Карбоангидраза — фермент и его ингибиторы¶

Карбоангидраза — металлофермент класса лиаз, катализирующий обратимую реакцию гидратации диоксида углерода с образованием бикарбоната и протона: CO₂ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + H⁺. В активном центре фермента содержится ион цинка, координированный тремя остатками гистидина и молекулой воды. Карбоангидраза относится к числу самых быстрых известных ферментов: одна молекула способна превращать до 10⁶ молекул субстрата в секунду, что приближается к пределу диффузионного контроля.

¶История изучения

Фермент был обнаружен в 1932 году американскими биохимиками Мелвином Элвином и Эллен Старк. Они установили, что гемолизат эритроцитов ускоряет выделение CO₂ из крови значительно быстрее, чем это объяснялось бы физическим растворением газа. В 1940-х годах было показано наличие цинка в составе молекулы, а к 1960-м годам определена пространственная структура белка. За работы, связанные с механизмами ферментативного катализа, ряд исследователей в смежных областях удостоены Нобелевских премий.

¶Классификация

Выделяют несколько эволюционно неродственных семейств (конвергентная эволюция):

• α-карбоангидразы — у позвоночных, включая человека; наиболее изученное семейство.
• β-карбоангидразы — у растений, бактерий, грибов.
• γ-карбоангидразы — у архей и некоторых бактерий.
• δ- и ζ-карбоангидразы — у морских диатомовых водорослей.

У человека известно более десяти изоформ (CA I–CA XIV), различающихся локализацией и активностью. CA II — одна из самых активных изоформ, присутствует в эритроцитах, почках, глазах, костях.

¶Механизм действия

Катализ включает несколько стадий. Ион цинка поляризует связанную молекулу воды, понижая её pKa и превращая в гидроксид-ион. Нуклеофильная атака OH⁻ на молекулу CO₂ даёт бикарбонат, связанный с цинком. Затем бикарбонат вытесняется новой молекулой воды, а протон переносится на буферный остаток гистидина. Скорость реакции лимитируется в основном диффузией протонов.

¶Физиологическая роль

• Транспорт CO₂ кровью: около 70 % углекислого газа переносится в виде бикарбоната, образующегося в эритроцитах.
• Регуляция кислотно-щелочного баланса в почках и секреция протонов.
• Образование водянистой влаги и спинномозговой жидкости.
• Участие в биоминерализации и в фотосинтезе у растений (доставка CO₂ к рибулозобисфосфаткарбоксилазе).
• Обеспечение работы дыхательного центра через контроль pH.

¶Ингибиторы

Ингибиторы карбоангидразы — вещества, подавляющие её каталитическую активность. Классический класс — сульфонамиды, у которых депротонированная сульфонамидная группа координирует ион цинка, вытесняя гидроксид.

Отдельную группу составляют несульфонамидные ингибиторы и активаторы фермента. Побочные эффекты сульфонамидов включают метаболический ацидоз, парестезии, сонливость, нарушения вкуса, риск образования камней в почках.

¶Применение в медицине

Ингибиторы карбоангидразы применяют при глаукоме (снижение продукции водянистой влаги), при отёках, при эпилепсии, для профилактики высотной болезни, при некоторых формах алкалоза. В онкологии исследуются изоформ-специфичные ингибиторы (например, к CA IX и CA XII), поскольку эти изоформы гиперэкспрессируются в опухолях и связаны с ацидозом микроокружения.

¶Значение в биотехнологии

Способность фермента улавливать CO₂ делает его объектом разработок для систем секвестрации углерода. Исследуются иммобилизованные формы карбоангидразы для промышленного связывания диоксида углерода и биомиметических материалов.