Anhydrase carbonique

Définition

L'anhydrase carbonique (AC) catalyse les réactions réversibles d'hydratation et de déshydratation du CO₂/H₂CO₃. Les anhydrases carboniques sont répandues dans la nature, chez les animaux, les plantes et certaines bactéries. Seize isozymes ont été identifiés et caractérisés chez les mammifères.

En chimie, une anhydrase est une enzyme qui catalyse l'élimination de l'eau d'un matériau. Pour un anhydride, voir un anhydride carbonique.

Schéma avec réaction de l'anhydrase carbonique :

Enzyme anhydrase carbonique et son mécanisme de capture et de régénération du CO2 avec la représentation en ruban de l'enzyme AC (CA) en haut, à gauche.

Explications

Comme les anhydrases carboniques d'érythrocytes sont relativement faciles à obtenir à des fins expérimentales, elles sont les plus largement étudiées. Comme le transport du CO₂ (dioxyde de carbone) se fait dans le sang, l'excrétion est largement dépendante de la catalyse rapide du CO₂ par des réactions à l'intérieur de l'érythrocyte par les anhydrases carboniques.

L'anhydrase carbonique bovine hydrate de manière réversible les pyruvates d'alkyle et présente une activité hydratase envers une grande variété de substrats.

Les érythrocytes humains ont été utilisés dans des études des années 1970 pour isoler et obtenir les premières séquences d'acides aminés de AC-I et AC-II. John Edsall a réalisé des études approfondies sur la cinétique de l'AC des érythrocytes humains et a également découvert le premier inhibiteur compétitif, l'imidazole.

Les recherches actuelles sur l'anhydrase carbonique continuent d'étudier le mécanisme de liaison des inhibiteurs et le rôle de l'AC dans l'inhibition de la calcification cardiovasculaire ectopique.

Avec les algues

Une anhydrase carbonique est une enzyme permettant aux algues de convertir l'ion bicarbonate en dioxyde de carbone et donc d'utiliser HCO₃ comme source de carbone. La présence d'une telle enzyme chez les algues est difficile à étudier et souvent hypothétique. Le rejet d'ions hydroxyle entraîné par la dissociation de HCO₃^- (H₂CO₃ est l'acide carbonique) en CO₂ et OH^-, alcalinise le milieu autour des algues absorbant les bicarbonates; chez certaines d'entre elles, calcifiées, l'absorption de bicarbonate et le rejet d'ions hydroxyle qui en résulte sont liés à la précipitation de carbonate de calcium.

Caractéristiques moléculaires

Chaque isozyme des érythrocytes (AC-I et AC-II) est composé d'un peptide à chaîne unique de 259 ou 260 résidus d'acides aminés. La forme à faible activité (AC-I) contient 260 résidus, tandis que la forme à haute activité (AC-II) contient 259 résidus. Les formes érythrocytaires à activité élevée et faible au sein d'une espèce donnée présentent généralement plus de 50 % d'identité de séquence. Par exemple, les formes AC-I et AC-II équines ne présentent que 55 % d'identité. En revanche, les mêmes formes d'espèces différentes présentent une homologie beaucoup plus grande. L'AC-II humaine et l'AC-II bovine présentent une homologie de séquence de 77 %.

Les isozymes sont codés par des gènes séparés mais étant donné la grande homologie, en particulier dans le centre actif, ils semblent avoir une histoire évolutive commune. L'ubiquitine, une protéine de 76 résidus avec certaines propriétés enzymatiques des anhydrases carboniques, a une homologie de séquence distincte avec l'anhydrase carbonique.

Composition

Seize isozymes d'anhydrase carbonique ont été décrits jusqu'à présent chez les mammifères. Les anhydrases carboniques érythrocytaires, AC-I et AC-II, sont les plus connues. AC-I, AC-II, AC-III, AC-VII et AC-XIII sont cytosoliques. AC-IV, AC-IX, AC-XII, AC-XIV et AC-15 sont liées à la membrane. L'AC-VI est sécrétée dans la salive. AC-VA et AC-VB sont mitochondriales. Il existe également trois formes acatalytiques appelées protéines liées à l'anhydrase carbonique (ACRP) : ACRP-VIII, ACRP-X et ACRP-XI.

Le zinc métallique est toujours lié aux histidines 93, 95 et 118 (numérotation des chaînes matures). Un réseau à liaison hydrogène, lié à la molécule d'eau liée au zinc et à ces histidines directement ou indirectement, comprend 28-Ser, 91-Glu, 105-Glu, 106-His, 116-His, 193-Tyr, 198-Thr, 208-Trp et 223-Asn. Ces résidus se sont avérés hautement conservés. Les AC-I et II bovines et humaines contiennent une structure de noeud C-terminal unique, qui s'est avérée importante pour les propriétés enzymatiques et mécaniques.

Inhibiteurs de l'anhydride carbonique

L'anhydrase carbonique joue un rôle important au niveau du sang, des poumons, de l'estomac et du rein. Ses inhibiteurs, notamment des sulfamides (sulfanilamides), sont utilisés comme diurétiques.

Histoire et évolution

L'anhydrase carbonique a été découverte pour la première fois dans des érythrocytes de vertébrés. Il a été déduit qu'un catalyseur était présent dans le sang qui pouvait déshydrater le bicarbonate et lui permettre de s'échapper sous forme de CO₂. L'AC a été rapidement isolée des érythrocytes par Meldrum et Roughton en 1933. Après la découverte en 1940 que le zinc est un cofacteur intrinsèque, l'AC est devenue la première métalloenzyme reconnue. Il a également été déduit que le sulfanilamide est un inhibiteur de l'enzyme, ce qui a conduit à des études pharmacologiques et à la découverte importante d'inhibiteurs de l'anhydride carbonique comme traitement du glaucome.

Il a fallu plus de vingt ans à l'AC pour susciter l'intérêt de la communauté des chercheurs, et ce en raison des substrats simples sur lesquels elle agit. Elle est devenue connue comme l'un des catalyseurs acido-basiques les plus efficaces. L'intérêt pour l'enzyme a également été suscité lorsque Lindskog a remplacé l'ion zinc par du cobalt et a découvert que l'activité de l'enzyme n'était pas affectée. Cela a conduit à de nombreuses études sur l'oxydation des métaux et à des théories selon lesquelles l'activité de l'enzyme est liée à l'ionisation des groupes voisins.

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