Carbonato deidratasi

carbonato deidratasi
La anidrasi carbonica (in verde una sulfonamide, inibitore dell'attività enzimatica)
Numero EC	4.2.1.1
Classe	Liasi
Nome sistematico
carbonato idro-liasi
Altri nomi
anidrasi carbonica; anidrasi; carbossianidrasi; anidrasi carbonica A
Banche dati	BRENDA, EXPASY, GTD, PDB (RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum)
Fonte: IUBMB

La carbonato deidratasi (o anidrasi carbonica; CAH) è un enzima, appartenente alla classe delle liasi, che è presente nei globuli rossi ,nei mesofilli delle piante C4 e CAM e in molti altri organismi e tipi cellulari (ad esempio anche a livello dei tubuli renali e del sistema nervoso).

Il compito dell'anidrasi carbonica è quello di catalizzare la reazione tra anidride carbonica (CO₂) e acqua (H₂O) a formare acido carbonico (H₂CO₃) secondo l'equazione chimica:

${\ce {H2O + CO2 <=> HCO3- + H+}}$

La direzione in cui la reazione ha luogo dipende dalla concentrazione di CO₂: se questa è bassa (come nei polmoni) l'acido viene dissociato, e viene liberata anidride carbonica; se questa è elevata, l'anidride si lega all'acqua che forma i carbonati e questi vengono trasportati dal sangue ai polmoni.

Non si tratta di un enzima esclusivamente umano, dal momento che è presente in svariati organismi biologici ed è fondamentale nella fotosintesi ossigenica nel ruolo di concentrazione della CO₂ che sarà fissata dall'enzima ribulosio-bisfosfato carbossilasi.

Biologia e fisiologia

Della proteina ne esistono almeno 12 isoforme, contrassegnate con numeri romani; hanno svariata distribuzione tessuto-dipendente e tutte necessitano di zinco per la loro catalisi.

Tra i ruoli biologici oramai riconosciuti alle CAHs vi sono:

• acidificazione del tessuto renale
• controllo ionico dell'apparato riproduttivo
• riassorbimento osseo
• controllo della gluconeogenesi
• secrezione acida gastrica.

Le isoforme IX e XII sono state correlate alla proliferazione cellulare ed all'oncogenesi, dato che sono espresse in elevate concentrazioni in molti tipi di tumori umani.

La distribuzione subcellulare delle isoforme è così disposta:

• la CAH I, II, III e VII si trovano nel citoplasma;
• la CAH V è mitocondriale;
• la CAH VI è presente nella saliva e
• la CAH IV, IX, XII e XIV sono proteine di membrana, di cui la VI è ancorata tramite un residuo di glicosil-fosfatidil-inositolo (GPI anchor), mentre le altre sono proteine transmembrana;
• esiste anche una proteina CAH-simile nel nucleo cellulare chiamata p54nrb, che ha dimostrato attività enzimatica. Secondo alcuni Autori potrebbe servire alla regolazione del pH nucleare durante la mitosi.

Acidificazione gastrica e renale

L'anidrasi carbonica II è una delle isoforme maggiormente studiate. Serve alla secrezione protonica gastrica grazie alla sua interazione con lo scambiatore anionico cloro-bicarbonato (AE1), di cui esistono varie forme. Le proteine AE facilitano lo scambio elettro-neutro tra anioni bicarbonato e anioni cloro tra l'ambiente extracellulare e quello citoplasmatico; in tal modo contribuiscono alla regolazione del pH, alla regolazione del volume cellulare ed all'eliminazione dell'anidride carbonica. La CAH II interagisce con la proteina AE1 e nelle cellule ossintiche dello stomaco per controllare la secrezione di protoni nel lume gastrico, mentre gli anioni bicarbonato vengono re-direzionati nel torrente sanguigno. L'interazione è stata vista verificarsi anche a livello degli eritrociti. Il suo blocco tramite il farmaco acetazolamide (diuretico sulfamidico) risulta in una grossa riduzione del trasporto di bicarbonato nel sangue. La CAH II è espressa pure a livello renale, soprattutto nelle cellule intercalari, e con minore espressione nei tubuli prossimali, nell'ansa di Henle e nelle cellule principali del dotto collettore. È l'unica forma solubile di CAH nelle cellule epiteliali renali.

