Karbonik anhidraz - Carbonic anhydrase

karbonat dehidrataz
karbonik anhidraz.png
Merkezde çinko iyonu görünen insan karbonik anhidraz II'nin şerit diyagramı
tanımlayıcılar
AB numarası 4.2.1.1
CAS Numarası. 9001-03-0
veritabanları
IntEnz IntEnz görünümü
BRENDA BRENDA girişi
ExPASy NiceZyme görünümü
fıçı Fıçı girişi
MetaCyc metabolik yol
PRİAM profil
PDB yapıları RCSB PDB PDBe PDB toplamı
Gen ontolojisi AmiGO / QuickGO
Ökaryotik tip karbonik anhidraz
tanımlayıcılar
Sembol karb_anhidraz
Pfam PF00194
InterPro IPR001148
PROZİT PDOC00146
SCOP2 1 kutu / KAPSAM / SUPFAM
membran 333

Karbonik anhidraz (ya da karbonat dehidratazlar ) bir aile oluştururlar enzim katalize arasındaki ara dönüşüm , karbon dioksit ve su ve ayrışmış iyonları karbonik asit (örneğin bikarbonat ve hidrojen iyonları ). Aktif bölge en karbonik anhidraz bir içeren çinko iyonu. Bu nedenle metalloenzimler olarak sınıflandırılırlar . Enzim asit-baz dengesini korur ve karbondioksitin taşınmasına yardımcı olur.

Karbonik anhidraz, asit-baz dengesinin korunmasına , pH'ın ve sıvı dengesinin düzenlenmesine yardımcı olur . Konumuna bağlı olarak, enzimin rolü biraz değişir. Örneğin karbonik anhidraz, mide astarında asit üretir. Böbrekte bikarbonat iyonlarının kontrolü hücrenin su içeriğini etkiler. Bikarbonat iyonlarının kontrolü ayrıca gözlerdeki su içeriğini de etkiler. Karbonik anhidraz inhibitörleri, gözlerde aşırı su birikmesi olan glokomu tedavi etmek için kullanılır. Bu enzimi bloke etmek, sıvı birikimini azaltmak ve böylece basıncı azaltmak için hastanın gözlerindeki sıvı dengesini değiştirir.

Bohr etkisi hemoglobinin oksijen bağlama afinitesi tanımlamak için kullanılan bir yöntemdir. Bohr Etkisi, 1904 yılında Christian Bohr tarafından tanımlanmıştır ve karbondioksit konsantrasyonundaki veya pH'daki bir değişiklikten kaynaklanan oksijen ayrışma eğrisindeki bir kaymayı ifade eder. Esasen karbondioksitteki bir artış, oksijen-hemoglobin bağlanmasını azaltan düşük kan pH'ı ile sonuçlanır. Karbon dioksit konsantrasyonundaki bir azalmanın, oksijen-hemoglobin bağlanma oranını yükselten kan pH'ını yükselttiği durumlarda bunun tersi doğrudur. Bohr Etkisini karbonik anhidraz ile ilişkilendirmek basittir: karbonik anhidraz, hidrojen iyonları (protonlar) ve bikarbonat iyonları üretmek için suyla reaksiyona giren karbon dioksitin reaksiyonunu hızlandırır.

Karbonik anhidraz reaksiyonundaki dengeyi tanımlamak için Le Chatelier ilkesi kullanılır. Dokular akciğerlerden daha asidiktir, çünkü karbondioksit hücresel solunumla üretilir ve dokulardaki su ile reaksiyona girerek hidrojen protonları üretir. Karbondioksit konsantrasyonu daha yüksek olduğu için denge sağa, bikarbonat tarafına kayar. Karbondioksitin salındığı akciğerlerde bunun tersi görülür, bu nedenle konsantrasyonu daha düşüktür, bu nedenle konsantrasyonunu denemek ve yükseltmek için denge karbondioksite doğru sola kayar.

Bu görüntü karbonik anhidraz için döngüsel mekanizmayı göstermektedir.

