Перегляд вихідного коду сторінки Карбоангідрази

{{enzyme
 | Name=Карбоангідрази
 | EC_number=4.2.1.1
 | CAS_number=9001-03-0
 | IUBMB_EC_number=4/2/1/1
 | GO_code=0004089
 | image=Human carbonic anhydrase II PDB=6LUX.png
 | caption=Карбоангідраза людини II зі зв'язаним цинком і вуглекислим газом. {{PDB|6LUX}}
 | name=Карбоангідраза
}}
'''Карбоангідрази''' (або '''карбонатдегідратази''') сімейство [[Фермент|ферментів]], які [[Каталізатор|каталізують]] взаємоперетворення між [[Діоксид вуглецю|вуглекислим газом]] і [[Вода|водою]] і [[Дисоціація (хімія)|дисоційовані]] іони [[ вугільна кислота]] (тобто [[бікарбонат]] і [[Водень|іони водню]]).<ref name="pmid9336012">{{Cite news|title=The Role of Carbonic Anhydrase in Photosynthesis|url=https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.pp.45.060194.002101|work=Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology|date=1994-06|accessdate=2023-12-26|issn=1040-2519|doi=10.1146/annurev.pp.45.060194.002101|pages=369–392|volume=45|issue=1|language=en|first=M R|last=Badger|first2=G D|last2=Price}}</ref> [[активний центр]] більшості карбоангідраз містить іон [[Цинк|цинку]]. Тому їх класифікують як [[Металопротеїни|металоферменти]]. Фермент підтримує [[Кислотно-основний гомеостаз|кислотно-лужний баланс]] і допомагає транспортувати вуглекислий газ<ref name=":1">{{Cite news|title=Carbonic Anhydrase|url=http://pdb101.rcsb.org/motm/49|work=RCSB Protein Data Bank|date=2004-01-01|accessdate=2023-12-26|issn=1234-432X|doi=10.2210/rcsb_pdb/mom_2004_1|first=D.S.|last=Goodsell}}</ref>.

Карбоангідраза допомагає підтримувати [[Кислотно-основний баланс]], регулювати [[рН]] і баланс рідини. Залежно від його розташування, роль ферменту дещо змінюється. Наприклад, карбоангідраза виробляє кислоту в слизовій оболонці шлунка. У нирках, контроль іонів [[Гідрокарбонати|бікарбонату]] впливає на вміст води в клітині. Контроль іонів бікарбонату також впливає на вміст води в очах. [[Інгібітор|Інгібітори]] карбоангідрази використовуються для лікування [[Глаукома|глаукоми]], надмірного скупчення води в очах. Блокування цього ферменту змінює баланс рідини в очах, зменшуючи накопичення рідини, тим самим знижуючи тиск<ref name=":1" /><ref>{{Cite book
|url=https://www.taylorfrancis.com/books/9780203475300
|title=Carbonic Anhydrase: Its Inhibitors and Activators |date=2004-05-27
|editor-last=Scozzafava
|editor-first=Andrea
|editor2-last=Supuran
|editor2-first=Claudiu
|editor3-last=Conway
|editor3-first=Janet
|publisher=CRC Press
|language=en
|doi=10.1201/9780203475300
|isbn=978-0-415-30673-7
}}</ref>.

Карбоангідраза має вирішальне значення для функціонування [[Гемоглобін|гемоглобіну]] завдяки [[Ефект Бора|ефекту Бора]], який каталізує [[Гідратація|гідратацію]] вуглекислого газу з утворенням [[Карбонатна кислота|вугільної кислоти]] та швидкої дисоціації у воду<ref>{{Cite news|title=Role of Carbonic Anhydrases and Inhibitors in Acid–Base Physiology: Insights from Mathematical Modeling|url=https://www.mdpi.com/1422-0067/20/15/3841|work=International Journal of Molecular Sciences|date=2019-08-06|accessdate=2023-12-26|issn=1422-0067|pmc=PMC6695913|pmid=31390837|doi=10.3390/ijms20153841|pages=3841|volume=20|issue=15|language=en|last=Occhipinti|last2=Boron}}</ref>. По суті, збільшення вуглекислого газу призводить до зниження pH крові, що знижує зв’язування кисню з гемоглобіном<ref>{{Cite web|title=Bohr Effect: Key to Efficient Oxygen Delivery|url=https://www.pathwaymedicine.org/bohr-effect/|website=Pathway Medicine|date=2023-08-08|accessdate=2023-12-26|language=en-US|first=Leon|last=Markovic}}</ref>. Справедливо навпаки, якщо зниження концентрації вуглекислого газу підвищує pH крові, що підвищує швидкість зв'язування кисню з гемоглобіном. Пов’язати ефект Бора з карбоангідразою просто: карбоангідраза прискорює реакцію вуглекислого газу, що реагує з водою, утворюючи іони водню ([[Протон|протони]]) та іони бікарбонату.

Для опису рівноваги в реакції карбоангідрази використовується [[принцип Ле Шательє]]. Тканини більш кислі, ніж легені, тому що вуглекислий газ утворюється клітинним диханням і реагує з водою в тканинах, утворюючи протони водню. Оскільки концентрація вуглекислого газу вища, рівновага зсувається вправо, в сторону бікарбонату. Протилежне спостерігається в легенях, де вивільняється вуглекислий газ, тому його концентрація нижча, тому рівновага зміщується ліворуч у бік вуглекислого газу, намагаючись підвищити його концентрацію<ref>{{Cite web|title=Le Chatelier's Principle|url=https://www.chemguide.co.uk/physical/equilibria/lechatelier.html|website=www.chemguide.co.uk|accessdate=2023-12-26}}</ref>.

