La enzima prodigiosa de verdad, la anhidrasa.

La anhidrasa carbónica (CA) es una enzima fundamental para la vida desde sus inicios. Debió de estar ahí cuando solo había organismos unicelulares, o cuando la vida era anaerobia, siguió y fue imprescindible en la transición al oxígeno y en la aparición de depósitos de caliza y no fue menos en la aparición de la vida pluricelular. Es una enzima que aumenta la velocidad de la interconversión de dióxido de carbono más agua en el ion bicarbonato y un protón. La reacción se daría sin la presencia de la anhidrasa pero a una velocidad muy baja. La vida como la conocemos ahora, necesita mucho más brío y más cuando los niveles de CO2 atmosféricos son tan bajos en comparación con los de la atmósfera primigenia. Es fundamental para la fotosíntesis, la respiración, el equilibrio iónico, el balance ácido base y la creación esqueletos.

La primera CA aislada fue en 1933 a partir de los eritrocitos animales, es básica para la respiración. En 1939 se descubrió la existencia de CA en plantas y vio que era distinta a la de los animales en tamaño y características químicas. Un año más tarde se demostró el papel fundamental de cinc en la catálisis por lo que fue la primera metaloenzima descubierta. Hicieron falta dos décadas hasta que en 1963 se encontró la primera CA de un procariota y tres décadas más 1994 para detectar actividad CA en una arquea metanógena. Una vez purificada y caracterizada se vio que también era distinta a la de los animales y plantas.

Gracias a la cristalografía de proteínas conocemos la estructura de las tres formas de anhidrasas carbónicas y hemos visto que son muy diferentes pero que los centros activos donde se produce la catálisis, mediada siempre por cinc (o cadmio si no hay mucho cinc como en el mar), son muy similares pese a ser tan diferentes en estructuras. Las técnicas de secuenciación genómica nos ha permitido secuenciar los genomas de muchos organismos y ver que versión/es de la anhidrasa parecen tener con un resultados bastante interesantes.

Hay al menos tres clases diferentes de CAs (designadas como α, β and γ) que no tienen ningún parecido de secuencia significativo y que aparecieron independientemente. Por ello, las clases de  anhidrasas carbónicas son ejemplos excelentes de evolución  convergente de la función catalítica.

Hay al menos tres clases diferentes de CAs (designadas como α, β and γ) que no tienen ningún parecido de secuencia significativo y que aparecieron independientemente. Por ello, las clases de
anhidrasas carbónicas son ejemplos excelentes de evolución
convergente de la función catalítica.

Estamos probablemente ante un fenómeno de convergencia evolutiva . Donde tres o más proteínas que surgieron separadamente y dieron con la misma función, catalizando la misma reacción, mediante un mecanismo similar y con un cinc bivalente como ion metálico asistiendo la catálisis. Evolutivamente, la historia sería comparable, por ejemplo, a la aparición en distintos tiempos de animales acuáticos con aleta caudal, aleta dorsal y paletas, como los exitosos peces teleósteos, lo cetáceos mamíferos acuáticos como la ballena y los ictiosaurios reptiles ya extintos que una vez surcaron los mares del planeta.

Evolución convergente. De tres arquetipos diferente han surgido tres animales parecidos en cuanto a su forma anatómica externa, pero no interna. Todos tiene aletas cudales, dorsales y paletas para la natación, sustentadas por estructuras internas diferentes. Analogía. Estructuras distintas que evolutivamente desembocan en una función parecida. Itiosaurios, Cetáceos y peces.

Evolución convergente. De tres arquetipos diferente han surgido tres animales parecidos en cuanto a su forma anatómica externa, pero no interna. Todos tiene aletas cudales, dorsales y paletas para la natación, sustentadas por estructuras internas diferentes. Analogía. Estructuras distintas que evolutivamente desembocan en una función parecida. Itiosaurios, Cetaceos y peces.

Podría haber una visión ideal de que las α-CAs podrían estar restringidas al reino animal y a las algas verdes, las β-CAs a las plantas y a las eubacterias y las γ-CAs a las arqueobacterias y eubacterias, pero al estudiar cada vez más organismos se ha visto que la imagen es mucho más complicada. Los análisis filogénicos nos indican que la clase beta es la más diversa, y las hay en plantas, algas y arqueas. En esta clase el átomo de zinc que participa en la catálisis esta coordinado con dos cisteinas y una histidina. Las cianobacterias que alguna vez formaron los estromatolitos y comenzaron a fijar CO2 en forma de carbonato cálcico hace dos o tres billones de años ya contarían con alguna o algunas versiones, las actuales tienen la α-CA y la β-CA, así que la cosa es complicada, aunque parece que la fijadora exterior pertenece a la primera y la otra lo será para la fotosíntesis. Para complicar la cosa aun más se han descrito las cases delta (δ) y épsilon (ε) aunque parece que esta última es una variante de la beta.

Alpha Carbonic anhydrase active center complex with bicarbonate. Carbonic anhydrases catalyze the reversible hydration of CO2 (alpha). Since the discovery of this zinc (Zn) metalloenzyme in erythrocytes over 65 years ago, carbonic anhydrase has not only been found in virtually all mammalian tissues but is also abundant in plants and green unicellular algae. The enzyme is important to many eukaryotic physiological processes such as respiration, CO2 transport and photosynthesis, CO2 fixation.

Alpha Carbonic anhydrase active center complex with bicarbonate. Carbonic anhydrases catalyze the reversible hydration of CO2 (alpha). Since the discovery of this zinc (Zn) metalloenzyme in erythrocytes over 65 years ago, carbonic anhydrase has not only been found in virtually all mammalian tissues but is also abundant in plants and green unicellular algae. The enzyme is important to many eukaryotic physiological processes such as respiration, CO2 transport and photosynthesis, CO2 fixation.

Por último decir que se están estudiando inhibidores selectivos de las diferentes CA para explotar las diferencias que por la larga evolución han surgido entre todoas las variantes, incluso entre las formas animales de la enzima. Si el parásito de la malaria tiene una forma especial que le permite sobrevivir mejor y encontramos una sustancia que bloquee su anhidrasa podría ser un gran hallazgo. Esta sí es una enzima prodigiosa.

NOTA: Esta entrada participa en el XLV Carnaval de Química alojado en el blog conCIENCIAte ahora de @honey_eyes1405.

REFERENCIAS

Prokaryotic carbonic anhydrases. Kerry S. Smith , James G. Ferry. FEMS Microbiology Reviews

Carbonic Anhydrase: New Insights for an Ancient Enzyme. Brian C. Tripp , Kerry Smith and James G. Ferry.

Extracellular carbonic anhydrases of the stromatolite-forming cyanobacterium Microcoleus chthonoplastes
Elena Kupriyanova, Arsenio Villarejo, Alexandra Markelova, Lyudmila Gerasimenko, Georgy Zavarzin, Göran Samuelsson, Dmitry A. Los and Natalia Pronina. Microbiology April 2007 vol. 153 no. 4 1149-1156.

Prokaryotic carbonic anhydrases. Kerry S. Smith , James G. Ferry

The Structure of β-Carbonic Anhydrase from the Carboxysomal Shell Reveals a Distinct Subclass with One Active Site for the Price of Two. Michael R. Sawaya, Gordon C. Cannon, Sabine Heinhorst, Shiho Tanaka, Eric B. Williams, Todd O. Yeates and Cheryl A. Kerfeld.

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