La anhidrasa carbónica desempeña un papel importante en la respiración al influir en el transporte de CO2 en la sangre.
La anhidrasa carbónica o anhídrido carbónico es una enzima que se encuentra en los glóbulos rojos, la mucosa gástrica, las células pancreáticas y los túbulos renales que catalizan la interconversión del dióxido de carbono (CO2) y el ácido carbónico (H2CO3).
La enzima también funciona en la formación de ácido clorhídrico por el estómago.
La anhidrasa carbónica es una enzima crucial que opera en células animales, células vegetales y en el medio ambiente para estabilizar las concentraciones de dióxido de carbono.
Sin esta enzima, la conversión de dióxido de carbono a bicarbonato, y viceversa, sería extremadamente lenta, y sería casi imposible llevar a cabo procesos vitales, como la fotosíntesis en las plantas y las personas que exhalan dióxido de carbono durante la respiración.
A pesar de que realiza muchas funciones beneficiosas, también puede dañar el cuerpo humano, incluso causando algunas formas de cáncer.
Debido a la naturaleza esencial de esta enzima, la naturaleza ha desarrollado la capacidad catalítica de hidratar varias veces el dióxido de carbono / bicarbonato deshidratado.
Existen tres clases reconocidas de enzimas anhidrasas carbónicas, alfa, beta y gamma, que no tienen una identidad de secuencia significativa, y tienen pliegues globales estructuralmente distintos.
Sin embargo, a pesar de sus diferencias estructurales, los sitios activos de las tres clases funcionan con un solo átomo de zinc que es esencial para la catálisis.
Estas enzimas son de origen antiguo, y parecen haber evolucionado independientemente una de otra, proporcionando así un excelente ejemplo de evolución convergente.
Las tres clases tienen diferentes distribuciones en diferentes organismos: en mamíferos, todas las isoenzimas descubiertas hasta ahora pertenecen a la clase alfa; las plantas producen principalmente la clase beta; los procariotas codifican las tres clases de enzimas, predominando las clases beta y gamma.
Anhidrasas carbónicas de clase Alpha
La clase alfa de la enzima se ha estudiado de forma más intensa en mamíferos, pero también ocurre en procariotas.
Esta clase se caracteriza por su alta afinidad por el zinc, donde la geometría de los residuos de histidina conservados favorece la unión del zinc y se desestabiliza por la unión de otros metales.
Ciertas proteínas de Vaccinia y otros Poxviruses parecen estar relacionadas con anhidrasas carbónicas de clase alfa, pero han perdido dos de las histidinas de unión a zinc y otros residuos conservados; estas proteínas están implicadas en la unión a la superficie celular y se expresan en los últimos tiempos de la infección.
En los mamíferos, las diferentes isoenzimas varían en sus distribuciones tisular y subcelular y en su susceptibilidad a los inhibidores.
Además de su participación en la regulación del pH, la reabsorción de bicarbonato y la espiración del dióxido de carbono, las enzimas anhidrasas carbónicas tienen una gran variedad de funciones en los mamíferos, implicadas en el transporte de amoniaco, resorción ósea, acidez gástrica, contracción muscular, gluconeogénesis, acidificación renal y desarrollo cerebral.
Por ejemplo, la anhidrasa carbónica funciona como una puerta atencional efectiva que controla la transferencia de señal a través de la red neuronal, además de estar involucrada en el procesamiento de la señal y el almacenamiento de la memoria
Varias isozimas han sido implicadas en estados de enfermedad.
La anhidrasa carbónica II es requerida por el riñón para la acidificación renal, y su ausencia en un síndrome hereditario conduce a osteoporosis, acidosis tubular renal y calcificación cerebral.
Dos isozimas, las anhidrasas carbónicas IX y XII, se expresan en una variedad de tumores malignos, y parecen estar asociadas con un mal pronóstico, lo que tal vez sea indicativo de un fenotipo maligno agresivo.
En el cerebro, la disfunción de anhidrasa carbónica afecta la cognición y se asocia con retraso mental, enfermedad de Alzheimer y envejecimiento.
El tratamiento con frecuencia implica el uso de sulfonamidas que inhiben la actividad anhidrasa carbónica, como para el tratamiento del glaucoma, la epilepsia, las úlceras gastroduodenales y posiblemente el cáncer.
Los activadores de la anhidrasa carbónica podrían tener usos importantes en el tratamiento de deficiencias genéticas de la anhidrasa carbónica y trastornos de la memoria.
Anhidrasas carbónicas de clase beta
La clase beta de la anhidrasa carbónica se encuentra en plantas, algas, bacterias y arqueas, y tiene una secuencia mucho más diversa que las otras dos clases, con solo cinco residuos (tres que forman el ligando de zinc) que se conservan por completo.
