Carboanhydratase

Carboanhydrase (CA, EC 4.2.1.1), auch Carboanhydratase oder Carbonhydratase, ist ein Enzym, das die physiologisch bedeutsame Gleichgewichtsreaktion katalysiert.

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Allgemeines

Die Carboanhydrase ist eines der schnellsten bekannten Enzyme: sie kann jeweils bis zu 10⁶ Moleküle Kohlenstoffdioxid pro Sekunde hydratisieren und beschleunigt die Reaktion damit um das 10⁷-fache. (Siehe auch: Wechselzahl.) Sie ist nicht im Plasma, sondern intrazellulär zu finden. Sie ist ubiquitär, d.h. sie findet sich in allen bekannten Organismen. Genaugenommen versteht man unter CA nicht nur ein einziges Enzym, sondern eine ganze Klasse von Isoenzymen mit leicht unterschiedlichem Aufbau ihres Proteins. Man unterscheidet die in der Natur vorkommenden Isoenzyme in 3 genetisch unterschiedliche Klassen (CA alpha - gamma). Diese besitzen fundamentale Unterschiede im Aufbau des Apoenzyms, haben aber die gleiche Funktion. Sie können als Beispiele konvergenter Evolution angesehen werden. CA besitzt auch sonst eine große Strukturvielfalt - allein im Menschen existieren 7 verschiedene Isoenzyme, HCA I bis HCA VII (HCA = Human Carbonic Anhydrase), von denen die HCA II das bestuntersuchte ist.

Aufbau

CA besteht aus einem Protein und enthält als Cofaktor ein Zinkion (Zn^{2 +} ), welches die eigentliche katalytische Aktivität des Enzyms bedingt. (CA war übrigens nicht nur das erste bekannte Zinkenzym, sondern auch das erste Enzym überhaupt, von dem bekannt war, dass es ein Metall als Cofaktor benötigt.) Das Aktive Zentrum besteht aus dem Zinkion, welches an 3 Imidazolreste gebunden ist, die je von einer im Protein enthaltenen Aminosäure Histidin stammen. Die vierte Koordinationsstelle ist von einem Hydroxid-Liganden besetzt. Das Zink ist also tetrakoordiniert, der Koordinationspolyeder ist ein Tetraeder.

Funktionen im Organismus

Atmung

Bei der Atmung fällt Kohlendioxid (CO₂) als Stoffwechselendprodukte an. Kohlendioxid wird ins Blut freigesetzt und muss zu den Lungen (bei komplexen Organismen) transportiert werden. Bei Pflanzen wird Kohlendioxid für die Photosynthese benötigt und dafür durch die Spaltöffnungen der Blätter aufgenommen. Dieses gelangt schließlich in die Thylakoide und wird im Zuge der Photosynthese zu Glucose umgesetzt. In wässrigen Lösungen, wie z. B. im Blut oder im Zytoplasma, reagiert CO₂ indes mit Wasser zu Hydrogenkarbonat. Obwohl diese Reaktion auch ohne Katalysator spontan ablaufen, finden sich Carbonanhydrasen in fast allen Organismen. Ob CO₂ aufgenommen bzw. abgegeben wird, hängt vom pH-Wert des Zellplasmas ab. Im tierischen Organismus ist CA in Erythrozyten (roten Blutzellen) zu finden, wo sie am Kohlendioxidtransport beteiligt ist. Kohlendioxid diffundiert in den Kapillaren in die Erythrozyten, wird dort mit Wasser zu Kohlensäure und schließlich zu Bikarbonat und Protonen. Das Bikarbonat wird im sogenannten "Chlorid-Shift" gegen Chlorid aus dem Plasma ausgetauscht (um die Elektroneutralität zu wahren).

