la reacción sea casi tan rápida como la velocidad de difusión de sus sustratos, y puede ser inhibida por derivados de sulfonamida y sulfamato . [36]
A diferencia de la mayoría de las otras anhidrasas carbónicas, el ion metálico del sitio activo no está unido por tres residuos de histidina y un ion hidróxido. En cambio, está unido por dos residuos de cisteína , un residuo de histidina y un ion hidróxido, que es característico de la β-CA. [36] [37] Debido al hecho de que el cadmio es un ácido blando , estará más estrechamente unido por ligandos de bases blandas . [35] Los átomos de azufre en los residuos de cisteína son bases blandas, por lo que se unen al cadmio con más fuerza que el nitrógeno en los residuos de histidina. CDCA también tiene una estructura de plegado tridimensional que no se parece a ninguna otra anhidrasa carbónica, y su secuencia de aminoácidos es diferente a la de otras anhidrasas carbónicas. [36] Es un monómero con tres dominios, cada uno idéntico en la secuencia de aminoácidos y cada uno que contiene un sitio activo con un ion metálico. [37]
Otra diferencia clave entre CDCA y otras anhidrasas carbónicas es que CDCA tiene un mecanismo para cambiar su ion cadmio por un ion zinc en caso de que el zinc esté más disponible para el fitoplancton que el cadmio. El sitio activo de CDCA está esencialmente "cerrado" por una cadena de nueve aminoácidos con residuos de glicina en las posiciones 1 y 9. Normalmente, esta puerta permanece cerrada y el ion cadmio queda atrapado en su interior. Sin embargo, debido a la flexibilidad y posición de los residuos de glicina, esta puerta se puede abrir para eliminar el ion cadmio. Luego se puede colocar un ion de zinc en su lugar y la puerta se cerrará detrás de él. [36] Como ácido límite , el zinc no se unirá tan estrechamente a los ligandos de cisteína como lo haría el cadmio, pero la enzima seguirá estando activa y razonablemente eficiente. El metal en el sitio activo se puede cambiar entre zinc y cadmio dependiendo de cuál sea más abundante en ese momento. Es la capacidad de CDCA para utilizar cadmio o zinc lo que probablemente le da a T. weissflogii una ventaja de supervivencia. [34]
El cadmio todavía se considera letal para el fitoplancton en grandes cantidades. Los estudios han demostrado que T. weissflogii tiene una respuesta tóxica inicial al cadmio cuando se expone a él. La toxicidad del metal se reduce mediante la transcripción y traducción de fitoquelatina , que son proteínas que pueden unirse y transportar cadmio. Una vez unido a la fitoquelatina, el cadmio ya no es tóxico y puede transportarse de forma segura a la enzima CDCA. [33] También se ha demostrado que la absorción de cadmio a través de fitoquelatina conduce a un aumento significativo en la expresión de CDCA. [33]
Se han analizado otros fitoplancton de diferentes fuentes de agua para detectar la presencia de CDCA. Se descubrió que muchos de ellos contienen proteínas homólogas a la CDCA que se encuentra en T. weissflogii . [33] Esto incluye especies de Great Bay, Nueva Jersey, así como del Océano Pacífico cerca del ecuador . En todas las especies analizadas, las proteínas similares a CDCA mostraron altos niveles de expresión incluso en altas concentraciones de zinc y en ausencia de cadmio. [33] La similitud entre estas proteínas y la CDCA expresada por T. weissflogii varió, pero siempre fueron al menos un 67% similares. [33]
En principio, la anhidrasa carbónica podría resultar relevante para la captura de carbono . Algunas anhidrasas carbónicas pueden soportar temperaturas de hasta 107 °C y alcalinidad extrema (pH > 10). [38] Una prueba piloto con el CA más estable en una corriente de humos que consistía en una composición molar de CO₂ del 12 al 13% tuvo una tasa de captura del 63,6% durante un período de 60 horas sin efectos perceptibles en el rendimiento de la enzima. Se colocó CA en una solución de N-metildietanolamina (MDEA) donde sirvió para aumentar la diferencia de concentración (fuerza motriz) de CO 2 entre la corriente de humos de la planta de energía y la fase líquida en un contactor líquido-gas. [38]
