Carbonato deidratasi: struttura, funzioni

La carbonato deidratasi o anidrasi carbonica è un enzima appartenente alla classe delle liasi che catalizza la reazione di equilibrio:
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃

A sua volta l’acido carbonico partecipa all’equilibrio:
H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃^–
Tale reazione avviene piuttosto lentamente in assenza di catalizzatore ma, in presenza di carbonato deidratasi, la velocità arriva fino a 10⁴-10⁶ reazioni al secondo.
È un metalloenzima che contiene, come sito attivo, lo ione Zn²⁺

Struttura

In natura sono presenti forme diverse di anidrasi carbonica tra cui quella α presente negli animali. In essa lo ione zinco è coordinato dagli anelli imidazolici di 3 residui di istidina, His94, His96 e His119.

Un gruppo protesico di zinco nell’enzima è coordinato in tre posizioni da catene laterali di istidina. La quarta posizione è occupata dall’acqua. Ciò provoca la polarizzazione del legame idrogeno-ossigeno, rendendo l’ossigeno leggermente più negativo.

Una quarta istidina è posta vicino al substrato dell’acqua e accetta un protone. Rimane un idrossido legato allo zinco che attacca l’anidride carbonica, formando bicarbonato.

 Funzioni

La sua funzione principale è quella di interconvertire l’anidride carbonica e il bicarbonato per mantenere l’equilibrio acido-base nel sangue e in altri tessuti e per aiutare a trasportare l’anidride carbonica fuori dai tessuti.

Nei globuli rossi, convertendo la maggior parte della CO2 proveniente dal metabolismo cellulare a bicarbonato, svolge ruoli chiave in molti processi fisiologici:

• equilibrio acido-base
• trasferimento di gas
• regolazione ionica
• trasferimento di gas

Le piante contengono una forma diversa chiamata β, che, da un punto di vista evolutivo, è un enzima distinto, ma catalizza la stessa reazione.

Nelle piante, aiuta ad aumentare la concentrazione di CO₂ all’interno del cloroplasto per aumentare la velocità di carbossilazione dell’enzima Rubisco.

Tale enzima è presente nella fase di organicazione del ciclo di Calvin della fotosintesi e catalizza la reazione del ribulosio 1,5-bisfosfato con O₂ o CO₂.

Diatomee marine e carbonato deidratasi

Nel 2000, un’anidrasi carbonica contenente cadmio è stata trovata espressa nelle diatomee marine, microalghe unicellulari estremamente abbondanti negli oceani e responsabili della produzione del 20% dell’ossigeno sul nostro pianeta.

Lo ione zinco, infatti, ha concentrazioni così basse in mare aperto da limitare la crescita delle diatomee. Pertanto un’anidrasi carbonica che utilizza uno ione metallico diverso è utile in questi ambienti.

Prima di questa scoperta, il cadmio era generalmente considerato un metallo pesante molto tossico senza funzione biologica. A partire dal 2005, questa peculiare forma di anidrasi carbonica ospita l’unica reazione biologica nota dipendente dal cadmio.