== Поява і функції ==
Карбоангідразу вперше було виявлено в [[Еритроцити|еритроцитах]] корів у 1933 році і одночасно було відкрито Роугтоном <ref name=":22">{{Cite book
|url=http://link.springer.com/10.1007/978-1-4899-0750-9_1
|title=The Carbonic Anhydrases |last=Dodgson
|first=Susanna J.
|date=1991
|editor-last=Dodgson
|editor-first=Susanna J.
|editor2-last=Tashian
|editor2-first=Richard E.
|editor3-last=Gros
|editor3-first=Gerolf
|editor4-last=Carter
|editor4-first=Nicholas D.
|series=The Carbonic Anhydrases |publisher=Springer US
|location=Boston, MA
|pages=3–14
|language=en
|doi=10.1007/978-1-4899-0750-9_1
|isbn=978-1-4899-0752-3
}}</ref> в Кембриджі та Мелдрамі<ref name=":22" /> у Філадельфії, які шукали каталітичний фактор<ref name=":22" />.

=== Регуляція pH ===
Карбоангідраза відіграє важливу роль у регулюванні рН крові, що прискорює CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O <chem> <=> </chem> HCO<sub> 3</sub><sup>-</sup>+ H<sup>+</sup> реакція для забезпечення швидкої підтримки рівноваги. На рівноважну реакцію впливає співвідношення бікарбонату та H<sup>+</sup> до вуглекислого газу<ref name=":02">{{Cite news|title=Carbonic anhydrases|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0020711X8790320X|work=International Journal of Biochemistry|date=1987-01|accessdate=2023-12-26|doi=10.1016/0020-711X(87)90320-X|pages=101–113|volume=19|issue=2|language=en|first=Harold F.|last=Deutsch}}</ref>. HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> — це сполучена основа, яка нейтралізує кислоти, а H<sup>+</sup> — це сполучена кислота, яка нейтралізує основи за [[Кислотно-основний гомеостаз]]. HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> і H<sup>+</sup> ідеально підходять для буферизації pH у крові та тканинах, оскільки pKa близький до фізіологічного pH = 7,2 – 7.6. Оскільки HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> і H<sup>+</sup> регулюються в нирках, а вуглекислий газ плазми регулюється в легенях, обидві дії в нирках і легенях важливі для підтримки стабільності рН крові. Таким чином, карбоангідраза сприяє секреції H+ у [[Нефрон|просвіт ниркових канальців]] і реабсорбції HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> у нирках. Крім того, це сприяє транспорту вуглекислого газу з легеневої тканини до [[Легенева альвеола|альвеол легеневого капіляра]], де вуглекислий газ буде виводитися під час видиху<ref name=":02" />.

Карбоангідраза — це дуже давній фермент, який зустрічається в обох доменах [[Прокаріоти|прокаріот]] і існує в шести різних класах серед більшості живих організмів<ref name=":12">{{Cite book
|url=http://link.springer.com/10.1007/978-3-0348-8446-4_2
|title=Introduction to the carbonic anhydrases |last=Chegwidden
|first=W. Richard
|last2=Carter
|first2=Nicholas D.
|date=2000
|editor-last=Chegwidden
|editor-first=W. Richard
|editor2-last=Carter
|editor2-first=Nicholas D.
|editor3-last=Edwards
|editor3-first=Yvonne H.
|series=The Carbonic Anhydrases |publisher=Birkhäuser Basel
|location=Basel
|pages=13–28
|doi=10.1007/978-3-0348-8446-4_2
|isbn=978-3-0348-9570-5
}}</ref>. Ці сімейства не схожі за послідовністю чи структурою, оскільки вони еволюціонували незалежно одне від одного, але всі розвинули однакову структуру [[Активний центр|активного центру]] Zn<sup>2+</sup>, показуючи чудовий приклад [[Конвергентна еволюція|конвергентної еволюції]].

== Кваліфікація ==
Фермент — це речовина, яка діє як каталізатор у живих організмах, який допомагає прискорити хімічні реакції<ref name=":2">{{Cite web|title=Enzyme - Definition, Mechanisms, & Nomenclature - Britannica|url=https://www.britannica.com/science/enzyme|website=www.britannica.com|date=2023-12-24|accessdate=2023-12-26|language=en}}</ref>. Карбоангідраза є важливим ферментом, який міститься в еритроцитах, слизовій оболонці шлунка, клітинах підшлункової залози та навіть ниркових канальцях. Він був відкритий у 1932 році та розділений на три основні класи<ref>{{Cite news|title=Carbonic anhydrase: chemistry, physiology, and inhibition|url=https://www.physiology.org/doi/10.1152/physrev.1967.47.4.595|work=Physiological Reviews|date=1967-10-01|accessdate=2023-12-26|issn=0031-9333|doi=10.1152/physrev.1967.47.4.595|pages=595–781|volume=47|issue=4|language=en|first=T. H.|last=Maren}}</ref>. Перший клас — альфа-вуглекислота ангідраза, яка зустрічається у ссавців, другий клас – бета-карбоангідраза, яка міститься в бактеріях і рослинах, і, нарешті, третій клас – гамма-карбоангідраза, яка міститься в метаногенних бактеріях у гарячих джерелах<ref name=":4">{{Cite book
|title=Biological inorganic chemistry: structure and reactivity |date=2007
|editor-last=Bertini
|editor-first=Ivano
|publisher=Univ. Science Books
|location=Sausalito, Calif
|pages=180
|isbn=978-1-891389-43-6
}}</ref>. Усі три класи карбоангідрази мають однаковий активний центр із металевим центром Zn; однак структурно вони не схожі один на одного. Основна роль карбоангідрази в організмі людини полягає в каталізації перетворення вуглекислого газу на вугільну кислоту і назад. Однак він також може сприяти транспорту CO<sub>2</sub> у крові, що, у свою чергу, сприяє диханню. Він навіть може брати участь у утворенні соляної кислоти в шлунку.[Потрібна цитата] Тому роль карбоангідрази залежить від того, де вона знаходиться в організмі.

