Carboanhydrase

Abkürzung: CA
Englisch: carbonic anhydrase

1 Definition

Die Carboanhydrasen sind eine Enzymfamilie, welche die Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) in Bikarbonat- (HCO₃^-) und Wasserstoffionen (H⁺) und umgekehrt katalysieren. Sie gehören zur Enzymklasse 4.2.1.1. Beim Menschen kommen nur α-Carboanhydrasen (α-CAs) vor.

2 Hintergrund

Carboanhydrasen sind an zahlreichen physiologischen Prozessen beteiligt. Ihren Namen haben sie daher, dass sie die unbeständige Kohlensäure durch Wasserabspaltung (Dehydratisierung) in deren Anhydrid Kohlendioxid überführen.

3 Biochemie

Carboanhydrasen sind Proteine, die Zink als Cofaktor nutzen. Sie katalysieren die Reaktion:

CO₂ + 2 H₂O ⇌ H₂CO₃ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HCO₃^-

Beim Menschen existieren mehr als 10 verschiedene Isoformen der α-Carbonahydrase, die systematisch mit römischen Zahlen nummeriert werden (CA-I, CA-II, CA-III usw.). Das Zinkion ist als aktives Zentrum für die eigentliche Aktivität des Enzyms verantwortlich. Es ist im Proteingerüst an drei von Histidin abgeleitete Imidazolreste gebunden. Die vierte Koordinationsstelle wird von einem Hydroxo-Liganden (OH^-) besetzt. Das Zink der Carboanhydrasen ist daher tetrakoordiniert. In unmittelbarer Nähe befindet eine Tasche zur Aufnahme von CO₂.

• 1. Schritt: Wasser lagert sich an das zweifach positive Zinkion an, sodass eine koordinierte OH^--Gruppe entsteht. Ein Proton geht ab.
• 2. Schritt: CO₂ wird in die dafür vorgesehene Tasche eingelagert.
• 3. Schritt: Das nukleophile Sauerstoffatom der OH^--Gruppe greift das partiell elektrophile CO₂-Molekül an, sodass HCO₃^- entsteht. Dabei agiert Zn²⁺ als Lewis-Säure.
• 4. Schritt: HCO₃^- wird im Austausch gegen ein Wassermolekül abgespalten. Das koordinierte Wassermolekül wird wieder zu einer OH^--Gruppe deprotoniert, sodass der Zyklus erneut beginnen kann.

4 Physiologie

4.1 Atmung

Ca. 80% des Kohlendioxids werden in den Erythrozyten mithilfe der Carboanhydrasen zu Bicarbonat und Protonen umgewandelt. HCO₃^- verlässt im Austausch mit Cl^- die Erythrozyten sofort wieder. Dieser Vorgang wird auch als Hamburger-Shift bezeichnet.

4.2 Gastrointestinaltrakt

In den Belegzellen des Magen, wird Salzsäure sezerniert, welche auf Protonen angewiesen ist. Intrazellulär reagiert CO₂ mit H₂O in der uns schon bekannten Reaktion zu HCO₃^- und H⁺. Das Bicarbonat wird sogleich im mit einem Cl^-/HCO₃^--Austauscher aus der Zelle befördert und das Chlorid und die H⁺-Ionen bilden im Magenlumen die Salzsäure.

4.3 Niere

In der renalen Säure/Base Regulation spielen Carboanhydrasen ebenfalls eine wichtige Rolle. Hier werden zuerst H⁺ im Austausch gegen Na⁺ in das Lumen des Tubulussystems sezerniert, welche dann im Lumen mit HCO₃^- Kohlensäure bilden. Die Kohlensäure wird am Bürstensaum der Tubuluszellen durch Carboanhydrasen in der bekannten Reaktion zu H₂O und CO₂ gespalten; letzteres diffundiert passiv in das Zellinnere.

In der Zelle läuft die Reaktion dann rückwärts ab, d.h. es bildet sich HCO₃^-, welches mit einem Na⁺ Symport basolateral aus der Zelle geschafft wird, und H⁺, welches wie zu Beginn in das Lumen transportiert wird.

4.4 Auge

Durch eine Carboanhydrase-katalysierte Reaktion wird das sog. Kammerwasser gebildet, welches für den Augeninnendruck verantwortlich ist.

5 Pharmakologie

Carboanhydrasen können durch so genannte Carboanhydrasehemmer spezifisch inhibiert werden. Bekanntester Wirkstoff ist das Acetazolamid, welches zu Methazolamid und Diclofenamid weiterentwickelt wurde.