Arka plan

Bir enzim, canlı organizmalarda kimyasal reaksiyonları hızlandırmaya yardımcı olan bir katalizör görevi gören bir maddedir. Karbonik anhidraz, kırmızı kan hücrelerinde, mide mukozasında, pankreas hücrelerinde ve hatta böbrek tübüllerinde bulunan önemli bir enzimdir. 1932 yılında keşfedildi ve üç genel sınıfa ayrıldı. Birinci sınıf memelilerde bulunan alfa karbonik anhidraz, ikinci sınıf bakteri ve bitkilerde bulunan beta karbonik anhidraz ve son olarak üçüncü sınıf sıcak su kaynaklarında metanojen bakterilerde bulunan gama karbonik anhidrazdır. Üç karbonik anhidraz sınıfının tümü, bir Zn metal merkezi ile aynı aktif bölgeye sahiptir; ancak yapısal olarak birbirlerine benzemezler. İnsanlarda karbonik anhidrazın ana rolü, karbon dioksitin karbonik aside ve tekrar geri dönüşümünü katalize etmektir. Bununla birlikte, aynı zamanda CO yardımcı olabilir 2 sırayla solunum yardımcı kan taşıma. Mide tarafından hidroklorik asit oluşumunda bile işlev görebilir. Bu nedenle, karbonik anhidrazın rolü vücutta nerede bulunduğuna bağlıdır.

Reaksiyon

Karbonik anhidrazın dokularımızda katalizlendiğini gösteren reaksiyon:

CO 2 + H 2 O 'H
2
CO
3
H + + HCO-
3

Akciğerlerde karbonik anhidrazın katalizlenmesi şu şekilde gösterilir:

H + + HCO-
3
H
2
CO
3
CO 2 + H 2 O

Dokular ve akciğerler için reaksiyonların zıt yönlerde olmasının nedeni, içlerinde bulunan farklı pH seviyeleridir. Karbonik anhidraz katalizörü olmadan reaksiyon çok yavaştır, ancak katalizör ile reaksiyon 107 kat daha hızlıdır.

Karbonik anhidraz tarafından katalize edilen reaksiyon:

HCO-
3
+ H + CO 2 + H 2 O

Karbonik asit pKa değerine sahiptir, a , böylece pH değeri 7 iken bikarbonat küçük bir yüzdesi protonlanır, 6.36 (tam değer ortama bağlıdır) etrafında bir.

Karbonik anhidraz en hızlı enzimlerden biridir ve hızı tipik olarak substratlarının difüzyon hızı ile sınırlıdır . 10 arasında değişen, bu enzimin, farklı formları tipik katalitik oranları 4 ve 10 6 saniyede reaksiyonları.

Katalizlenmemiş ters reaksiyon nispeten yavaştır (15 saniye aralığındaki kinetik). Bu nedenle gazlı içecek kabı açarken anında gaz gidermez; ancak tükürükte bulunan karbonik anhidraz ile temas ettiğinde ağızda hızla gazı giderir.

Bir anhidraz, bir su molekülünün bir bileşikten çıkarılmasını katalize eden bir enzim olarak tanımlanır ve bu nedenle karbonik anhidraza adını veren bu "ters" reaksiyondur, çünkü bir su molekülünü karbonik asitten uzaklaştırır.

Akciğerlerde karbonik anhidraz, bikarbonatı ekshalasyon için uygun olan karbon dioksite dönüştürür.

mekanizma

Merkezde çinko iyonunu koordine eden (kesikli çizgiler) üç histidin kalıntısı ve bir hidroksit grubu gösteren, insan karbonik anhidraz II'nin aktif bölgesinin yakından görünümü . Gönderen PDB : 1CA2 .

Enzimdeki bir çinko protez grubu , histidin yan zincirleri tarafından üç pozisyonda koordine edilir . Dördüncü koordinasyon pozisyonu su tarafından işgal edilmiştir . Dördüncü bir histidin CO bağlar Zn-OH, merkezi oluşumunu kolaylaştıran, yakın su ligand ise 2 , bir çinko bikarbonat elde edildi. Yapı, genel asit – genel baz katalizinin bir örneğidir ( " Asit katalizi " makalesine bakın ). Aktif bölge ayrıca karbondioksit için uygun bir cebe sahiptir ve onu hidroksit grubuna yaklaştırır.

Aileler

İnsan karbonik anhidraz II'nin şerit diyagramı. Merkezde görünen aktif bölge çinko iyonu. Gönderen PDB : 1CA2 .