=== Структура ===
У CA II ссавців активний центр складається з наступного: жорсткого атома металу кислоти Льюїса Zn<sup>+2</sup>, координованого із залишками His -94, -96 і -119 на відстані 109˚ один від одного та гідроксидний іон (pKa=6,8; 120° у T<sub>d</sub> конфігурації, гідрофобна кишеня поруч із зв’язаним цинком гідроксидом, що складається з Val-143 у своїй основі та Val-121, Trp-209 і Leu -198 на його шиї залишок протонного переміщення (PSR) His-64 H<sup>+</sup> переміщує H<sup>+</sup> до активного центру та з нього за допомогою конформаційного перемикання та мережі водневих зв’язків складається з гідроксильної групи Thr-199 і карбоксильної групи Glu-106, яка стабілізує зв’язаний з цинком гідроксид, полегшуючи орієнтацію молекул води в активній стороні до певної геометричної конфігурації. CA II має частоту обертання 10<sup>6 </sup> s<sup>−1</sup>, що в 10<sup>7</sup> разів швидше, ніж некаталізована реакція.

== Реакція ==
{{see also|вугільна кислота}}
[[Файл:Carbonic_anhydrase_II_mechanism.svg|міні|288x288пкс|Схема механізму циклічної реакції, що каталізується карбоангідразою II<ref name="Lindskog_1997" />.]]
Реакція, яка демонструє каталізацію карбоангідрази в наших тканинах, така:

: CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O ⟶ H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> ⟶ H<sup>+</sup> + HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>

Каталізація карбоангідрази в легенях проявляється:

: H<sup>+</sup> + HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> ⟶  H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> ⟶ CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O

Причиною того, що реакції в тканинах і легенях є протилежними, є різний рівень рН, який міститься в них. Без каталізатора карбоангідрази реакція йде дуже повільно, але з каталізатором реакція відбувається в 10<sup>7</sup> разів швидше.

Реакція, що каталізується карбоангідразою:

: HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> + H<sup>+</sup> ⇌ CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O

Вугільна кислота має pK<sub>a</sub> приблизно 6,36 (точне значення залежить від середовища), тому при pH 7 невеликий відсоток бікарбонату протонується.

Карбоангідраза є одним із найшвидших ферментів, і її швидкість зазвичай обмежується швидкістю [[Дифузія|дифузії]] її [[Субстрат (біохімія)|субстратів]]. Типова каталітична швидкість різних форм цього ферменту коливається від 10<sup>4</sup> до 10<sup>6</sup> реакцій на секунду<ref name="Lindskog_1997">{{Cite news|title=Structure and mechanism of carbonic anhydrase|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0163725896001982|work=Pharmacology & Therapeutics|date=1997-01|accessdate=2023-12-26|doi=10.1016/S0163-7258(96)00198-2|pages=1–20|volume=74|issue=1|language=en|first=Sven|last=Lindskog}}</ref>.

Некаталізована зворотна реакція є відносно повільною (кінетика в 15-секундному діапазоні). Ось чому газований напій не дегазується миттєво при відкритті ємності; однак він швидко дегазується в роті, коли вступає в контакт з карбоангідразою, яка міститься в слині<ref name="pmid9784398">{{Cite news|title=Gustin from Human Parotid Saliva Is Carbonic Anhydrase VI|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0006291X98993561|work=Biochemical and Biophysical Research Communications|date=1998-09|accessdate=2023-12-26|doi=10.1006/bbrc.1998.9356|pages=635–641|volume=250|issue=3|language=en|first=B.J.|last=Thatcher|first2=A.E.|last2=Doherty|first3=E.|last3=Orvisky|first4=B.M.|last4=Martin|first5=R.I.|last5=Henkin}}</ref>.

Ангідразу визначають як фермент, який каталізує видалення молекули води із сполуки, і тому саме ця «зворотна» реакція дає назву карбоангідразі, оскільки вона видаляє молекулу води з вугільної кислоти.

У легенях карбоангідраза перетворює бікарбонат на вуглекислий газ, придатний для видиху.

=== Транспорт CO<sub>2</sub> ===
[[Файл:Active_site_of_CAII_(cropped).jpg|міні|Активний центр ферменту CAII (код PDB: 1CA2), який O = червоний, N = синій, Zn = сірий і C = зелений]]
Вуглекислий газ транспортується кров'ю в трьох формах:

# Розчинений у вигляді газу в плазмі – 7-10%
# Зв’язується з гемоглобіном у вигляді карбаміногемоглобіну в еритроцитах – 20%
# Присутній у вигляді іонів бікарбонату в плазмі і транспортується у вигляді бікарбонату - 70%<ref>{{Cite news|title=Carbonic anhydrase mediated carbon dioxide sequestration: Promises, challenges and future prospects|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jobm.201300849|work=Journal of Basic Microbiology|date=2014-06|accessdate=2023-12-26|issn=0233-111X|doi=10.1002/jobm.201300849|pages=472–481|volume=54|issue=6|language=en|first=Raju R.|last=Yadav|first2=Kannan|last2=Krishnamurthi|first3=Sandeep N.|last3=Mudliar|first4=S. Saravana|last4=Devi|first5=Pravin K.|last5=Naoghare|first6=Amit|last6=Bafana|first7=Tapan|last7=Chakrabarti}}</ref>

