Carboanhydrase

Bei der Carboanhydrase handelt es sich um ein intrazellulär lokalisiertes Enzym (membrangebundenes und zytosolisches Vorkommen), das im menschlichen Stoffwechsel eine sehr wichtige Rolle spielt. Die Carboanhydrase katalysiert die Reaktion CO2 + 2 H2O ⇌ H2CO3 + H2O ⇌ H3O+ + HCO3-. Sie gehört zur Enzymklasse 4.2.1.1.

Hinter der Bezeichnung Carboanhydrase verbirgt sich nicht nur ein einziges Enzym, sondern eine ganze Klasse von Isoenzymen mit leicht unterschiedlichem Aufbau ihres Proteins.

Beim Menschen existieren 7 verschiedene Isoenzyme, HCA I bis HCA VII (HCA = Human Carbonic Anhydrase), von denen die HCA II das bestuntersuchte ist.

Das Enzym enthält als Cofaktor ein Zink-Ion, das für die eigentliche katalytische Aktivität des Enzyms verantwortlich ist. Das Zink-Ion ist an die drei Stickstoffdonorzentren des Imidazolringes der drei Histidin-Aminosäuren koordiniert.

Die Carboanhydrase ist an zahlreichen physiologischen Prozessen beteiligt. Sie ist eines der schnellsten Enzyme und kann jeweils bis zu 106 Moleküle Kohlenstoffdioxid pro Sekunde hydratisieren. Ihr kcat-Wert liegt bei 1.000.000 pro Sekunde.

Carboanhydrase und Wirkweise im proximalen Tubulus der Niere (s. Abb.): Im proximalen Abschnitt des Tubulus der Nieren sorgt das Zusammenspiel des Na+-H+-Antiporters (s.u. Transporter) und der Carboanhydrase für die Rückresorption von NaHCO3. In diesem Prozess interferieren die Carboanhydrasehemmer, die die renale Ausscheidung von HCO3- - Ausscheidung (v.a. in Form von KHCO3) und verursachen eine metabolische Azidose.

Über die Carboanhydrase wird Hydrogencarbonat folgendermaßen resorbiert: ein Na+-Ion gelangt im Austausch gegen ein H+ -Ion ins Zellinnere, wobei das Proton im Primärharn mit HCO3- zu Kohlensäure reagiert. Unter Einwirkung der Carboanhydrase entsteht CO2, das direkt in die Zelle gelangt. Hier kommt es zu einer entgegengesetzten Reaktion. CO2 wird mittels des gleichen Enzyms, der Carboanhydrase wieder zu H2CO3 überführt. Diese intrazellulär entstandene Kohlensäure dissoziiert in ein H+ -Ion, das wiederum zum Austausch gegen ein Na+ -Ion verwendet werden kann, und in ein HCO3- -Ion, das ins Interstitium abgegeben. Es dient dem Organismus als alkalische Reserve. Zudem kommt es im proximalen Tubulus zur Resorption von weiteren Kationen, wie K+, Ca2+ und Mg2+ sowie von Glukose, Aminosäuren und Proteinen.

Die isoenzym- und speziesspezifischen Carboanhydrase-Autoantikörper können die Aktivität des Enzyms hemmen. Ein Teil der Antikörper richtet sich möglicherweise gegen das katalytisch aktive Epitop des Enzyms. Bei Patienten mit systemischem Lupus erythematodes wurden Antikörper gegen Carboanhydrase I und II in einem höheren Prozentsatz bei solchen Patienten gefunden, die gleichzeitig anti-U1-snRNP- und anti-SS-A /Ro aufwiesen.

1. Lindskog S (1997) Structure and mechanism of carbonic anhydrase. Pharmacol Ther 74:1-20. 
2. Supuran CT (2018) Carbonic anhydrase inhibitors and their potential in a range of
3. therapeutic areas. Expert Opin Ther Pat 28:709-712.