Karbonik anhidraz başlangıçta ineklerin kırmızı kan hücrelerinde bulundu.

En az beş farklı CA ailesi tanınır: α, β, γ, δ ve ζ. Bu ailelerin önemli bir amino asit dizisi benzerliği yoktur ve çoğu durumda yakınsak evrimin bir örneği olduğu düşünülür . α-CA'lar insanlarda bulunur.

α-CA

Omurgalılar , algler ve bazı bakteriler bu CA ailesine sahiptir.

Memelilerde bulunan CA enzimleri , sırayla birkaç izoformdan oluşan dört geniş alt gruba ayrılır:

İşlevleri belirsizliğini koruyan üç ek "katalitik" insan karbonik anhidraz izoformu ( CA-VIII , CA-X ve CA-XI ) ( CA8 , CA10 , CA11 ) vardır.

Bu görüntü, karbonik anhidrazın ligandlarını ve cep stilini göstermektedir.
Memeli karbonik anhidrazlarının karşılaştırılması
izoform Gen Moleküler
kütle

(kDa)
Konum
İnsan  enzimlerinin spesifik aktivitesi , (s -1 )

Sülfonamidlere duyarlılık ,
K I (nM)
Hücre Doku
CA-I CA1 29 sitozol kırmızı kan hücresi ve GI yolu 2.0 × 10 5 250
CA-II CA2 29 sitozol neredeyse her yerde 1.4 × 10 6 12
CA-III CA3 29 sitozol Tip I kastaki çözünür proteinin %8'i 1,3 × 10 4 240000
CA-IV CA4 35 Hücre dışı GPI -bağlantıh GI yolu , böbrek , endotel 1.1 × 10 6 74
İSPANYOL ŞAMPANYASI CA5A 34.7 (öngörülen) mitokondri karaciğer 2,9 × 10 5 63
CA-VB CA5B 36.4 (tahmin edilen) mitokondri yaygın olarak dağıtılmış 9,5 × 10 5 54
CA-VI CA6 39–42 salgı tükürük ve süt 3.4 × 10 5 11
CA-VII CA7 29 sitozol yaygın olarak dağıtılmış 9,5 × 10 5 2.5
CA-IX CA9 54, 58 hücre zarı ile ilişkili normal GI yolu , birkaç kanser 1.1 × 10 6 16
CA-XII CA12 44 hücre dışı yerleşimli aktif bölge böbrek , bazı kanserler 4,2 × 10 5 5.7
CA-XIII CA13 29 sitozol yaygın olarak dağıtılmış 1,5 × 10 5 16
CA-XIV CA14 54 hücre dışı yerleşimli aktif bölge böbrek , kalp , iskelet kası , beyin 3.1 × 10 5 41
CA-XV CA15 34–36 Hücre dışı GPI -bağlantıh böbrek , insan dokularında ifade edilmez 4.7 × 10 5 72

β-CA

Çoğu prokaryotik ve bitki kloroplast CA'sı beta ailesine aittir. Bu aile için iki imza modeli belirlendi:

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

γ-CA

CA'ların gama sınıfı, kaplıcalarda yetişen metanojenler , metan üreten bakterilerden gelir.

δ-CA

CA'ların delta sınıfı diatomlarda açıklanmıştır . Ancak, bu CA sınıfının ayrımı son zamanlarda gündeme gelmiştir.

ζ-CA

CA'lardan zeta sınıf münhasıran oluşur bakteri birkaç içinde kemolitotroplann ve deniz Siyanobakterinin cso- ihtiva carboxysomes . Son 3 boyutlu analizler, ζ-CA'nın, özellikle metal iyon bölgesinin yakınında, β-CA'ya bazı yapısal benzerlikler taşıdığını göstermektedir. Bu nedenle, temel amino asit dizisi o zamandan beri önemli ölçüde farklılaşmış olsa da, iki form uzaktan ilişkili olabilir .

η-CA

CA'ların eta ailesi yakın zamanda Plasmodium cinsinin organizmalarında bulundu . Bunlar daha önce CA'ların alfa ailesine ait olduğu düşünülen bir grup enzimdir, ancak η-CA'ların metal iyon koordinasyon modelleri gibi benzersiz özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir.