== Механізм ==

[[Файл:Carbonic_anhydrase_1CA2_active_site.png|міні|Збільшене зображення активного центру карбоангідрази II людини, що показує три залишки [[Гістидин|гістидину]] та гідроксидну групу, яка координує (пунктирні лінії) іон [[Цинк|цинку]] в центрі. Від {{PDB|1CA2}}.]]
[[Файл:CAII_enzyme.jpg|міні|Фермент CAII (код PDB: 1CA2), що показує вторинні структури та гідрофобну кишеню (права сторона Zn<sup>2+</sup>), утворену бета-листом (синій) і двома бічними ланцюгами валіну та одним триптофаном]]
[[Цинк]] [[простетична група]] у ферменті координується в трьох положеннях [[Гістидин|гістидином]] бічними ланцюгами. Четверту координаційну позицію займає вода. Четвертий гістидин близький до водного ліганду, сприяючи утворенню центру Zn-OH, який зв’язує CO<sub>2</sub> з утворенням бікарбонату цинку<ref>{{Cite news|title=Synthetic Analogues Relevant to the Structure and Function of Zinc Enzymes|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cr0206263|work=Chemical Reviews|date=2004-02-01|accessdate=2023-12-26|issn=0009-2665|doi=10.1021/cr0206263|pages=699–768|volume=104|issue=2|language=en|first=Gerard|last=Parkin}}</ref>. Конструкція є прикладом загальної кислоти – загальної основи [[каталіз]] (див. статтю «[[Кислотний каталіз]]»). Активний центр також має кишеню, придатну для вуглекислого газу, наближаючи його до групи гідроксиду. Проведені кінетичні дослідження визначають наступний механізм для ферменту: на етапі 1 і 2 нуклеофіл O<sup>−</sup> на гідроксид-іоні, координованому до Zn<sup>2+</sup>, здійснює нуклеофільну атаку на частково електрофільний вуглець на молекулі CO<sub>2</sub>. Тут Zn<sup>2+</sup> діє як кислота Льюїса, яка знижує pK<sub>a</sub> координованого ліганду OH<sub>2</sub> з ~7-8 до 6,8 як T<sub>d</sub> , що призводить до депротонування води до гідроксид-іона, а вільний протон нейтралізується навколишнім буфером. На кроці 3) відбувається перенесення протона (H<sup>+</sup>) від OH<sup>−1</sup> до некоординованого O<sup>−</sup> у CO<sub>3</sub><sup>−2</sup>, координований до атома Zn<sup>+2</sup> в активному центрі. Потім вивільняється іон бікарбонату, і каталітичний центр регенерується шляхом зв’язування іншої молекули води в обмін на іон бікарбонату. На етапі 4) скоординований водний ліганд депротонується за допомогою Zn<sup>+2</sup>, щоб утворити інший гідроксид-іон для початку циклу знову<ref>{{Cite book
|url=http://link.springer.com/10.1007/978-3-8274-2989-6
|title=Stryer Biochemie |last=Berg
|first=Jeremy M.
|last2=Tymoczko
|first2=John L.
|last3=Stryer
|first3=Lubert
|date=2013
|publisher=Springer Berlin Heidelberg
|location=Berlin, Heidelberg
|language=de
|doi=10.1007/978-3-8274-2989-6
|isbn=978-3-8274-2988-9
}}</ref><ref>{{Cite news|title=Inhibition of the metallo-beta-lactamase produced from Serratia marcescens by thiol compounds|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9401719|work=Biological & Pharmaceutical Bulletin|date=1997-11|accessdate=2023-12-26|issn=0918-6158|pmid=9401719|doi=10.1248/bpb.20.1136|pages=1136–1140|volume=20|issue=11|first=M.|last=Goto|first2=T.|last2=Takahashi|first3=F.|last3=Yamashita|first4=A.|last4=Koreeda|first5=H.|last5=Mori|first6=M.|last6=Ohta|first7=Y.|last7=Arakawa}}</ref>.

== Родини ==
[[Файл:Carbonic_anhydrase_1CA2.png|міні|Стрічкова діаграма карбоангідрази II людини. [[Активний центр]] іон [[Цинк|цинку]] видно в центрі. Від{{PDB|1CA2}}.]]

Визнано щонайменше п’ять різних сімейств CA: α, β, γ, δ і ζ. Ці родини не мають значної [[Амінокислотна послідовність|послідовності амінокислот]] подібності, і в більшості випадків вважаються прикладом конвергентної еволюції. α-КА зустрічаються в організмі людини.

=== α-CA ===

[[Хребетні]], [[водорості]] і деякі [[бактерії]] мають це сімейство КА.

Ферменти CA, знайдені в [[Mammal|ссавці]], поділяються на чотири великі підгрупи, {{citation needed|date=June 2021}}, які, у свою чергу, складаються з кількох ізоформ:

* [[Цитозоль|цитозольний]] CA ([[CA1|CAI]], [[Карбонова ангідраза II|CA-II]], [[CA3|CA-III]], [[CA7|CA-VII]] та [[CA13|CA XIII]])
* [[мітохондрії]] CA ([[CA5A|CA-VA]] та [[CA5B|CA-VB]])
* секретовані CA ([[CA6|CA-VI]])
* мембранно-асоційовані CA ([[CA4|CA-IV]], [[CA9|CA-IX]], [[CA12|CA-XII]], [[CA14|CA-XIV]] і [[CA15|CA-XV]])

Існує три додаткові «акаталітичні» ізоформи карбоангідрази людини([[CA8|CA-VIII]], [[CA10|CA-X]], and [[CA11|CA-XI]]) чиї функції залишаються незрозумілими<ref name="pmid9878252">{{Cite news|title=Evolutionarily conserved, "acatalytic" carbonic anhydrase-related protein XI contains a sequence motif present in the neuropeptide sauvagine: the human CA-RP XI gene (CA11) is embedded between the secretor gene cluster and the DBP gene at 19q13.3|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9878252|work=Genomics|date=1998-12-15|accessdate=2023-12-26|issn=0888-7543|pmid=9878252|doi=10.1006/geno.1998.5585|pages=484–493|volume=54|issue=3|first=D. A.|last=Lovejoy|first2=D.|last2=Hewett-Emmett|first3=C. A.|last3=Porter|first4=D.|last4=Cepoi|first5=A.|last5=Sheffield|first6=W. W.|last6=Vale|first7=R. E.|last7=Tashian}}</ref>.
[[Файл:This_image_shows_the_ligands_and_pocket_style_of_carbonic_anhydrase.jpg|міні|На цьому зображенні показано ліганди та кишеньковий тип карбоангідрази<ref>{{Cite news|title=Structural analysis of inhibitor binding to human carbonic anhydrase II|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9865942|work=Protein Science: A Publication of the Protein Society|date=1998-12|accessdate=2023-12-26|issn=0961-8368|pmc=2143894|pmid=9865942|doi=10.1002/pro.5560071201|pages=2483–2489|volume=7|issue=12|first=P. A.|last=Boriack-Sjodin|first2=S.|last2=Zeitlin|first3=H. H.|last3=Chen|first4=L.|last4=Crenshaw|first5=S.|last5=Gross|first6=A.|last6=Dantanarayana|first7=P.|last7=Delgado|first8=J. A.|last8=May|first9=T.|last9=Dean}}</ref>.]]