La CAH IV si trova nelle cellule dell'orletto a spazzola e sulle membrane basolaterali delle cellule del tubo prossimale, mentre la CA XII è stata riscontrata nelle membrane basolaterali della branca spessa ascendente dell'ansa di Henle e dei tubuli convoluti distali. Nei tubuli prossimali pare sia stato riscontrato anche l'mRNA per l'isoforma XIV. Il rene riassorbe in pratica quasi tutto il bicarbonato maneggiato dai glomeruli, l'80% del quale in media avviene nel tubulo prossimale. Qui, grazie all'interazione biochimica e funzionale con altre proteine, le CAH II e IV operano il riassorbimento dell'anione bicarbonato. Infatti, nel tubulo prossimale uno scambiatore sodio-protoni (NHE3) e la protone-ATPasi vacuolare secernono protoni nel lume che si combinano con gli anioni HCO−3, che vengono scissi in acqua e CO₂ dalla CAH IV. La CO₂ diffonde nelle cellule attraverso la membrana apicale e viene reidratata dalla CAH II citoplasmatica a bicarbonato e protoni. I protoni vengono così riciclati dall'NHE3 mentre il bicarbonato diffonde attraverso la membrana basolaterale tramite un cotrasportatore sodio-dipendente. Il processo si conclude con un netto riassorbimento di bicarbonato senza alcuna secrezione di protoni.

Regolazione endogena

L'anidrasi carbonica risente della presenza di anioni organici ed alcune isoforme possono risentire anche dell'effetto di cationi.

I migliori inibitori delle CAH I e II sono l'anione clorato, l'anione perclorato e silicato mentre il solfato è un inibitore debole. Possono però venire rallentate dal solfato di magnesio in toto. Anche il carbamil-fosfato (prodotto iniziale del ciclo dell'urea) esercita azione regolatrice su questi due isoenzimi. La CAH I, inoltre, può essere direttamente attivata dagli anioni fosfato mono- e dibasico (H₂PO−4 ed HPO2−4).

L'isoforma III può essere attivata dal fosfato inorganico e da altri composti contenenti fosforo di importanza biologica, come l'ATP e l'acido 3-fosfoglicerico. È stato speculato che questo isoenzima regoli l'andamento del pH durante la glicolisi.

L'isoenzima IV è invece estremamente sensibile agli anioni ortofosfato, sensibile al solfato ma non al perclorato e può essere attivata dagli ioni cloruro e bromuro. La forma mitocondriale V fra tutte ha la più bassa affinità sia per il solfato che il carbonato, ed è resistente al fosfato inorganico. Invece, la CAH IX associata ai tumori è molto resistente all'inibizione da solfato ma è estremamente sensibile alle minime variazioni di carbonato e bicarbonato.

Bibliografia

• (EN) Keilin, D. e Mann, T. Carbonic anhydrase. Nature 144 (1939) 442–443.
• (EN) Murakami, H. e Sly, W.S. Purification and characterization of human salivary carbonic anhydrase. J. Biol. Chem. 262 (1987) 1382–1388. Entrez PubMed 2433278
• Paranawithana SR et al. Enhancement of the catalytic activity of carbonic anhydrase III by phosphates. J Biol Chem. 1990 Dec 25; 265(36):22270-274.
• Innocenti A et al. Carbonic anhydrase inhibitors. Inhibition of isozymes I, II, IV, V, and IX with anions isosteric and isoelectronic with sulfate, nitrate, and carbonate. Bioorg Med Chem Lett. 2005 Feb 1; 15(3):567-71.
• Innocenti A et al. Carbonic anhydrase inhibitors: inhibition of the membrane-bound human isozyme IV with anions. Bioorg Med Chem Lett. 2004 Dec 6; 14(23):5769-73.
• (EN) Badger, M. R.; Price, D. The role of carbonic anhydrase in photosynthesis. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol Biol. (1994) 45 369-392.
• Geers C, Gros G Carbon dioxide transport and carbonic anhydrase in blood and muscle. Physiol. Rev 2000; 80:681-715.
• Kivela A et al (2000): Expression of a novel CAH isozyme XII in normal human gut and colorectal tumors. Am J Pathol. 156:577-584.
• Reithmeier RAF (2001): A membrane metabolon linking carbonic anhyrase with chloride/bocarbonate anion exchangers. Blood Cells Mol Dis 27:85-89.
• Tureci O et al (1998): Human carbonic anhydrase XII: cDNA cloning, expression and chromosomial localization of a carbonic anhydrase gene that is overexpressed in some renal cancer cells. Proc Natl Acad Sci. 95:7608-13.
• Caflisch CR, DuBose TDJ. Direct evaluation of acidification by rat testis and epididymis: role of carbonic anhydrase. Am J Physiol 258: E143-150.
• Tripp, B.C., Smith, K., e Ferry, J.G., (2001): Carbonic anhydrase: New insights for an ancient enzyme. Journal of Biological Chemistry 276, pp. 48615–48618.
• Lindskog, S. (1997): Structure and Mechanism of Carbonic Anhydrase. Pharmacology and Therepeutics 74, pp. 1–20.

Altri progetti

Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Carbonato deidratasi

Collegamenti esterni

• Anidrasi carbonica, traduzione da PDB, su pianetachimica.it. URL consultato il 7 aprile 2018 (archiviato il 16 maggio 2006).