ι-CA

iota sınıfı, açıklanan en son CA sınıfıdır. Bu deniz diatom ortaya çıkarıldı Thalassiosira pseudonana , ve deniz fitoplankton arasında yaygındır. Diatom olarak, ι-CA CO için gerekli olan 2 başka bir CA sınıflarının tersine, - - -concentrating mekanizmaları ve kullanabileceği manganez metal kofaktör olarak yerine çinkonun. ι-CA homologları, bir protein homodimeri olarak bulunabilen gram-negatif bakterilerde de doğrulanmıştır.

Yapı ve işlev

Doğada çeşitli karbonik anhidraz formları bulunur. Hayvanlarda bulunan en iyi çalışılmış a-karbonik anhidraz formunda çinko iyonu, 3 histidin kalıntısının imidazol halkaları , His94, His96 ve His119 tarafından koordine edilir .

Enzimin hayvanlardaki birincil işlevi, kanda ve diğer dokularda asit-baz dengesini korumak ve karbon dioksitin dokulardan dışarı taşınmasına yardımcı olmak için karbondioksit ve bikarbonatı birbirine dönüştürmektir .

Memelilerde en az 14 farklı izoform vardır. Bitkiler , β-karbonik anhidraz adı verilen , evrimsel bir bakış açısından farklı bir enzim olan, ancak aynı reaksiyona katılan ve ayrıca aktif bölgesinde bir çinko iyonu kullanan farklı bir form içerir . Bitkilerde, karbonik anhidraz CO konsantrasyonunu yükseltmek yardımcı 2 içinde kloroplast enzim karboksilasyon hızını arttırmak amacıyla, RUBISCO . Bu entegre eder CO olduğu reaksiyondur 2 içine organik karbon sırasında şekerler fotosentez ve sadece CO kullanabilir 2 karbon şeklini değil, karbonik asit ya da bikarbonat.

Kadmiyum içeren karbonik anhidraz

Deniz diatomlarının yeni bir ζ karbonik anhidraz formunu ifade ettiği bulunmuştur. Birçok deniz ekosisteminde yaygın olan bir fitoplankton türü olan T. weissflogii'nin çinko yerine kadmiyum iyonlu karbonik anhidraz içerdiği bulundu . Daha önce kadmiyumun hiçbir biyolojik işlevi olmayan zehirli bir metal olduğuna inanılıyordu. Bununla birlikte, bu fitoplankton türü, yeterli çinko olmadığında kadmiyum kullanarak okyanustaki düşük çinko seviyelerine uyum sağlamış görünmektedir. Deniz suyundaki kadmiyum konsantrasyonu da düşük olmasına rağmen (yaklaşık 1x10 -16 molar ), o anda hangisinin daha uygun olduğuna bağlı olarak her iki metali de kullanabilmenin çevresel bir avantajı vardır. Bu tip karbonik anhidraz bu nedenle kambiyalisttir, yani aktif bölgesindeki metali diğer metallerle (yani çinko ve kadmiyum) değiştirebilir.

Diğer karbonik anhidrazlarla benzerlikler

Kadmiyum karbonik anhidrazın (CDCA) mekanizması, karbon dioksit ve suyu bikarbonat ve bir protona dönüştürmesinde esasen diğer karbonik anhidrazlarınkiyle aynıdır. Ek olarak, diğer karbonik anhidrazlar gibi, CDCA, reaksiyonun substratlarının difüzyon hızı kadar hızlı ilerlemesini sağlar ve sülfonamid ve sülfamat türevleri tarafından inhibe edilebilir .

Diğer karbonik anhidrazlardan farkları

Diğer karbonik anhidrazların çoğundan farklı olarak, aktif bölge metal iyonu, üç histidin kalıntısı ve bir hidroksit iyonu ile bağlı değildir. Bunun yerine iki sistein kalıntısı, bir histidin kalıntısı ve β-CA'nın özelliği olan bir hidroksit iyonu ile bağlanır . Kadmiyum yumuşak bir asit olduğu için yumuşak baz ligandları ile daha sıkı bağlanır . Kükürt sistein kalıntıları üzerinde atomuna Böylelikle, histidin tortuları üzerinde azot daha sıkı kadmiyum, bağlayıcı yumuşak bazlardır. CDCA ayrıca, diğer karbonik anhidrazlardan farklı olarak üç boyutlu bir katlanma yapısına sahiptir ve amino asit dizisi diğer karbonik anhidrazlardan farklıdır. Her biri amino asit dizisinde özdeş ve her biri bir metal iyonu ile aktif bir bölge içeren üç alana sahip bir monomerdir .