{| class="wikitable"
|+Порівняння карбоангідраз ссавців
! rowspan="2" |Ізоформа
! rowspan="2" |Ген
! rowspan="2" |[[Молекулярна маса|Молекулярна <br />маса]]<ref name="boron">Unless else specified: {{cite book
|title=Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approach |url=https://archive.org/details/medicalphysiolog0000boro
|author=Boron WF
|year=2005
|publisher=Elsevier/Saunders
|isbn=978-1-4160-2328-9
}} Page 638</ref> <br />(kDa)
! colspan="2" |Місцезнаходження
! rowspan="2" |Специфічна активність <br />ферментів{{nbsp}}людини,{{efn|За винятком миші CA XV.}}<ref name="Hilvo_2008">
{{Cite news|title=Biochemical characterization of CA IX, one of the most active carbonic anhydrase isozymes|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18703501|work=The Journal of Biological Chemistry|date=2008-10-10|accessdate=2023-12-26|issn=0021-9258|pmid=18703501|doi=10.1074/jbc.M800938200|pages=27799–27809|volume=283|issue=41|first=Mika|last=Hilvo|first2=Lina|last2=Baranauskiene|first3=Anna Maria|last3=Salzano|first4=Andrea|last4=Scaloni|first5=Daumantas|last5=Matulis|first6=Alessio|last6=Innocenti|first7=Andrea|last7=Scozzafava|first8=Simona Maria|last8=Monti|first9=Anna|last9=Di Fiore}}</ref> (s<sup>−1</sup>)
! rowspan="2" |Чутливість до <br />[[Сульфонаміди|сульфаніламіди]],{{efn|Ацетазоламід у цій таблиці.}} <br />K<sub>I</sub> (nM)<ref name="Hilvo_2008" />
|-
!Клітина
!Тканина<ref name="boron" />
|-
|[[CA1|CA-I]]
|{{gene2|CA1|1368}}
|29
|[[Цитозоль]]
|еритроцитів і шлунково-кишкового тракту
|2.0 × 10<sup>5</sup>
|250
|-
|[[CA2|CA-II]]
|{{gene2|CA2|1373}}
|29
|[[Цитозоль]]
|майже повсюдно
|1.4 × 10<sup>6</sup>
|12
|-
|[[CA3|CA-III]]
|{{gene2|CA3|1374}}
|29
|[[Цитозоль]]
|8% розчинного білка в м'язах I типу
|1.3 × 10<sup>4</sup>
|240000
|-
|[[CA4|CA-IV]]
|{{gene2|CA4|1375}}
|35
|позаклітинний GPI-зчеплений
|ШКТ, нирки, ендотелій
|1.1 × 10<sup>6</sup>
|74
|-
|[[CA5A|CA-VA]]
|{{gene2|CA5A|1377}}
|34.7 (прогнозовано)
|[[Мітохондрія]]
|печінка
|2.9 × 10<sup>5</sup>
|63
|-
|[[CA5B|CA-VB]]
|{{gene2|CA5B|1378}}
|36.4 (прогнозовано)
|[[Мітохондрія]]
|широко поширений
|9.5 × 10<sup>5</sup>
|54
|-
|[[CA6|CA-VI]]
|{{gene2|CA6|1380}}
|39–42
| Секреторна
|слина і молоко
|3.4 × 10<sup>5</sup>
|11
|-
|[[CA7|CA-VII]]
|{{gene2|CA7|1381}}
|29
|[[Цитозоль]]
|широко поширений
|9.5 × 10<sup>5</sup>
|2.5
|-
|[[CA9|CA-IX]]
|{{gene2|CA9|1383}}
|54, 58
|[[Клітинна мембрана]]-асоційована
|нормальний шлунково-кишковий тракт, кілька видів раку
|3.8 × 10<sup>5</sup>
|16
|-
|[[CA12|CA-XII]]
|{{gene2|CA12|1371}}
|44
|позаклітинний активний центр
|нирки, деякі види раку
|4.2 × 10<sup>5</sup>
|5.7
|-
|[[CA13|CA-XIII]]<ref name="Lehtonen 2004">{{Cite news|title=Characterization of CA XIII, a novel member of the carbonic anhydrase isozyme family|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14600151|work=The Journal of Biological Chemistry|date=2004-01-23|accessdate=2023-12-26|issn=0021-9258|pmid=14600151|doi=10.1074/jbc.M308984200|pages=2719–2727|volume=279|issue=4|first=Jonna|last=Lehtonen|first2=Bairong|last2=Shen|first3=Mauno|last3=Vihinen|first4=Angela|last4=Casini|first5=Andrea|last5=Scozzafava|first6=Claudiu T.|last6=Supuran|first7=Anna-Kaisa|last7=Parkkila|first8=Juha|last8=Saarnio|first9=Antti J.|last9=Kivelä}}</ref>
|{{gene2|CA13|14914}}
|29
|[[Цитозоль]]
|широко поширений
|1.5 × 10<sup>5</sup>
|16
|-
|[[CA14|CA-XIV]]
|{{gene2|CA14|1372}}
|54
|позаклітинний активний центр
|нирки, серце, скелетні м'язи, мозок
|3.1 × 10<sup>5</sup>
|41
|-
|[[CA15|CA-XV]]<ref name="Hilvo_2005">{{Cite news|title=Characterization of CA XV, a new GPI-anchored form of carbonic anhydrase|url=https://portlandpress.com/biochemj/article/392/1/83/44108/Characterization-of-CA-XV-a-new-GPI-anchored-form|work=Biochemical Journal|date=2005-11-15|accessdate=2023-12-26|issn=0264-6021|pmc=PMC1317667|pmid=16083424|doi=10.1042/BJ20051102|pages=83–92|volume=392|issue=1|language=en|first=Mika|last=Hilvo|first2=Martti|last2=Tolvanen|first3=Amy|last3=Clark|first4=Bairong|last4=Shen|first5=Gul N.|last5=Shah|first6=Abdul|last6=Waheed|first7=Piia|last7=Halmi|first8=Milla|last8=Hänninen|first9=Jonna M.|last9=Hämäläinen}}</ref>
|{{gene2|CA15|44364}}
|34–36
|позаклітинний GPI-зчеплений
|нирки, не виражені в тканинах людини
|4.7 × 10<sup>5</sup>
|72
|}
{{noteslist}}

