Anhydraza węglowa to białko, które pomaga regulować równowagę kwasowo-zasadową i pH we krwi i innych tkankach zwierzęcych. Znany jest przede wszystkim ze swojej roli w przekształcaniu dwutlenku węgla w wodorowęglan, który jest transportowany do płuc. Białko to występuje w większości organizmów, od bakterii po rośliny. Ma również znaczenie farmaceutyczne, ponieważ kilka leków jest inhibitorami jego aktywności.
Dwutlenek węgla (CO2) powstaje w wyniku oddychania tlenowego i rozkładu tłuszczów. Jest usuwany z organizmu przez wydech z płuc. Dwutlenek węgla wytwarzany w całym ciele musi być transportowany przez krew, aby dostać się do płuc. Jest transportowany w kilku postaciach, głównie jako wodorowęglan, HCO3-. Wodorowęglan to CO2 z dołączoną grupą OH. Gdy wodorowęglan dotrze do płuc, jest ponownie przekształcany w dwutlenek węgla, dzięki czemu może być wydychany z organizmu.
Anhydraza węglanowa przekształca dwutlenek węgla w wodorowęglan w odwracalnej reakcji, głównie w czerwonych krwinkach. Ta reakcja może nastąpić spontanicznie, ale tempo jest zbyt wolne jak na potrzeby organizmu. Będąc enzymem, anhydraza węglanowa znacznie przyspiesza tempo reakcji. Jest to jeden z najszybszych znanych enzymów. Ta reakcja zatrzymuje wodorowęglan w komórkach, ponieważ nie może dyfundować do iz komórek, tak jak dwutlenek węgla.
Anhydraza węglanowa ma cząsteczkę cynku w swoim miejscu aktywnym i należy do klasy enzymów znanych jako metaloenzymy. Jest to jeden z powodów, dla których ludzie potrzebują cynku w swojej diecie. Mechanizm anhydrazy węglanowej obejmuje cząsteczkę wody wiążącą się z atomem cynku. Grupa OH wiąże się następnie z atomem węgla CO2, w wyniku czego powstaje jon wodorowęglanowy. Po tym następuje uwolnienie H+, protonu.
Istnieje wiele różnych anhydraz węglanowych, które można znaleźć w różnych organizmach. Istnieje pięć znanych klas, które, jak się wydaje, ewoluowały niezależnie. Jedną z klas jest klasa alfa, która obejmuje co najmniej 14 form ludzkich enzymów. Ich właściwości różnią się w zależności od przedziału komórkowego lub tkanki, w której się znajdują.
Wiele form jest pozakomórkowych lub związanych z błoną. Może to pomóc w poprawie dyfuzji dwutlenku węgla i protonów w komórce. Anhydraza węglanowa może zakłócać wewnątrzkomórkowe gradienty pH poprzez zwiększenie ruchu protonów. Może to pomóc komórce w utrzymaniu stałego pH komórkowego. Nadmiar wewnątrzkomórkowych protonów może zakłócać wiele reakcji komórkowych.
Rola anhydrazy węglanowej jest różna w różnych tkankach. W żołądku bierze udział w wydzielaniu kwasu żołądkowego, jednocześnie utrzymując neutralność śliny. Wpływa również na zawartość wody w komórkach oczu i nerek. Jeśli anhydrazy węglanowe w tych miejscach są nieobecne lub nie działają prawidłowo, może to prowadzić do choroby. Na przykład, jeśli w oku nagromadzi się zbyt dużo płynu, może to prowadzić do jaskry.
Kilka inhibitorów anhydrazy węglanowej jest stosowanych komercyjnie jako leki farmaceutyczne, głównie do kontrolowania jaskry. Najczęściej stosowanym inhibitorem jest acetazolamid. Jest również stosowany w leczeniu epilepsji i choroby wysokościowej, a także kilku innych schorzeń.
W roślinach dwutlenek węgla z powietrza jest przekształcany w cukier w obecności światła słonecznego w procesie fotosyntezy. Nadmiar dwutlenku węgla jest magazynowany w zakładzie w postaci wodorowęglanu. Rośliny wykorzystują anhydrazę węglanową, aby przekształcić wodorowęglan z powrotem w dwutlenek węgla, dzięki czemu można go wykorzystać w fotosyntezie.