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Molecola del mese di gennaio 2004
L'anidrasi carbonica trasforma la CO2
gassosa in bicarbonato solubile nel sangue e così ci consente di
espellerla con il respiro
 Introduzione
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. Dai 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 bicarbonato per essere trasportata ai polmoni. Un
enzima presente nei globuli rossi del sangue, anidrasi carbonica, aiuta
nella conversione dell'anidride carbonica in bicarbonato. Quando i globuli
rossi raggiungono i polmoni, lo stesso enzima aiuta a convertire di nuovo
gli ioni bicarbonato in anidride carbonica che possiamo eliminare col
respiro. 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 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 sotto sulla sinistra mostra la struttura dell'anidrasi
carbonica con il sito attivo vuoto (file PDB 5yuj).
Uno ione zinco (magenta) è trattenuto al centro del sito attivo
dagli atomi di azoto di tre istidine (viola) e lega verso l'alto la
molecola d'acqua (ossigeno rosso) che deve essere trasferita alla CO2
per la reazione
Qui sotto sulla destra si vede la struttura dell'anidrasi carbonica
(file PDB 5yui) che contiene
CO2 nel sito attivo
(molecola lineare grigia e rossa). Questa si trova vicina alla molecola
di acqua legata allo zinco. Più a sinistra si vedono altre due
molecole di acqua (gialle) che sono trattenute da un'altra istidina
(64, verde) e sono in attesa di sostituire l'acqua legata allo zinco.
Sullo sfondo si vede un acido glutammico (106, verde) che può
strappare un H+
all'acqua che così può trasferirsi sulla CO2
per formare bicarbonato.
 
 Nella
figura qui a fianco si vede la fase finale della reazione (file PDB
1cam). Lo ione bicarbonato
(tre sfere rosse e una grigia) è stato formato ed è ancora
trattenuto in posizione dallo zinco. Una delle molecole d'acqua (gialle)
in attesa sulla sinistra si è trasferita sullo zinco per sostituire
quella che ha formato il bicarbonato.
Si noti che, sulla sinistra, l'istidina 64 oscilla avvicinandosi e allontanandosi
dallo ione zinco ad ogni ciclo enzimatico aiutando lo zinco a ricaricarsi
con una nuova molecola d'acqua.
Qui sotto è mostrata una visione d'insieme dell'enzima anidrasi
carbonica (file PDB 1cam)
che contiene lo ione bicarbonato appena formato.
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 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.
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