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Carboanhydratase
Synonyme	Carboanhydrase
EC-Nummer	4.2.1.1.
CAS-Nummer	9001-03-0
Kategorie	Lyase
Reaktionsart	Gleichgewichtsreaktion
Substrate	Kohlendioxid + Wasser
Produkte	Hydrogencarbonat + Wasserstoffion

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

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Aufbau 3 Funktionen im Organismus 3.1 Atmung 3.2 Nierenfunktion 3.3 Weitere Funktionen 3.4 Reaktionsmechanismus der Carboanhydrase

Allgemeines

Die Carboanhydratase 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 Zink-Ion (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

Der Austausch von Kohlendioxid, also die Abgabe des Stoffwechselendproduktes CO₂ und, im Falle von Pflanzen, die Aufnahme desselben als "Nahrung" ist von entscheidender Bedeutung für alle Organismen. Ob CO₂ aufgenommen oder abgegeben wird, hängt vom pH-Wert des Zellplasmas ab. Im tierischen Organismus ist CA in Erythrozyten (roten Blutzellen) zu finden, wo sie am Kohlendioxid-Transport 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, ) 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.

Weitere Funktionen

In der Magenschleimhaut ist die Carboanhydrase an der Salzsäure-Produktion beteiligt.

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.

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 Wassers drastisch 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 (Zn-OH). Die am Sauerstoff zurückbleibende negative Ladung wird auf das Zink(II) Ion übertragen, welches sodann nur noch einfach positiv geladen ist. In einem nächsten Schritt lagert sich ein Molekül Kohlenstoffdioxid an: Freie Elektronenpaare am Sauerstoff koordinieren an Zink(I), während der nucleophile Sauerstoff der OH-Gruppe ("Rest" des Wassermoleküls nach Deprotonierung) am Kohlenstoffatom des CO2 angreift. Resultat dieses Angriffs ist eine Esterbrücke von Zink(I) zum Kohlenstoff des CO2. Wird diese Esterbrücke nun hydrolysiert ("Verseifung"), so wird Hydrogencarbonat (HCO3-) frei (und damit eine negative Ladung entfernt: Zink(I) -> Zink(II)!) und Wasser angelagert, womit der Urzustand des Enzyms wiederhergestellt ist und der nächste Arbeitsdurchlauf begonnen werden kann.

siehe auch: Komplexchemie

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