=== β-CA ===

Більшість [[Прокаріот|прокаріотичних]] і рослинних [[Хлоропласт|хлоропластних]] КА належать до β-сімейства.
Було ідентифіковано два шаблон підпису для цієї родини:

* C-[SA]-D-S-R-[LIVM]-x-[AP]
* [EQ]-[YF]-A-[LIVM]-x(2)-[LIVM]-x(4)-[LIVMF](3)-x-G-H-x(2)-C-G

=== γ-CA ===

γ-клас CA походить від [[Метаногени|метаногенів]], бактерій, що виробляють [[метан]], які ростуть у гарячих джерелах.

=== δ-CA ===

δ-клас CA був описаний у [[діатомові]]. Розрізнення цього класу ЦА з'явилося недавно <ref name="Sawaya_2006">{{Cite news|title=The Structure of β-Carbonic Anhydrase from the Carboxysomal Shell Reveals a Distinct Subclass with One Active Site for the Price of Two|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0021925819353797|work=Journal of Biological Chemistry|date=2006-03|accessdate=2023-12-26|doi=10.1074/jbc.M510464200|pages=7546–7555|volume=281|issue=11|language=en|first=Michael R.|last=Sawaya|first2=Gordon C.|last2=Cannon|first3=Sabine|last3=Heinhorst|first4=Shiho|last4=Tanaka|first5=Eric B.|last5=Williams|first6=Todd O.|last6=Yeates|first7=Cheryl A.|last7=Kerfeld}}</ref>, однак піддаються сумніву.

=== ζ-CA ===

ζ-клас CA зустрічається виключно в [[Бактерії|бактеріях]] у кількох [[Хемолітотрофи|хемолітотрофах]] і морських [[Ціанобактерії|ціанобактеріях]], які містять cso-карбоксисоми<ref name="pmid14729686"> {{Cite news|title=A Novel Evolutionary Lineage of Carbonic Anhydrase (ε Class) Is a Component of the Carboxysome Shell|url=https://journals.asm.org/doi/10.1128/JB.186.3.623-630.2004|work=Journal of Bacteriology|date=2004-02|accessdate=2023-12-26|issn=0021-9193|pmc=PMC321498|pmid=14729686|doi=10.1128/JB.186.3.623-630.2004|pages=623–630|volume=186|issue=3|language=en|first=Anthony K.-C.|last=So|first2=George S.|last2=Espie|first3=Eric B.|last3=Williams|first4=Jessup M.|last4=Shively|first5=Sabine|last5=Heinhorst|first6=Gordon C.|last6=Cannon}}</ref>. Останні тривимірні аналізи<ref name="Sawaya_2006" /> припускають, що ζ-CA має певну структурну подібність до β-CA, особливо поблизу місця іонів металу. Таким чином, дві форми можуть бути віддалено спорідненими, навіть якщо базова [[амінокислотна послідовність]] з тих пір значно розійшлася.

=== η-CA ===

Нещодавно в організмах роду ''[[Плазмодій|Plasmodium]]'' було знайдено сімейство η. Це група ферментів, які раніше вважалися належними до α-сімейства КА, однак було продемонстровано, що η-КА мають унікальні особливості, такі як структура координації іонів металів<ref name="pmid25168745">{{Cite news|title=Discovery of a new family of carbonic anhydrases in the malaria pathogen Plasmodium falciparum —The η-carbonic anhydrases|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960894X14008464|work=Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters|date=2014-09|accessdate=2023-12-26|doi=10.1016/j.bmcl.2014.08.015|pages=4389–4396|volume=24|issue=18|language=en|first=Sonia|last=Del Prete|first2=Daniela|last2=Vullo|first3=Gillian M.|last3=Fisher|first4=Katherine T.|last4=Andrews|first5=Sally-Ann|last5=Poulsen|first6=Clemente|last6=Capasso|first7=Claudiu T.|last7=Supuran}}</ref>.

=== ι-CA ===

Клас йота є останнім описаним класом CA. Він був виявлений у морських діатомових водоростях ''[[Thalassiosira pseudonana]]'' і широко поширений серед морського фітопланктону<ref name=":3">{{Cite news|title=A new widespread subclass of carbonic anhydrase in marine phytoplankton|url=https://www.nature.com/articles/s41396-019-0426-8|work=The ISME Journal|date=2019-08|accessdate=2023-12-26|issn=1751-7362|pmc=PMC6776030|pmid=31024153|doi=10.1038/s41396-019-0426-8|pages=2094–2106|volume=13|issue=8|language=en|first=Erik L.|last=Jensen|first2=Romain|last2=Clement|first3=Artemis|last3=Kosta|first4=Stephen C.|last4=Maberly|first5=Brigitte|last5=Gontero}}</ref>. У діатомових водоростях ι-CA необхідний для механізмів концентрації CO<sub>2</sub> і, на відміну від інших класів CA, він може використовувати [[Манган|марганець]] замість цинку як кофактор металу<ref name=":3" />. Гомологи ι-CA також були підтверджені в грамнегативних бактеріях, де можуть бути присутні як білковий гомодимер<ref>{{Cite news|title=Bacterial ι-carbonic anhydrase: a new active class of carbonic anhydrase identified in the genome of the Gram-negative bacterium Burkholderia territorii|url=https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14756366.2020.1755852|work=Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry|date=2020-01-01|accessdate=2023-12-26|issn=1475-6366|pmc=PMC7191908|pmid=32314608|doi=10.1080/14756366.2020.1755852|pages=1060–1068|volume=35|issue=1|language=en|first=Sonia|last=Del Prete|first2=Alessio|last2=Nocentini|first3=Claudiu T.|last3=Supuran|first4=Clemente|last4=Capasso}}</ref>.

