קרבוניק אנהידראז

קרבוניק אנהידראז (CA) שייך למשפחת המטלואנזים (אנזימים המכילים אטום אחד או יותר כמרכיב תפקודי של האנזים) המקטלזים את הפיכת דו תחמוצת הפחמן לביקרבונט ופרוטונים. זוהי ריאקציה המתרחשת לאט למדי בהעדר קטליזטור. קרבוניק אנהידראז מגדיל במידה רבה את קצב הריאקציה, כאשר קצב ריאקציה אופייני לכמה צורות שונות של האנזים נע בין 10⁴ ל 10⁶ תגובות לשניה. האתר הפעיל של רוב הCA מכיל יוני אבץ.

מבנה ותפקוד

ישנם כמה צורות שונות של קרבוניק אנהידראז המופיעות בטבע. לדוגמא, צורת ה α-carbonic anhydrase הנוכחת בבעלי חיים. התפקיד העיקרי של אנזים זה בבעלי חיים הוא להמיר את דו תחמוצת הפחמן והביקרבונט על מנת לשמור על ש"מ של חומצה-בסיס בדם, ברקמות השונות ובכדי להוות עזרה בהוצאת דו תחמוצת הפחמן מהרקמות השונות. צמחים מכילים צורת אחרת של CA הנקראת β-carbonic anhydrase . זהו אנזים השונה במקצת מ-α-carbonic anhydrase אך משתתף באותן הריאקציות וגם כן משתמש ביוני האבץ באתר הפעיל שלו.

בצמחים, CA עוזר להעלות את ריכוז הCO₂ בתוך הכלורופלסט במטרה להגביר את קצב הקרבוקסילציה (קיבוע פחמן דו חמצני) של האנזים רוביסקו. זוהי ריאקציה המביאה CO₂ ליצירת סוכרים של פחמן אורגני במהלך הפוטוסינתזה. הריאקציה תוכל להתקיים רק כאשר יהיה שימוש בצורת הCO₂ ולא בצורה של חומצה פחמנית או ביקרבונט.

• בשנת 2000, קדמיום, המכיל CA נמצא כשהוא מופרש מצורניות ימיות בזמן מחסור באבץ.

בים הפתוח, אבץ לעיתים קרובות נמצא בריכוזים נמוכים מאוד שזה יכול להגביל את גדילת הפיטופלנקטון - כמו צורניות. לכן, הCA, המשתמש ביוני מתכת שונים יהיה מאוד מועיל בסביבה כזו. לפני גילוי זה, קדמיום נחשב כמתכת כבדה ורעילה מאד ללא תפקוד ביולוגי מסויים.

• ריאקציות המקוטלזות ע"י קרבוניק אנהידראז:

${\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightarrow ^{Carbonic\ anhydrase}HCO_{3}^{-}+H^{+}}}$

זוהי ריאקציה המתרחשת ברקמות בהם יש ריכוז גבוה CO₂ ומתארת פירוק CO₂ לקרבוניק אנהידראז.

קצב הריאקציה של קרבוניק אנהידראז נחשב מהיר מאוד יחסית להרבה אנזימים אחרים, והקצב הריאקציה שלו בד"כ מוגבל ע"י קצב הדיפוזיה של הסובסטרט שלו. הריאקציה ההופכית, היא גם כן איטית באופן יחסי שזו גם הסיבה מדוע כאשר אנו פותחים מיכל בעל נוזל מוגז (כדוגמת בקבוק קולה) הגזים אינם נעלמים כליל באופן מיידי. אך כאשר יגיעו לפה ויתערבבו עם נוזלי הפה בנוכחות קרבוניק אנהידראז הגזים יעלמו יחסית מהר.

${\rm {HCO_{3}^{-}+H^{+}\rightarrow H_{2}CO_{3}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O}}$

ריאקציה זו מתרחשת בריאות ובנפרוני הכליות ששם ריכוז הCO₂ נמוך יחסית, כמו גם בתאי צמחים ומתארת פירוק קרבוניק אנהידראז ליצירת CO₂.

מנגנון פעולה

הקבוצה הפרוסטטית באבץ מסודרת ב3 מיקומים שונים ע"י שרשראות הצד של חומצת האמינו היסטידין. המיקום הרביעי תפוס ע"י מולקולת מים. סידור זה, גורם לפולריזציה (יצירת קוטב מסויים) של קשרי המימן-חמצן, הגורם לחמצן להיות שלילי מעט במטענו וע"י כך מחליש את קשריו עם מולקולת המימן. היסטידין רביעי ממוקם קרוב לסובסטרט של המים ויכול לקבל פרוטונים כדוגמת קטליזת חומצה-בסיס. תהליך זה משאיר את ההידרוקסיד קשור לאבץ. האתר הפעיל מכיל גם כיס מיוחד עבור דו תחמוצת הפחמן המביא אותו קרוב לקבוצת ההידרוקסיד מה שמאפשר לאלקטרון העשיר בהידרוקסיד לתקוף את דו תחמוצת הפחמן ליצירת ביקרבונט.

משפחות הקרבוניק אנהידראז (CA)

ישנם לפחות חמישה משפחות שונות של קרבוניק אנהידראז - α, β, γ, δ, ε. לכל המשפחות הללו, אין דמיון משמעותי ברצפי החומצות האמינו שלהם, וברוב המקרים, נחשבים כדוגמא טובה לאבולוציה מתכנסת.

α-CA

אנזימי הקרבוניק אנהידראז הנמצאים ביונקים, מתחלקים ל4 תתי קבוצות רחבות שכל אחד מהם מורכב מכמה איזופורמים שונים:

• ציטוזול CA
• מיטוכונדריה CA
• CA מופרש
• CA הקשור לממברנה

β-CA

רוב הCA של הפרוקריוטים ושל הכלורופלסט בצמחים שיכיים למשפחה זו. ישנם 2 תבניות שזוהו עבור משפחה זו:

• [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]

γ-CA

מחלקת הגמא נמצאה בבקטריה הגדלה באביב החם, ומייצרת את הגז מתאן.

δ-CA

מחלקת הדלתא נמצאה בצורניות. אך קיומה של מחלקה זו הוטל לאחרונה בספק.

ε-CA

מחלקת האפסילון של CA מתרחשת באופן בלעדי בבקטריה, בכמה כמוליטוטרפים (יצורים הצורכים חומרים אנ-אורגניים ומקבעים CO₂ בנשימה אירובית ואנ-אירובית)ובכחוליות ימיות המכילות קרבוקסיזום (בקטריה קטנה מאוד). אנליזות תלת מימדיות שבוצעו לאחרונה גילו שε-CA נושא דמיון מבני לβ-CA בעיקר ליד מיקום יוני המתכת. לכן, ייתכן ו2 המחלקות הללו קשורות אחת לשניה באופן אבולוציוני מרוחק למרות שרצפי חומצות האמינו הבסיסיות שלהם השתנו מאז בצורה רבה.