Kohlenstoffanhydrase

Carbonanhydrase (CA) ist ein zinkhaltiges Metalloenzym. Bis jetzt wurden mindestens acht Isoenzyme bei Säugetieren gefunden. Ihre Struktur, Verteilung und Eigenschaften sind unterschiedlich und stehen im Zusammenhang mit der Sekretion von H- und Bicarbonat aus verschiedenen Epithelzellen. Carbonanhydrase katalysiert die CO₂-Hydrationsreaktion und einige Lipid- und Aldehydhydrationsreaktionen und beteiligt sich an verschiedenen Ionenaustauschen, um die Homöostase des Organismus aufrechtzuerhalten.

Verteilung

CA ist weit verbreitet. CAI und CAII wurden erstmals aus roten Blutkörperchen isoliert. CAIII wurde erstmals im Zytoplasma der Skelettmuskulatur entdeckt, und alle von ihnen hatten ein Gewicht von 29 kD beim Menschen. Membranassoziierte CAIV wurde aus Kalbslunge, menschlicher Niere und Rattenlunge gereinigt. CAIV (29 kD) wurde in Mitochondrien gefunden; CAVI (42 kD), das aus den Speicheldrüsen gereinigt wurde, ist ein sekretorisches Enzym.

Das neu entdeckte CA-assoziierte Gen CAVIII, das in Speicheldrüsen und Kleinhirn-Purkinje-Zellen gefunden wurde, ist ebenfalls ein intrazytoplasmatisches Enzym. Der Magen-Darm-Trakt, die distalen Nierentubuli und Sammelkanäle, die Zellen des Nebennierenmarkes, die Stenosezellen am Anfang des Nebenhodens, die distalen kopf- und proximalen Schwanzepithelzellen, die schnell kontrahierenden Skelettmuskelzellen, die Epithelzellen des zerebralen Choroidplexus sowie die Phospholipid-produzierenden Zellen und die ziliaren Prozesse des Auges, Hornhaut- und Netzhautzellen haben alle CAII. CAIV ist ebenfalls im Magen-Darm-Trakt, in den distalen Nierentubuli und in der aufsteigenden Zweig der aufsteigenden medullären Epithelzellen an den oberen und seitlichen Plasmamembranoberflächen, den Mikrovilli des Samenleiters und seiner Ampulle, der oberen Plasmamembran, der subkutanen glatten Muskulatur, der Oberfläche der Gehirnkapillare, dem Myokard, dem Augen-Kapillarbett, der choroidalen Gefäßschicht sowie in Skelettmuskeln, Leber, Tränendrüse, usw. verteilt.

Molekulare Struktur

Im aktiven Zentrum von CAI, II und III befindet sich ein Zinkatom, aber CAI und II existieren in monomerer Form, während CAIII in Form eines disulfidverknüpften Dimers vorliegt. Die dreidimensionalen Strukturen von menschlichem CAI und CAII sind nahezu identisch, wenn man die Röntgenkristallographie verwendet. Die Aminosäuresequenzen der beiden CAIs und CAII sind etwa 60% homolog. CAIV hat 260 Aminosäuren und ist über Phosphatidylinositol-Glycerol-Bindungen an die Plasmamembran verankert. Es ist resistent gegen SDS-Dissociation und teilt 30% bis 36% Homologie mit zytosolischem CA. Seine Struktur variiert mit verschiedenen Arten. Menschliches Lungen-CAIV (36 kD) fehlt es an N-verknüpften Oligosaccharidketten, während murines Lungen-CAIV (39 kD) und andere Säugetiere meist die Kette haben. CAVI hat zwei Oligosaccharidketten, die in der Rekombination vorhanden sind.

Biologische Funktionen

Beteiligt sich am Hydrationsprozess von CO₂: CAII katalysiert reversibel die Hydrationsreaktion von CO₂. Der spezifische Prozess ist CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃^- + H⁺. Die strukturelle Genauigkeit von CAII im menschlichen Blut konnte auf 1,54 x 10^-10 m bestimmt werden, was zeigt, dass das katalytisch aktive strukturelle Zn in der Fissur seiner unteren 1,5 x 10^-10 m Tiefe lokalisiert ist. Zn bildet ein Polyeder, das zusammen mit den 3 Stickstoffatomen auf der Imidazol-Seitenkette im Histidinrest und den Sauerstoffatomen in der katalytisch aktiven nucleophilen Gruppe OH^- ein tetravalentes Metall enthält. Der aktive Bereich hat ein wichtiges polares Rest, T199, das einen Wasserstoffbrückenbindung von einem Zn-gebundenen Hydroxid akzeptieren kann und auch eine Wasserstoffbrückenbindung zu E106 bereitstellen kann. Die Rolle von H64 besteht darin, einen Protonen-"Shuttle" bereitzustellen, der Wasser, das an Zn gebunden ist, in Hydroxid umwandelt. In dem Bereich, der an Zn gebundenes OH^- angrenzend ist, gibt es eine hydrophobe Höhle, die als der prä-katalysierte Verknüpfungsbereich des CO₂-Substrats vermutet wird, wo auch der einzige wettbewerbliche Inhibitor der CO₂-Hydrationsreaktion verknüpft werden kann.