== Будова і функції ==

У природі існує кілька форм карбоангідрази. У найкраще вивченій формі α-карбоангідрази, присутній у тварин, іон цинку координується імідазоловими кільцями 3 залишків гістидину, His94, His96 і His119<ref>{{Cite news|title=Carbonic Anhydrase as a Model for Biophysical and Physical-Organic Studies of Proteins and Protein−Ligand Binding|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cr050262p|work=Chemical Reviews|date=2008-03-01|accessdate=2023-12-26|issn=0009-2665|pmc=PMC2740730|pmid=18335973|doi=10.1021/cr050262p|pages=946–1051|volume=108|issue=3|language=en|first=Vijay M.|last=Krishnamurthy|first2=George K.|last2=Kaufman|first3=Adam R.|last3=Urbach|first4=Irina|last4=Gitlin|first5=Katherine L.|last5=Gudiksen|first6=Douglas B.|last6=Weibel|first7=George M.|last7=Whitesides}}</ref>.

Основною функцією ферменту у тварин є взаємоперетворення вуглекислого газу та бікарбонату для підтримки [[Кислотно-основний баланс|кислотно-лужного балансу]] в крові та інших тканинах, а також для транспортування вуглекислого газу з тканин.

У ссавців існує щонайменше 14 різних ізоформ. [[Рослини]] містять іншу форму, звану β-карбоангідразою, яка, з еволюційної точки зору, є окремим ферментом, але бере участь у тій самій реакції та також використовує іон цинку у своєму активному центрі. У рослин карбоангідраза сприяє підвищенню концентрації СО2 в [[Хлоропласт|хлоропластах]], щоб збільшити швидкість карбоксилування ферменту RuBisCO. Це реакція, яка інтегрує CO2 в [[Вуглеводи|органічні цукри]] вуглецю під час [[Фотосинтез|фотосинтезу]], і може використовувати лише форму CO2 вуглецю, а не вугільну кислоту чи бікарбонат.{{citation needed|date=February 2014}}

== Кадмій-вмісна карбоангідраза ==
Було виявлено, що морські [[діатомові водорості]] [[Експресія генів|експресують]] нову форму ζ карбоангідрази. Було виявлено, що [[T. weissflogii]], вид [[Фітопланктон|фітопланктону]], поширений у багатьох морських екосистемах, містить карбоангідразу з іоном [[Кадмій|кадмію]] замість цинку<ref name="Park et al">{{Cite news|title=Expression of cadmium carbonic anhydrase of diatoms in seawater|url=http://www.int-res.com/abstracts/ame/v51/n2/p183-193/|work=Aquatic Microbial Ecology|date=2008-05-19|accessdate=2023-12-26|issn=0948-3055|doi=10.3354/ame01192|pages=183–193|volume=51|language=en|first=H|last=Park|first2=Pj|last2=McGinn|first3=Fmm|last3=Morel}}</ref>. Раніше вважалося, що кадмій є токсичним металом, який не виконує жодних біологічних функцій. Однак цей вид фітопланктону, схоже, пристосувався до низького рівня цинку в океані, використовуючи кадмій, коли цинку не вистачає<ref name="Lane et al">{{Cite news|title=A cadmium enzyme from a marine diatom|url=https://www.nature.com/articles/435042a|work=Nature|date=2005-05|accessdate=2023-12-26|issn=0028-0836|doi=10.1038/435042a|pages=42–42|volume=435|issue=7038|language=en|first=Todd W.|last=Lane|first2=Mak A.|last2=Saito|first3=Graham N.|last3=George|first4=Ingrid J.|last4=Pickering|first5=Roger C.|last5=Prince|first6=François M. M.|last6=Morel}}</ref>. Хоча концентрація кадмію в морській воді також низька (приблизно 1x10-16 [[Молярна маса|моль]]), існує екологічна перевага можливості використання будь-якого металу залежно від того, який є більш доступним на даний момент. Таким чином, цей тип карбоангідрази є камбіалістичним, тобто він може замінювати метал у його активному центрі іншими металами (а саме цинком і кадмієм)<ref name=":4" />.

=== Подібність до інших карбоангідраз ===
Механізм карбоангідрази кадмію (CDCA) по суті такий самий, як і інших карбоангідраз, у перетворенні вуглекислого газу та води в бікарбонат і протон<ref name=":4" />. Крім того, як і інші карбоангідрази, CDCA змушує реакцію протікати майже так само швидко, як швидкість дифузії її субстратів, і вона може інгібуватися похідними [[Сульфаміди|сульфонамідів]] і [[Сульфамінова кислота|сульфаматів]]<ref name=":4" />.