Nierenfunktion

CA ist unter Anderem entscheidend für die Regulation des Säure-Base-Haushaltes durch die Niere. Für diese Regulation ist wichtig, dass im Primärharn filtriertes Bikarbonat (Hydrogencarbonat, HCO₃^-) zu etwa 90 Prozent rückresorbiert wird. Andernfalls entstünde eine Azidose. Ohne die CA würde die Bikarbonat-Rückresorption aus dem Primärharn nicht funktionieren. Der Mechanismus: Aus den Tubuluszellen der Niere werden von intrazellulär nach extrazellulär (in das Lumen des Nierentubulus) Protonen (H ⁺ ) im Austausch gegen Na ⁺ ausgeschieden. Durch die Wirkung der CA wird aus filtriertem Bikarbonat und den Protonen Kohlensäure und anschließend Wasser und Kohlendioxid. Das Kohlendioxid kann (im Unterschied zum Bikarbonat) leicht durch die Zellmembran vom Tubuluslumen (Primärharn) in die Tubuluszelle gelangen. Dort katalysiert die intrazelluläre CA die umgekehrte Reaktion. Aus dem Kohlendioxid werden so in der Tubuluszelle Protonen und Bikarbonat gebildet. Das Bikarbonat wird aus der Zelle ins Blut abgegeben, das Proton steht erneut für die gleiche Reaktion zur Verfügung. Gehemmt werden kann die Carboanhydrase durch das Medikament Acetazolamid. Die Hemmung führt zu Bikarbonatverlust über den Harn und somit zu einer Azidose. Dies kann zur Behandlung von metabolischen Alkalosen eingesetzt werden.

Magenfunktion

Sie ist das Schlüsselenzym für die Produktion der Magensäure. Die Carboanhydrase befindet sich in den Belegzellen des Magenepithels. Protonen werden an der apikalen Membran der Epithelzelle durch eine Protonen-Kalium-ATPase (V-ATPase) in das Magenlumen transportiert. Dabei wird Kalium im Austausch in die Zelle transportiert. In der Zelle stellt die CA Protonen und Bicarbonat aus Wasser und Kohlendioxid her. An der basolateralen Membran wird Bicarbonat daraufhin im Austausch gegen Chlorid aus der Zelle in das Blutgefäßsystem gebracht. Das Chlorid gelangt an der apikalen Membran durch einen Chloridkanal in das Magenlumen und bildet dort mit den Protonen die Magensäure.

Die V-ATPase und Carboanhydrase in den Belegzellen des Magens wird durch Protonenpumpenhemmer wie z.B.Omeprazol oder Pantoprazol gehemmt.

Weitere Funktionen

In der Bauchspeicheldrüse dient die Carboanhydrase der Bikarbonat-Sekretion

Im Ziliarkörper des Auges ist die Carboanhydrase an der Produktion des Kammerwassers beteiligt. Hemmung durch Azetazolamid kann eine übermäßige Produktion (relativ im Vergleich zum Abtransport aus dem Auge) des Kammerwassers reduzieren und so helfen, einen überhöhten Augeninnendruck Glaukom zu reduzieren.

Die heute nur noch selten verwendeten Sulfonamide hemmen ebenfalls die Carboanhydrase.

Bei Süßwasserfischen ermöglicht die Carboanhydrase, in darauf spezialisierten Zellen des Kiemenepithels, die Salz Resorption und dient damit der Osmoregulation.

Reaktionsmechanismus der Carboanhydrase

• An das Zink(II) Ion, welches an die drei Stickstoffdonorzentren des Imidazolringes der drei Histidin-Aminosäuren koordiniert ist, kann sich ein Molekül Wasser anlagern. Infolge der Koordination an das Zinkion wird der pKs Wert des Wassermolküls gesenkt - so weit, dass auch bei dem physiologischem pH Wert, wie er in der Umgebung der Carboanhydrase zu finden ist, ein Proton abgespalten werden kann (1).

Dabei ist die am Sauerstoff zurückbleibende negative Ladung mesomeristabilisiert, da sie auf das Zink(II)ion übertragen werden kann.

• In einem nächsten Schritt (2) lagert sich ein Molekül Kohlenstoffdioxid im aktiven Zentrum des Enzyms so an, dass es mit dem Hydroxyidion reagieren kann.
• Die freien Elektronenpaare am Sauerstoff der OH-Gruppe greifen nukleophil das Kohlendioxidmolekül an, so dass ein Hydrogencarbonation entsteht (3)
• Schließlich kann ein Wassermolekül an das aktive Zentrum gebunden werden, so dass das Hydrogenkarbonation freigesetzt wird (4).

Durch diese Regenerierung des aktiven Zentrums kann ein neuer Zyklus beginnen.

Siehe auch

Komplexchemie

Quellen

Englisches Paper zur Hemmung der CA durch Omeprazol

Literatur

• Berg/Tymoczko/Stryer: Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2003, ISBN 3827413036