Las enzimas de la clase beta se pueden dividir en siete clados (A-G) en función de la identidad de la secuencia, y las enzimas de las plantas forman dos clados que representan plantas dicotiledóneas y monocotiledóneas.
Las enzimas dentro de estos clados pueden variar con respecto a la estructura y su respuesta a los inhibidores, lo que sugiere diferentes mecanismos de acción funcionales.
La caracterización de estas enzimas revela diferencias agudas entre la clase beta, que forma dímeros, tetrámeros, hexámeros y octómeros, y las clases alfa y gamma, que forman estrictamente monómeros y trímeros.
La expresión de anhidrasa carbónica en procariotas está influenciada por la tasa de crecimiento y se expresa en los niveles más altos en cultivos de crecimiento lento y alta densidad.
La demanda de bicarbonato por parte de las bacterias es de 1.000 a 10.000 veces mayor que la que puede proporcionar la hidratación no catalizada.
Varios procesos metabólicos requieren ya sea dióxido de carbono o bicarbonato.
Por ejemplo, en E. coli la anhidrasa carbónica CynT, que normalmente se reprime, se requiere durante el metabolismo de cianato para reponer el bicarbonato utilizado durante la hidrólisis de cianato dependiente de bicarbonato por la enzima cianasa.
En las bacterias fotosintéticas y los cloroplastos de plantas, la anhidrasa carbónica es esencial para la fijación fotosintética del carbono.
Anhidrasas carbónicas de clase gamma
La clase gamma puede ser la forma más antigua de anhidrasas carbónicas, que ha evolucionado mucho antes de la clase alfa, a la que está más relacionada que a la clase beta.
El mecanismo de reacción de la clase gamma es similar al de la clase alfa, a pesar de que los pliegues globales son diferentes y los residuos del sitio activo difieren (aparte de los que ligan el zinc).
La anhidrasa carbónica de clase gamma es una enzima unida al zinc que se produce a alto nivel en E. coli.
Existe la posibilidad de que el hierro y el cobalto puedan sustituir al zinc en ciertas especies de arqueas, ya que se descubrió que estos metales exhiben mayores tasas de hidratación de dióxido de carbono cuando se sustituyen en la enzima que la enzima unida al zinc.
En humanos
El dióxido de carbono se produce como desperdicio de la descomposición de azúcares y grasas y en la respiración, por lo que debe ser transportado a través del cuerpo hasta los pulmones.
La anhidrasa carbónica convierte el CO2 en ácido carbónico mientras es transportado por las células sanguíneas, antes de convertirse nuevamente en dióxido de carbono.
Como muchas funciones corporales dependen de un determinado pH, la anhidrasa carbónica ajusta la acidez del entorno químico para evitar daños al cuerpo.
En las plantas
Al igual que las células animales, las células vegetales transportan gas de dióxido de carbono en forma de bicarbonato antes de convertirlo de nuevo para usarlo en la fotosíntesis para generar nutrición para la planta.
Una diferencia es que las células vegetales obtienen dióxido de carbono del aire y el suelo en lugar de producirlo.
La estructura puede ser casi completamente diferente ya que tiene una secuencia de aminoácidos diferente, y utiliza un ion metálico de zinc, que interactúa con los átomos de oxígeno, también en un mecanismo diferente al de los humanos y los animales.
La versión vegetal se encuentra en la parte líquida de la célula, mientras que la versión animal se encuentra en la mitocondria celular.
En el océano
El CO2 atmosférico se absorbe en el océano por la anhidrasa carbónica y se convierte en ácido carbónico, lo que reduce el pH general del océano a lo largo del tiempo.
A medida que se libera más y más dióxido de carbono y luego se elimina de la atmósfera, el océano se vuelve más ácido y tiene posibles efectos perjudiciales para la vida marina.
Las algas marinas luego toman iones de bicarbonato disueltos y los convierten en dióxido de carbono.
¿Es necesario detener la anhidrasa carbónica?
Aunque la enzima es beneficiosa en muchos casos, también cataliza los impactos negativos en el cuerpo, y un tipo especial de medicamento, llamado inhibidor de la anhidrasa carbónica, está disponible para contrarrestar esta actividad.
Una enfermedad causada por la actividad de esta enzima, pero no la enzima en sí misma, es el glaucoma, en el cual la presión de la acumulación de fluido ácido disminuye la visión con el tiempo.
Algunas formas de cáncer también se aceleran con la anhidrasa carbónica, incluidos los cánceres de ovario, mama, colon y riñón.
