Карбоангидраза

Карбоангидраза — это фермент (класс лиаз), катализирующий обратимую реакцию гидратации диоксида углерода (CO₂) с образованием угольной кислоты (H₂CO₃). Карбоангидраза является одним из самых быстрых известных ферментов: скорость её катализируемой реакции может достигать 10⁶ молекул CO₂ в секунду на одну молекулу фермента. Фермент широко распространён в природе, встречается у животных, растений, бактерий и архей, и играет ключевую роль в регуляции кислотно-щелочного баланса, транспорте газов, секреции ионов и других физиологических процессах.

История открытия

Карбоангидраза была впервые идентифицирована в 1932 году американскими биохимиками Уильямом Мелдрумом и Фрэнсисом Рафтоном. Исследуя эритроциты человека, они обнаружили, что реакция гидратации CO₂ в крови ускоряется в присутствии некоего белкового компонента, который был назван «карбоангидразой». В 1933 году учёные выделили фермент в чистом виде и определили его молекулярную массу. В 1940-х годах была установлена его структура и механизм действия, а в 1960-х годах начались клинические исследования ингибиторов карбоангидразы как потенциальных лекарственных средств.

Структура и механизм действия

Строение

Карбоангидраза представляет собой металлофермент, содержащий в активном центре ион цинка (Zn²⁺), который координирован тремя остатками гистидина и молекулой воды (или гидроксид-иона). У млекопитающих известно несколько изоформ (изоферментов) карбоангидразы, различающихся по локализации, кинетическим свойствам и чувствительности к ингибиторам. Наиболее изучены:

• Карбоангидраза I (CA I) — присутствует в эритроцитах, участвует в транспорте CO₂.
• Карбоангидраза II (CA II) — наиболее активная изоформа, содержится в эритроцитах, почках, лёгких, желудке и других тканях.
• Карбоангидраза III (CA III) — локализована в скелетных мышцах, обладает низкой активностью.
• Карбоангидраза IV (CA IV) — мембраносвязанная форма, участвует в регуляции pH в почечных канальцах.
• Карбоангидраза V (CA V) — митохондриальная форма, участвует в глюконеогенезе.
• Карбоангидраза VI (CA VI) — секретируется в слюне и желудочном соке.
• Карбоангидраза VII (CA VII) — экспрессируется в слюнных железах и мозге.
• Карбоангидраза IX (CA IX) — мембраносвязанная форма, гиперэкспрессируется в некоторых опухолях.
• Карбоангидраза XII (CA XII) — мембраносвязанная форма, также связана с онкогенезом.

Каталитический механизм

Реакция, катализируемая карбоангидразой, протекает в два этапа:

1. Гидратация CO₂: CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (угольная кислота).
2. Диссоциация угольной кислоты: H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻ (бикарбонат-ион).

В активном центре ион цинка поляризует молекулу воды, превращая её в гидроксид-ион (OH⁻), который атакует молекулу CO₂, образуя бикарбонат-ион. Затем протон (H⁺) высвобождается, и фермент возвращается в исходное состояние. Скорость реакции лимитируется стадией переноса протона, который может быть передан на буферные молекулы (например, имидазол гистидина).

Физиологическая роль

Транспорт газов в крови

В эритроцитах карбоангидраза (в основном изоформы CA I и CA II) катализирует гидратацию CO₂, образующегося в тканях, с образованием угольной кислоты. Угольная кислота диссоциирует на бикарбонат-ион (HCO₃⁻) и протон (H⁺). Бикарбонат-ион транспортируется в плазму крови, а протон связывается с гемоглобином (эффект Бора), способствуя отдаче кислорода тканям. В лёгких процесс обращается: карбоангидраза катализирует дегидратацию бикарбоната с выделением CO₂, который выводится с выдыхаемым воздухом.

Регуляция кислотно-щелочного баланса

В почках карбоангидраза (CA II и CA IV) участвует в реабсорбции бикарбоната и секреции протонов в мочу, что необходимо для поддержания pH крови в узком диапазоне (7,35–7,45). В желудке карбоангидраза (CA II) обеспечивает секрецию соляной кислоты париетальными клетками, а в поджелудочной железе — секрецию бикарбоната в кишечник.

Секреция и транспорт ионов

Карбоангидраза участвует в образовании слюны, желудочного сока, спинномозговой жидкости, внутриглазной жидкости и других биологических жидкостей. В глазу она регулирует продукцию водянистой влаги, а в ухе — эндолимфы.

