Anhidrasa carbónica

Anhidrasa Carbónica (AC, carbonato dehidratasa: E.C. 4.2.1.1), es una familia de metaloenzimas (enzimas que contienen uno o más átomos metálicos como un componente funcional de la enzima) que catalizan las conversión rápida de dióxido de carbono a bicarbonato y protones, una reacción que ocurre más lenta en ausencia de catalizador.^[1] La anhidrasa carbónica incrementa grandemente la tasa de reacción, con tasas típicas catalíticas de las diferentes formas de esta enzima con valores que alternan entre 104 y 106 reacciones por segundo.^[2] El sitio activo de la mayoría de las anhidrasas carbónicas contiene un ión de Zinc(Zn).

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Estructura y Función de la Anhidrasa Carbónica

Muchas formas de la anhidrasa carbónica ocurren en la naturaleza. En las mejor estudiadas, anhidrasa carbónica-tipo α, presentes en animales, el ion de Zinc está coordinado por los anillos de imidazol de 3 residuos de histidina, His94, His 96 e His119. La función primaria de la enzima en animales es interconvertir el dióxido de carbono y el bicarbonato para mantener el equilibrio ácido-base en la sangre y otros tejidos, y ayudar al transporte de dióxido de carbono fuera de los tejidos.

Las plantas contienen una forma diferente llamada anhidrasa carbónica-tipo β, la cual, desde un punto inicial evolutivo, es una enzima distinta, pero participa en la misma reacción y también usa un ion de Zinc en su sitio activo. En plantas, la anhidrasa carbónica ayuda a elevar la concentración de CO₂ dentro del cloroplasto para incrementar la tasa de carboxilación de la enzima Rubisco. Esta es la reacción que integra el CO₂ en carbohidratos durante la fotosíntesis, y puede usar únicamente la forma del carbono en el CO2, no el ácido carbónico o el bicarbonato.

En el 2000 se encontró una anhidrasa carbónica que contiene Cadmio, que es expresada en diátomos marinos al haber limitación de Zinc. En el océano abierto, el Zinc está frecuentemente en bajas concentraciones que pueden limitar el crecimiento del fitoplancton como diátomos; así una anhidrasa carbónica que usa un ion metálico diferente podría ser benéfico en esos ambientes. Antes de este descubrimiento, el cadmio se había considerado como un elemento metálico pesado tóxico sin función biológica. En el 2005, esta particular anhidrasa carbónica permite la única reacción biológica conocida que depende de Cadmio.

Reacción catalizada por la Anhidrasa Carbónica:

CO₂ + H₂0 ---> H₂CO₃ ---> (HCO₃-) + (H+):^[3] en tejidos - alta concentración de CO₂

La tasa de reacción de la anhidrasa carbónica es una de las más rápidas de todas las enzimas, y su tasa está limitada típicamente por la tasa de difusión de sus sustratos.

La reacción reversa es relativamente lenta (cinética en el rango de 15 segundos), lo que explica por qué una bebida carbonatada no hace un efecto instantáneo liberador de gas cuando se abre el contenedor, pero rápidamente degasificará en la boca cuando la anhidrasa carbónica se adiciona con la saliva.

(HCO₃-) + (H+) ---> CO₂ + H₂0 ---> H₂CO₃: en los pulmones y las nefronas del riñón - alta concentración de CO₂, en células vegetales.

Mecanismo

Un grupo prostético de Zinc en la enzima está coordinado en tres posiciones por las cadenas laterales de histidina. La cuarta posición de coordinación está ocupada por agua. Esto causa la polarización del enlace hidrógeno-oxígeno, haciendo que el oxígeno sea ligeramente negativo, debilitándolo.

Una cuarta histidina está ubicada cerca al sustrato de agua y acepta un protón, en un ejemplo de catálisis ácido-base. Esto deja un hidróxido unido al Zinc.

El sitio activo también contiene un bolsillo con especificidad por el dióxido de carbono, llevándolo cerca al grupo hidróxido. Esto permite al hidróxido rico en electrones reaccionar con el dióxido de carbono, formando bicarbonato.

Familias de la Anhidrasa Carbónica

Hay al menos cinco familias distintas de Anhidrasa Carbónica (α, β, γ, δ y ε). Estas familias no tienen una secuencia aminoacídica significativa y, en la mayoría de los casos, se piensa que son un ejemplo de Evolución Convergente. Las AC-α se encuentran en seres humanos.

AC-α

Las enzimas AC encontradas en mamíferos se dividen cuatro amplios subgrupos,^[4] los cuales, a su vez se dividen en varias isoformas:

• las AC citosólicas (AC-I, AC-II, AC-III, AC-VII y AC-XIII) (AC1, AC2, AC3, AC7, AC13)
• AC mitocondriales (AC-A y AC-B) (AC5A, AC5B)
• AC secretadas (AC-VI) (AC6)
• AC asociadas a membranas (AC-IV, AC-IX, AC-XII, AC-XIV y AC-XV) (AC4, AC9, AC12, AC14)

Hay tres isoformas "acatalíticas" de Anhidrasa Carbónica (AC-VIII, AC-X, y AC-XI) (AC8, AC10, AC11) cuyas funciones permanecen desconocidas.^[5]

AC-β

La mayoría de los procariotas y los cloroplastos en vegetales pertenecen a la familia beta. Dos modelos de esta familia han sido identificados:

• 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

AC-γ

La clase gamma de las AC viene de las bacterias productoras de metano que crecen en primaveras calurosas.

AC-δ

La clase delta de AC ha sido descrita en diátomos. No obstante, la distinción de esta clase de AC se ha convertido recientemente en un interrogante.^[7]

AC-ε

La clase épsilon de las Ac ocurre exclusivamente en bacterias en unos pocos quimiolitotrofos y cianobacterias marinas que contienen cso-carboxisomas.^[8] Análisis recientes tridimensionales^[7] sugieren que las AC-ε tienen alguna semejanza estructural con las AC-β cerca del sitio del ion metálico. Así, las dos formas podrían ser distántemente relacionadas, incluso cuando la secuencia aminoacídica subyacente haya divergido desde entonces considerablemente.

Efectos Fisiológicos

La anhidrasa carbónica es diana de fármacos con efecto diurético de baja potencia como la acetazolamida y la dorzolamida, empleados en el tratamiento de la hipertensión intracraneal y el glaucoma.

Referencias