Phosphataseaktivität: CAIII hat Phosphataseaktivität, wenn sie mit einer Nitrophenylgruppe gemessen wird. Bei Säugetieren kann CAIII glutathioliert werden, d.h. die beiden Cysteinreste von Glutathion sind durch Disulfidbindungen verbunden, um Disulfide zu bilden, und der Prozess ist reversibel. Wenn Cys186 an diesem Prozess beteiligt ist, hat CAIII Phosphataseaktivität. Wenn Cys181 an diesem Prozess beteiligt ist, verliert CAIII die Phosphataseaktivität. Der Glutathionylierungsprozess aktiviert die Phosphataseaktivität von CAIII. Bei oxidativem Stress wird die Glutathionylierung verstärkt, die Phosphataseaktivität von CA III erhöht sich und spielt eine Rolle bei der Zell-Signaltransduktion.

Aktivitätsregulation

Abbildung 1. Katalytische, Hemmungs- und Aktivierungsmechanismen von CAI. (Supuran C.T. 2016)

Die Hauptinhibitoren von CA sind Sulfonamide. Die Wirkung von Tensiden wie DDT auf die Hemmung von CA könnte mit der Erleichterung der Dissoziation der Gruppe zusammenhängen. Verschiedene CAs haben unterschiedliche Anfälligkeiten gegenüber Sulfonamid-Inhibitoren. Die Bindungsfähigkeit von CAII 198-Stellenvarianten und Inhibitoren wurde untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Ladung, Hydrophobizität und Arzneimittelaffinität der Seitenkette des 198-Rests mit der Phenylalanin-Seitenkette bei CAII I198 zusammenhängt. Die Phenylgruppen auf dem Plug-Pack hydrophoben "Taschen" führen zu niedriger Katalyse und niedriger Sensitivität. Darüber hinaus kann das Tensid die Bildung von Polymeren bei hohen Konzentrationen von CA hemmen, wodurch die wettbewerbliche Hemmung der Bildung von CA-Refold-Protein verringert und die Initiierungsphase der Proteinrefaltung gefördert wird, was letztendlich den Bereich der CA-Aktivitätskonzentration erweitert.

Es wurde gezeigt, dass Estradiol E2 einen bestimmten Einfluss auf CA hat, und die Wirkung variiert von Gewebe zu Gewebe: CA auf der Dünndarm-Schleimhaut von Ratten kann unter dem Einfluss von E2 die Aktivität verringern, während Rattenniere-CA, obwohl es einen Abwärtstrend unter E2 gab, keinen signifikanten Unterschied aufwies. Es wurde auch festgestellt, dass der Gehalt an CAII-Protein und mRNA im para-Prostata von kastrierten Ratten verringert war, während die dorsale Seite umgekehrt war. Diese Veränderung war nach der Behandlung mit Testosteron reversibel, kehrte mit den Veränderungen der lateralen Seite nach der Behandlung um und hatte keinen Einfluss auf die dorsale Seite. Die Behandlung von nicht kastrierten Ratten zeigte, dass der Gehalt an dorsalem CAI zunahm und der laterale CAII unverändert blieb. Die grundlegende Struktur, allgemeine Verteilung und grundlegenden physiologischen Funktionen der Carbonanhydrase wurden bereits in den 1960er Jahren anerkannt. Zusammen mit molekularbiologischen Techniken konzentrierte sich die umfangreiche Anwendung der jüngsten Forschung auf die Erforschung der Beziehung zwischen Struktur und Funktion von CA. Und das Verständnis der Struktur, Funktion und Verteilung von CA wird weiter konkretisiert.

Klinische Anwendung

CA katalysiert die Produktion von HCO₃ aus CO₂ und H₂O in den Epithelzellen des Ziliarkörpers und wird durch die luminale Membran in das Kammerwasser sekretiert. Da die Flüssigkeit im Kammerwasser elektrisch neutral gehalten wird, wird die Sekretion von Na⁺ in das Kammerwasser erhöht und das Cl^- wird in das Kammerwasser verschoben, was zur Bildung eines hohen osmotischen Drucks im Kammerwasser führt und dann den Fluss von H₂O in das Kammerwasser fördert. Bei Glaukompatienten führt die schlechte Rückführung des Kammerwassers zu einem erhöhten Augeninnendruck. CA-Inhibitoren (CAIs) hemmen die Aktivität von CA, reduzieren die Produktion von HCO₃ und senken den Augeninnendruck und werden klinisch zur Behandlung von Glaukom und zur Senkung des Augeninnendrucks eingesetzt. CAIs als Arzneimittel zur Behandlung von Glaukom werden je nach Entwicklungsprozess und pharmakologischen Wirkungen in drei Generationen unterteilt: die erste Generation von oralen CAIs, die zweite Generation von topischen CAIs und die dritte Generation von langfristigen nicht-stimulierenden topischen CAIs.

Referenz