Метаболические функции

Митохондриальная карбоангидраза (CA V) участвует в глюконеогенезе и липогенезе, обеспечивая субстраты для синтеза глюкозы и жирных кислот.

Ингибиторы карбоангидразы

Ингибиторы карбоангидразы (ИКА) — это соединения, блокирующие активность фермента. Они делятся на несколько классов:

• Сульфонамиды (например, ацетазоламид, дорзоламид, бринзоламид) — наиболее распространённые ингибиторы, связывающиеся с ионом цинка.
• Тиазолидиноны — ингибиторы, действующие на изоформу CA II.
• Кумарины — природные ингибиторы, выделенные из растений.
• Неорганические анионы (например, цианид, азид) — слабые ингибиторы.

Клиническое применение

Ингибиторы карбоангидразы используются в медицине для лечения:

• Глаукомы: дорзоламид и бринзоламид снижают внутриглазное давление, уменьшая продукцию водянистой влаги.
• Эпилепсии: ацетазоламид применяется как противосудорожное средство (особенно при абсансах).
• Отёчного синдрома: ацетазоламид используется как диуретик при отёках, вызванных сердечной недостаточностью или циррозом печени.
• Горной болезни: ацетазоламид ускоряет акклиматизацию к высокогорью, снижая pH крови и стимулируя дыхание.
• Остеопороза: некоторые ингибиторы (например, золедроновая кислота) подавляют активность остеокластов.
• Рака: изоформы CA IX и CA XII, гиперэкспрессируемые в опухолях, являются мишенями для противораковых препаратов (например, сульфонамидные производные).

Побочные эффекты

Применение ингибиторов карбоангидразы может вызывать метаболический ацидоз, гипокалиемию, парестезии (онемение конечностей), сонливость, а в редких случаях — почечнокаменную болезнь (из-за снижения экскреции цитрата).

Карбоангидраза у растений

У растений карбоангидраза участвует в фотосинтезе. Она катализирует гидратацию CO₂ в хлоропластах, обеспечивая субстрат для фермента рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилазы (RuBisCO). У C4-растений карбоангидраза играет роль в концентрировании CO₂ в клетках обкладки пучка. У водных растений (например, водорослей) фермент участвует в транспорте бикарбоната через мембраны.

Карбоангидраза у бактерий

У бактерий карбоангидраза участвует в регуляции pH цитоплазмы, транспорте CO₂ и бикарбоната, а также в патогенезе. Например, у Helicobacter pylori карбоангидраза необходима для выживания в кислой среде желудка. У Mycobacterium tuberculosis фермент участвует в метаболизме CO₂ и может быть мишенью для новых антибиотиков.

Интересные факты

• Карбоангидраза является одним из самых быстрых ферментов: её каталитическая константа (kcat) достигает 10⁶ с⁻¹, что в 10⁷ раз быстрее некатализируемой реакции.
• Фермент содержит ион цинка, который необходим для его активности. Замена цинка на другие металлы (например, кобальт, никель) снижает активность.
• У человека известно 16 изоформ карбоангидразы, из которых 12 активны. Некоторые изоформы (например, CA VIII, CA X, CA XI) не обладают каталитической активностью, но выполняют регуляторные функции.
• Карбоангидраза была одним из первых ферментов, для которого была определена трёхмерная структура методом рентгеновской кристаллографии (в 1972 году).
• Ингибиторы карбоангидразы используются в качестве диуретиков с 1950-х годов, когда ацетазоламид был одобрен FDA.

Источники

• Meldrum N. U., Roughton F. J. W. Carbonic anhydrase. Its preparation and properties // Journal of Physiology. — 1933. — Vol. 80, № 2. — P. 113–142.
• Supuran C. T. Carbonic anhydrases: novel therapeutic applications for inhibitors and activators // Nature Reviews Drug Discovery. — 2008. — Vol. 7, № 2. — P. 168–181.
• Lindskog S. Structure and mechanism of carbonic anhydrase // Pharmacology & Therapeutics. — 1997. — Vol. 74, № 1. — P. 1–20.
• Sly W. S., Hu P. Y. Human carbonic anhydrases and carbonic anhydrase deficiencies // Annual Review of Biochemistry. — 1995. — Vol. 64. — P. 375–401.
• Tashian R. E. The carbonic anhydrases: widening perspectives on their evolution, expression and function // BioEssays. — 1989. — Vol. 10, № 6. — P. 186–192.