CDCA ve diğer karbonik anhidrazlar arasındaki bir diğer önemli fark, çinkonun fitoplankton için kadmiyumdan daha fazla kullanılabilir hale gelmesi durumunda CDCA'nın kadmiyum iyonunu bir çinko iyonu ile değiştirmek için bir mekanizmaya sahip olmasıdır. CDCA'nın aktif bölgesi esasen 1 ve 9 konumlarında glisin kalıntıları olan dokuz amino asitten oluşan bir zincir tarafından "kapılıdır" . Normal olarak, bu kapı kapalı kalır ve kadmiyum iyonu içeride tutulur. Ancak glisin kalıntılarının esnekliği ve konumu nedeniyle kadmiyum iyonunu uzaklaştırmak için bu kapı açılabilir. Daha sonra yerine bir çinko iyonu konabilir ve kapı arkasından kapanacaktır. Bir sınırda asit olarak çinko, sistein ligandlarına kadmiyum kadar sıkı bağlanmaz, ancak enzim yine de aktif ve makul ölçüde verimli olacaktır. Aktif bölgedeki metal, o sırada hangisinin daha bol olduğuna bağlı olarak çinko ve kadmiyum arasında değiştirilebilir. T. weissflogii'ye hayatta kalma avantajı sağlayan şey , CDCA'nın kadmiyum veya çinko kullanma yeteneğidir .

Kadmiyumun taşınması

Kadmiyum hala yüksek miktarlarda fitoplankton için öldürücü olarak kabul edilir. Çalışmalar, T. weissflogii'nin kadmiyuma maruz kaldığında ilk toksik tepkiye sahip olduğunu göstermiştir. Metalin toksisitesi, kadmiyumu bağlayabilen ve taşıyabilen proteinler olan fitoşelatinin transkripsiyonu ve translasyonu ile azaltılır . Fitoşelatine bağlandıktan sonra kadmiyum artık toksik değildir ve CDCA enzimine güvenle taşınabilir. Fitoşelatin yoluyla kadmiyum alımının CDCA ekspresyonunda önemli bir artışa yol açtığı da gösterilmiştir.

CDCA benzeri proteinler

Farklı su kaynaklarından gelen diğer fitoplanktonlar, CDCA'nın varlığı için test edilmiştir. Birçoğunun T. weissflogii'de bulunan CDCA'ya homolog proteinler içerdiği bulundu . Bu türler içeriyor Büyük Bay, New Jersey yanı sıra Pasifik Okyanusu yakınlarındaki ekvator . Test edilen tüm türlerde, CDCA benzeri proteinler, yüksek çinko konsantrasyonlarında ve kadmiyum yokluğunda bile yüksek düzeyde ekspresyon gösterdi. Bu proteinler ile T. weissflogii tarafından eksprese edilen CDCA arasındaki benzerlik değişkenlik gösteriyordu, ancak bunlar her zaman en az %67 benzerdi.

Karbon yakalama ve sekestrasyon

Karbonik anhidraz, prensipte karbon yakalama ile ilgili olabilir . Bazı karbonik anhidrazlar, 107 °C'ye kadar sıcaklıklara ve aşırı alkaliliğe (pH > 10) dayanabilir. %12-13 mol bileşimli CO₂'den oluşan bir baca akışı üzerinde daha kararlı CA ile yürütülen bir pilot, enzim performansında gözle görülür bir etki olmaksızın 60 saatlik bir süre boyunca %63.6'lık bir yakalama oranına sahipti. CA, CO konsantrasyonu farkı (itici güç) geliştirmek için sunulan bir N-metildietanolamin (MDEA) çözeltisi içine yerleştirildi 2 , bir sıvı-gaz, kontaktor içindeki enerji santralinin baca akışında ve sıvı faz arasında.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar