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.