Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Anidrasi Carbonica


Molecola del Mese di Gennaio 2004

Inspirare, Espirare
Respirare è una funzione fondamentale nella vita. Vi siete mai chiesti cosa accade realmente quando respiriamo? L'aria che respiriamo contiene prezioso ossigeno che è indispensabile per degradare gli zuccheri e i grassi nelle nostre cellule. Nei polmoni, l'ossigeno diffonde nel sangue, si lega all'emoglobina (mdm 5-2003) e viene trasportato in tutte le cellule del nostro corpo. L'anidride carbonica è un sottoprodotto della degradazione degli zuccheri e dei grassi nelle cellule e deve essere eliminata dal nostro corpo. Di nuovo, il sangue funge da mezzo di trasporto. L'anidride carbonica diffonde fuori dalle cellule e viene trasportata dal sangue in tre modi diversi. Meno del 10% si scioglie nel plasma , circa il 20% si lega all'emoglobina, mentre la maggior parte (70%) viene trasformata in acido carbonico per essere trasportata ai polmoni. Un enzima presente nei globuli rossi del sangue, l'anidrasi carbonica, aiuta nella conversione dell'anidride carbonica ad acido carbonico e ioni bicarbonato. Quando i globuli rossi raggiungono i polmoni, lo stesso enzima aiuta a convertire di nuovo gli ioni bicarbonato in anidride carbonica che noi possiamo espirare. Queste reazioni possono avvenire anche senza enzima, ma l'anidrasi carbonica può aumentare la loro velocità fino ad un milione di volte.

Piante Verdi e Coralli
Anche le piante usano l'ossigeno per produrre energia, ed anche loro rilasciano anidride carbonica. Le piante verdi possono convertire l'acqua e l'anidride carbonica in zuccheri quando sono esposte alla luce del sole. Questo processo di fotosintesi utilizza l'anidride carbonica dell'atmosfera. L'anidride carbonica gassosa viene immagazzinata nelle piante come ioni bicarbonato. Sia nelle piante terrestri che in quelle acquatiche, l'anidrasi carbonica viene utilizzata per riconvertire gli ioni bicarbonato in anidride carbonica per la fotosintesi.
Un altro fenomeno biologico notevole, nel quale è coinvolto questo enzima, è la calcificazione dei coralli. Il calcio presente nell'acqua di mare reagisce col bicarbonato prodotto dall'anidrasi carbonica dei polipi del corallo, formando calcio carbonato. Questo viene depositato e forma la dura superficie esterna dei coralli.

Anidrasi Carbonica
L'anidrasi carbonica è un enzima che catalizza la rapida interconversione di anidride carbonica e acqua in acido carbonico, protoni e ioni bicarbonato. Questo enzima è stato identificato per la prima volta nel 1933, nei globuli rossi di bovino. Da allora, è stato trovato in abbondanza in tutti i tessuti dei mammiferi, ma anche in piante, alghe e batteri. Questo è un enzima antico e se ne conoscono tre classi distinte (chiamate anidrasi carbonica alfa, beta e gamma). I membri delle diverse classi hanno in comune molto poco della loro sequenza e della loro struttura, anche se svolgono tutti la stessa funzione e richiedono un ione zinco nel loro sito attivo. Le anidrasi carboniche dei mammiferi appartengono alla classe alfa, gli enzimi delle piante appartengono alla classe beta, mentre l'enzima dei batteri produttori di metano che vivono sul fondo delle paludi appartiene alla classe gamma. Appare evidente che queste classi di enzimi si sono evolute indipendentemente, ma comunque hanno creato dei siti attivi enzimatici simili. Le strutture dei file PDB 1ca2, 1ddz e 1thj, mostrate qui a fianco dall'alto verso il basso, sono esempi di anidrasi carboniche alfa, beta e gamma rispettivamente. In queste figure gli ioni zinco nel sito attivo sono colorati in grigio. Si noti che l'enzima alfa è un monomero, mentre l'enzima gamma è un trimero. Anche se l'enzima beta mostrato qui è un dimero, contiene quattro ioni zinco e questo suggerisce che contenga quattro siti attivi enzimatici. Altri membri di questa classe formano tetrameri, esameri e ottameri, suggerendo che il dimero è probabilmente il costituente fondamentale per questa classe.
Le anidrasi carboniche dei mammiferi si presentano in circa 10 isoforme lievemente diverse a seconda del tessuto o del tipo di cellule in cui sono localizzate. Questi isozimi hanno alcune variazioni di sequenza che conducono a specifiche differenze nella loro attività. Gli isozimi trovati nelle fibre muscolari hanno una bassa attività enzimatica se paragonati a quelli secreti dalle ghiandole salivari. Mentre la maggior parte degli isozimi di anidrasi carbonica è solubile e viene secreta, alcuni sono legati alle membrane di specifiche cellule epiteliali.

Controllo del pH e dei fluidi corporei
Dato che questo enzima produce ed usa protoni e ioni bicarbonato, l'anidrasi carbonica ha un ruolo chiave nella regolazione del pH e nell'equilibrio dei fluidi in diverse parti del nostro corpo. Contribuisce alla secrezione di acido nello stomaco, mentre lo stesso enzima aiuta a rendere il succo pancreatico alcalino e la saliva neutra. Il trasporto di protoni e di ioni bicarbonato prodotti nei reni e negli occhi influenza il contenuto di acqua nelle cellule di questi organi. Gli isozimi di anidrasi carbonica, quindi, compiono funzioni diverse nei vari distretti, e la loro assenza o il loro cattivo funzionamento possono condurre a stati di malattia, che vanno dalla mancanza di produzione di acido nello stomaco, al blocco renale, al glaucoma.

Quando aumenta la quantità dei liquidi oculari che mantengono la forma dei nostri occhi, il liquido all'interno dell'occhio preme in modo eccessivo sul nervo ottico e può danneggiarlo. Questa condizione è chiamata glaucoma. Negli ultimi anni gli inibitori dell'anidrasi carbonica vengono usati per trattare il glaucoma. Bloccare questo enzima altera l'equilibrio dei fluidi negli occhi del paziente, riduce la produzione di liquido, abbassando così la pressione all'interno dell'occhio. Nella figura qui a fianco (file PDB 1cnw) si vede come uno di questi inibitori (una solfonammide, verde) si lega all'anidrasi carbonica umana (isozima II). Notate che questo inibitore si lega vicino al sito attivo e ostacola le interazioni dell'acqua legata allo ione zinco, bloccando l'azione dell'enzima. Sfortunatamente, l'uso prolungato di questo farmaco può colpire lo stesso enzima che è presente negli altri tessuti e può provocare spiacevoli effetti collaterali come danni al rene e al fegato.

Esplorando la Struttura
Gli enzimi anidrasi carbonica della classe alfa sono stati studiati a fondo, e questo ha permesso di comprendere bene il loro funzionamento. La figura qui a fianco sulla sinistra mostra la struttura dell'anidrasi carbonica II presente nel file PDB 1ca2. Si noti la grande porzione con struttura beta a pieghe (gialla) nel centro della figura . Il sito attivo giace al fondo di una fenditura profonda dell'enzima dove è legato un atomo di zinco (sfera grigia). Gli atomi di azoto di tre istidine (gialle) legano direttamente lo zinco. Questi amminoacidi sono estremamente conservati in ogni isozima. Anche la treonina 199 e il glutammato 106 (magenta) agiscono trattenendo una molecola d'acqua (sfera rossa) vicino allo zinco. Questi amminoacidi, oltre all'istidina 64 (anche questa magenta), aiutano a portare sullo zinco un ione idrossido. Alcuni isozimi differiscono per alcuni di questi residui e la loro attività enzimatica è lievemente diversa.

Lo zinco è la chiave di questa reazione enzimatica. L'acqua legata allo ione zinco viene scissa in un protone ed uno ione idrossido. Poichè lo zinco è uno ione positivo, stabilizza lo ione idrossido negativo che così può attaccare l'anidride carbonica. Nelle due immagini sulla destra si può vedere in dettaglio lo ione zinco legato alle catene laterali degli amminoacidi del sito attivo. La figura in alto (file PDB 1ca2) mostra lo ione idrossido (sfera rossa) legato allo ione zinco (grigio). Lo zinco dirige il trasferimento dello ione idrossido all'anidride carbonica, formando uno ione bicarbonato. La figura in basso a destra mostra una struttura intermedia dove lo ione bicarbonato (tre sfere rosse e una grigia) si è appena formato ed è ancora legato all'enzima (file PDB 1cam). Si noti che l'istidina 64 oscilla avvicinandosi e allontanandosi dallo ione zinco ad ogni ciclo enzimatico aiutando lo zinco a ricaricarsi con un nuovo ione idrossido. Appena lo zinco si è ricaricato con una nuova molecola di acqua e lo ione bicarbonato è stato rilasciato, l'enzima è pronto ad agire su un'altra molecola di anidride carbonica.

Bibliografia

Tripp, B.C., Smith, K., and Ferry, J.G., (2001): Carbonic anhydrase: New insights for an ancient enzyme. Journal of Biological Chemistry 276, pp. 48615-48618.

Lindskog, S. (1997): Structure and Mechanism of Carbonic Anhydrase. Pharmacology and Therepeutics 74, pp. 1-20.