Carboanhydrase ist ein Protein, das hilft, das Säure-Basen-Gleichgewicht und den pH-Wert im Blut und anderen tierischen Geweben zu regulieren. Es ist vor allem für seine Rolle bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Bicarbonat bekannt, das in die Lunge transportiert wird. Dieses Protein ist in den meisten Organismen vorhanden, von Bakterien bis hin zu Pflanzen. Es ist auch von pharmazeutischem Interesse, wobei mehrere Arzneimittel seine Aktivität hemmen.
Kohlendioxid (CO2) entsteht bei der aeroben Atmung und beim Abbau von Fetten. Es wird aus dem Körper durch Ausatmen aus der Lunge entfernt. Das im ganzen Körper produzierte Kohlendioxid muss durch das Blut transportiert werden, um in die Lunge zu gelangen. Es wird in verschiedenen Formen transportiert, hauptsächlich als Bicarbonat, HCO3-. Bicarbonat ist CO2- mit einer angehängten OH-Gruppe. Wenn das Bikarbonat die Lunge erreicht, wird es wieder in Kohlendioxid umgewandelt, sodass es aus dem Körper ausgeatmet werden kann.
Carboanhydrase wandelt Kohlendioxid in einer reversiblen Reaktion in Bicarbonat um, hauptsächlich in roten Blutkörperchen. Diese Reaktion kann spontan auftreten, aber die Geschwindigkeit ist für die Bedürfnisse des Körpers viel zu langsam. Als Enzym beschleunigt die Carboanhydrase die Reaktionsgeschwindigkeit dramatisch. Es ist eines der schnellsten bekannten Enzyme. Diese Reaktion fängt das Bicarbonat in den Zellen ein, da es nicht wie Kohlendioxid in und aus den Zellen diffundieren kann.
Carboanhydrase hat ein Zinkmolekül an seinem aktiven Zentrum und gehört zu einer Klasse von Enzymen, die als Metalloenzyme bekannt sind. Dies ist einer der Gründe, warum Menschen Zink in ihrer Ernährung benötigen. Beim Carboanhydrase-Mechanismus bindet ein Wassermolekül an das Zinkatom. An das Kohlenstoffatom von CO2 bindet dann eine OH-Gruppe, wodurch ein Bicarbonat-Ion entsteht. Es folgt die Freisetzung von H+, einem Proton.
Es gibt eine Reihe verschiedener Carboanhydrasen, die in verschiedenen Organismen vorkommen. Es gibt fünf bekannte Klassen, die sich anscheinend unabhängig voneinander entwickelt haben. Eine der Klassen ist die Alpha-Klasse, die mindestens 14 Formen menschlicher Enzyme umfasst. Ihre Eigenschaften variieren je nach Zellkompartiment oder Gewebe, in dem sie sich befinden.
Viele der Formen sind extrazellulär oder membrangebunden. Dies kann dazu beitragen, die Diffusion von Kohlendioxid und Protonen innerhalb der Zelle zu verbessern. Carboanhydrase kann intrazelluläre pH-Gradienten stören, indem sie die Protonenbewegung erhöht. Dies kann der Zelle helfen, einen konstanten zellulären pH-Wert beizubehalten. Überschüssige intrazelluläre Protonen können viele zelluläre Reaktionen stören.
Die Rolle der Carboanhydrase variiert in verschiedenen Geweben. Im Magen ist es an der Sekretion von Magensäure beteiligt, während es den Speichel neutral hält. Es beeinflusst auch den Wassergehalt der Zellen in den Augen und Nieren. Fehlen die Carboanhydrasen an diesen Stellen oder funktionieren sie nicht richtig, kann dies zu Erkrankungen führen. Wenn sich beispielsweise zu viel Flüssigkeit im Auge ansammelt, kann dies zu einem Glaukom führen.
Mehrere Carboanhydrase-Inhibitoren werden kommerziell als Arzneimittel verwendet, hauptsächlich zur Kontrolle des Glaukoms. Der am häufigsten verwendete Inhibitor ist Acetazolamid. Es wird auch zur Behandlung von Epilepsie und Höhenkrankheit sowie mehreren anderen Erkrankungen verwendet.
In Pflanzen wird Kohlendioxid aus der Luft in Gegenwart von Sonnenlicht durch Photosynthese in Zucker umgewandelt. Überschüssiges Kohlendioxid wird in der Pflanze als Bicarbonat gespeichert. Pflanzen verwenden Carboanhydrase, um das Bicarbonat wieder in Kohlendioxid umzuwandeln, damit es in der Photosynthese verwendet werden kann.