קרבוניק אנהידראז

מבנה מרחבי של האנזים קרבוניק אנהידראז

קרבוניק אנהידראז (CA) הוא אנזים השייך למשפחת המטלואנזימים (אנזימים המכילים אטום מתכת אחד או יותר החיוני לפעילות האנזים). האתר הפעיל באנזים זה מכיל יון אבץ. אנזים זה מזרז באופן קטליטי את הפיכת דו תחמוצת הפחמן לביקרבונט ופרוטונים. זוהי ריאקציה המתרחשת לאט למדי בהיעדר קטליזטור. קרבוניק אנהידראז מגדיל במידה רבה את קצב הריאקציה, כאשר קצב ריאקציה אופייני לכמה צורות שונות של האנזים נע בין 10⁴ ל 10⁶ תגובות לשנייה.

מבנה ותפקוד

ישנם כמה צורות שונות של קרבוניק אנהידראז המופיעות בטבע. לדוגמה, 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 לעזור בהוצאת דו תחמוצת הפחמן מהרקמות השונות.

צמחים מכילים צורת אחרת של האנזים הנקראת β-carbonic anhydrase . זהו אנזים השונה במקצת מ-α-carbonic anhydrase אך משתתף באותן הריאקציות וגם כן משתמש ביון האבץ באתר הפעיל שלו. בצמחים, קרבוניק אנהידראז עוזר להעלות את ריכוז ה-CO₂ 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 ה-CO₂ ולא בצורה של חומצה פחמנית או ביקרבונט.

כמו כן, נמצא כי אנזים ממשפחת הקרבוניק אנהידראז מצורניות ימיות משתמש ביון קדמיום, בעת מחסור באבץ. דבר זה יכול לאפשר גדילת פיטופלנקטון (כמו צורניות) באוקיינוסים בהם ריכוז האבץ עשוי להיות נמוך מאוד. לפני גילוי זה, קדמיום נחשב כמתכת כבדה ורעילה מאד ללא תפקוד ביולוגי מסוים.

ריאקציה

קצב הריאקציה של קרבוניק אנהידראז נחשב מהיר מאד יחסית להרבה אנזימים אחרים, ולמעשה אנזים זה נחשב לאנזים מושלם כיוון שקצב הריאקציה שלו כל כך מהיר כך שהוא מוגבל רק על ידי קצב הדיפוזיה של הסובסטרט שלו.
ברקמות בהם יש ריכוז גבוה של CO₂ (לדוגמה, בכלי הדם בקרבת שרירים) תזורז הריאקציה:

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

בעוד שהריאקציה ההופכית תזורז כאשר ריכוז CO₂ יהיה נמוך (בריאות).

מנגנון פעולה

הקבוצה הפרוסטטית (אבץ בדרך כלל) קשורה בשלוש עמדות על ידי טבעות האימידזול של חומצת האמינו היסטידין. לעמדה הרביעית נקשרת מולקולת מים. סידור זה, גורם לקיטוב (פולריזציה) של מולקולת המים, כל שיכול להיווצר יון הידרוקסיד, שהינו נוקלאופיל חשוב בתגובה זו. בנוסף, היסטידין רביעי ממוקם קרוב למקום קישור המים ויכול לקבל פרוטון (קטליזת חומצה-בסיס) ולכן לסייע ליצירת ההידרוקסיד באתר הפעיל. האתר הפעיל מכיל גם כיס מיוחד עבור דו תחמוצת הפחמן המביא אותו קרוב לקבוצת ההידרוקסיד מה שמאפשר להידרוקסיד לתקוף את דו תחמוצת הפחמן ליצירת ביקרבונט.

משפחת הקרבוניק אנהידראז

ישנם לפחות חמישה תתי-משפחות שונות של קרבוניק אנהידראז - α, β, γ, δ, ε. בין המשפחות אלו אין דמיון משמעותי ברצפי חומצות האמינו שלהם, וברוב המקרים, נחשבים כדוגמה טובה לאבולוציה מתכנסת.

• α-CA - אנזימי הקרבוניק אנהידראז הנמצאים ביונקים, מתחלקים ל4 תתי קבוצות רחבות שכל אחד מהם מורכב מכמה איזופורמים שונים: בציטוזול, במיטוכונדריה, אנזים מופרש ואנזים הקשור לממברנה.
• β-CA - רוב אנזימי הקרבוניק אנהידראז של הפרוקריוטים ושל הכלורופלסט בצמחים שיכיים למשפחה זו.
• γ-CA - מחלקת הגמא נמצאה בבקטריה המייצרת את גז המתאן.
• δ-CA - מחלקת הדלתא נמצאה בצורניות (אך קיומה של מחלקה זו הוטל לאחרונה בספק).
• ε-CA - מחלקת האפסילון של CA קיימת בעיקר בבקטריה ובכחוליות ימיות מסוימות. אנליזות תלת ממדיות שבוצעו לאחרונה גילו שε-CA נושא דמיון מבני לβ-CA בעיקר ליד מיקום יוני המתכת. לכן, ייתכן ו2 המחלקות הללו קשורות אחת לשנייה באופן אבולוציוני מרוחק למרות שרצפי חומצות האמינו הבסיסיות שלהם השתנו מאז בצורה רבה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא קרבוניק אנהידראז בוויקישיתוף

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

20671019קרבוניק אנהידראז