=== Відмінності від інших карбоангідраз ===
На відміну від більшості інших карбоангідраз, іон металу активного центру не зв’язаний трьома залишками [[Гістидин|гістидину]] та гідроксид-іоном. Натомість він зв’язаний двома залишками [[Цистеїн|цистеїну]], одним залишком гістидину та гідроксид-іоном, що характерно для β-CA<ref name=":5">{{Cite book
|title=Cadmium: from toxicity to essentiality |last=Sigel
|first=Astrid
|last2=Sigel
|first2=Helmut
|last3=Sigel
|first3=Roland K. O.
|date=2013
|series=Metal ions in life sciences
|publisher=Springer
|location=Dordrecht
|isbn=978-94-007-5179-8
}}</ref><ref name="Xu et al">{{Cite news|title=Structure and metal exchange in the cadmium carbonic anhydrase of marine diatoms|url=https://www.nature.com/articles/nature06636|work=Nature|date=2008-03|accessdate=2023-12-26|issn=0028-0836|doi=10.1038/nature06636|pages=56–61|volume=452|issue=7183|language=en|first=Yan|last=Xu|first2=Liang|last2=Feng|first3=Philip D.|last3=Jeffrey|first4=Yigong|last4=Shi|first5=François M. M.|last5=Morel}}</ref>. Через те, що кадмій є [[Теорія кислот і основ Пірсона|слабкою кислотою]], він буде більш міцно зв'язаний м'якими основними [[Ліганд (біохімія)|лігандами]]<ref name=":4" />. Атоми [[Сірка|сірки]] на залишках цистеїну є м’якими основами, тому зв’язують кадмій сильніше, ніж азот на залишках гістидину. CDCA також має структуру тривимірного згортання, яка не схожа на будь-яку іншу карбоангідразу, а її амінокислотна послідовність не схожа на інші карбоангідрази<ref name=":5" />. Це [[мономер]] з трьома доменами, кожен з яких ідентичний за послідовністю амінокислот і кожен з яких містить активний центр з іоном металу<ref name="Xu et al" />.

Ще одна ключова відмінність між CDCA та іншими карбоангідразами полягає в тому, що CDCA має механізм заміни іонів кадмію на іони цинку у випадку, якщо цинк стає більш доступним для фітопланктону, ніж кадмій. Активний центр CDCA по суті «замкнений» ланцюжком із дев’яти амінокислот із залишками [[Гліцин|гліцину]] в положеннях 1 і 9. Зазвичай ці ворота залишаються закритими, а іон кадмію затримується всередині. Однак завдяки гнучкості та положенню залишків гліцину ці ворота можна відкрити, щоб видалити іон кадмію. Тоді на його місце можна поставити іон цинку, і ворота за ним закриються<ref name="Book on Cadmium">{{Cite book
|title=Cadmium: from toxicity to essentiality |last=Sigel
|first=Astrid
|last2=Sigel
|first2=Helmut
|last3=Sigel
|first3=Roland K. O.
|date=2013
|series=Metal ions in life sciences
|publisher=Springer
|location=Dordrecht
|isbn=978-94-007-5179-8
}}</ref>. Будучи [[Теорія кислот і основ Пірсона|граничною кислотою]], цинк не зв’яжеться з цистеїновими лігандами так міцно, як кадмій, але фермент все одно буде активним і досить ефективним. Метал в активному центрі може перемикатися між цинком і кадмієм залежно від того, якого з них у даний момент більше. Саме здатність CDCA використовувати кадмій або цинк, ймовірно, дає T. weissflogii перевагу у виживанні<ref name="Lane et al" />.

=== Транспортування кадмію ===
Кадмій все ще вважається смертельним для фітопланктону у великих кількостях. Дослідження показали, що T. weissflogii має початкову токсичну реакцію на кадмій під час впливу на нього. Токсичність металу знижується завдяки транскрипції та трансляції [[Фітохелатин|фітохелатину]], білків, здатних зв’язувати та транспортувати кадмій. Після зв’язування фітохелатином кадмій більше не є токсичним і його можна безпечно транспортувати до ферменту CDCA<ref name="Park et al" />. Також було показано, що поглинання кадмію через фітохелатин призводить до значного збільшення експресії CDCA<ref name="Park et al" />.

=== CDCA-подібні білки ===
Інший фітопланктон з різних водних джерел перевірено на наявність CDCA. Було виявлено, що багато з них містять білки, гомологічні CDCA, знайденим у T. weissflogii<ref name="Park et al" />. Це включає види з [[Грейт-Бей, Нью-Джерсі]], а також у [[Тихий океан|Тихому океані]] поблизу [[Екватор|екватора]]. У всіх досліджених видів CDCA-подібні білки показали високий рівень експресії навіть у високих концентраціях цинку та за відсутності кадмію<ref name="Park et al" />. Подібність між цими білками та CDCA, що експресується T. weissflogii, різна, але вони завжди були подібними щонайменше на 67%<ref name="Park et al" />.

== Уловлювання та секвестрація вуглецю ==
{{Докладніше|[[Уловлення та зберігання вуглецю]]}}

Карбоангідраза в принципі може виявитися актуальною для [[Уловлення та зберігання вуглецю|захоплення вуглецю]]. Деякі карбоангідрази можуть витримувати температуру до 107 °C і екстремальну лужність (pH > 10)<ref name=":0">{{Cite news|title=Directed evolution of an ultrastable carbonic anhydrase for highly efficient carbon capture from flue gas|url=https://pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1411461111|work=Proceedings of the National Academy of Sciences|date=2014-11-18|accessdate=2023-12-26|issn=0027-8424|pmc=PMC4246266|pmid=25368146|doi=10.1073/pnas.1411461111|pages=16436–16441|volume=111|issue=46|language=en|first=Oscar|last=Alvizo|first2=Luan J.|last2=Nguyen|first3=Christopher K.|last3=Savile|first4=Jamie A.|last4=Bresson|first5=Satish L.|last5=Lakhapatri|first6=Earl O. P.|last6=Solis|first7=Richard J.|last7=Fox|first8=James M.|last8=Broering|first9=Michael R.|last9=Benoit}}</ref>. Пілотний запуск із більш стабільним CA на потоці димових газів, який складався з 12–13% мол. CO₂, мав швидкість захоплення 63,6% протягом 60-годинного періоду без помітного впливу на ефективність ферменту. CA поміщали в розчин N-метилдіетаноламіну (MDEA), де він служив для збільшення різниці концентрацій (рушійної сили) CO2 між димовим потоком електростанції та рідкою фазою в рідинно-газовому контакторі<ref name=":0" />.

== Дивись також ==
* [[Інгібітор карбоангідрази]]

== Список літератури ==
{{reflist}}

{{Портал|Біологія|border=no}}

[[Категорія:Ліази]]