Carboanhydrase

Abkürzung: CA
Englisch: carbonic anhydrase

1 Definition

Die Carboanhydrase ist ein Enzym, das im menschlichen Stoffwechsel eine wichtige Rolle spielt. Es katalysiert die Reaktion CO₂ + 2 H₂O ⇌ H₂CO₃ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HCO₃^- und gehört zur Enzymklasse 4.2.1.1.

2 Hintergrund

Die Carboanhydrase ist an zahlreichen physiologischen Prozessen beteiligt. Ihren Namen hat sie daher, dass sie die unbeständige Kohlensäure durch Wasserabspaltung (Dehydratisierung) in deren Anhydrid Kohlendioxid überführt.

3 Biochemie

Die Carboanhydrase besteht aus einem Protein, welches Zink als Cofaktor nutzt. 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 ist von einem Hydroxo-Liganden besetzt. Das Zink der Carboanhydrase ist daher tetrakoordiniert.

4 Physiologie

4.1 Atmung

Ca. 80% des Kohlendioxids werden in den Erythrozyten mithilfe der Carboanhydrase 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 spielt die Carboanhydrase 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 die Carboanhydrase 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

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