Tiere und Pflanzen verwenden dasselbe Enzym zur Wahrnehmung von Kohlendioxid

Carboanhydrasen sind weit verbreitete Enzyme, die in zahlreichen, strukturell deutlich verschiedenen Varianten und Isoformen in fast allen Organismen vorkommen. Sie katalysieren die Reaktion von Kohlendioxid mit Wasser zu Hydrogencarbonat und Protonen und ebenso die Rückreaktion. Die Reaktionsgleichung lautet: CO₂ + H₂O <—> + HCO₃^- + H⁺.

Die Reaktion spielt in sehr unterschiedlichen Zusammenhängen eine Rolle, so dass Carboanhydrasen eine Reihe von wichtigen Aufgaben erfüllen. So kann z. B. durch die Produktion bzw. Eliminierung von Wasserstoffionen = Protonen (H⁺) der pH-Wert der Zellen reguliert werden. Die Rückreaktion zu CO₂ ist u.a. auch deshalb wichtig, weil sich diese Verbindung im Körper leichter transportieren lässt als Hydrogencarbonat.

Die Reaktion läuft zwar grundsätzlich auch spontan ab, wird aber durch das Enzym um einen Faktor 10⁷ gesteigert, so dass bis 1 Million Moleküle Kohlendioxid pro Sekunde umgesetzt werden können. Entsprechend gehören Carboanhydrasen zu den schnellsten Enzymen überhaupt. Die eigentliche katalytische Aktivität wird durch ein Zinkion (Zn²⁺) als Cofaktor bedingt.

Im menschlichen Körper sind Carboanhydrasen u.a. am Kohlendioxidtransport der roten Blutkörperchen und an der Bildung des Kammerwassers im Auge beteiligt, sie regulieren den Säure-Base-Haushalt der Niere und sind auch das Schlüsselenzym für die Produktion von Magensäure. Bei Pflanzen spielen sie u.a. eine wesentliche Rolle bei der Photosynthese.

Dass Pflanzen und Tiere CO₂ wahrnehmen können, ist schon lange bekannt. So merkt unsere Zunge, ob wir ein Getränk mit oder ohne CO₂ trinken. Es war aber bislang unklar, wie das Schmecken von Kohlendioxid bei Mensch und Säugetieren funktioniert. Grüne Pflanzen registrieren den CO₂-Gehalt der Luft und schließen bei ausreichendem Angebot die Spaltöffnungen, um einen möglichen Wasserverlust gering zu halten. Außerdem steuert das CO₂-Angebot langfristig die Dichte der Spaltöffnungen pro Blattfläche. Aber auch bei Pflanzen war bisher unklar, wie die Wahrnehmung von CO₂ erfolgt.

Diese Wissenslücke konnte jetzt weitgehend geschlossen werden, indem sowohl für Tiere als auch Pflanzen gezeigt wurde, dass auch in diesem Punkt Carboanhydrasen wesentlich beteiligt sind (vgl. Frommer 2010). Nicht ganz klar ist, ob das Enzym nur als Überträger (Transponder) fungiert, indem die Reaktionsprodukte (namentlich H⁺) als Signal dienen, oder ob das Enzym als Sensor fungiert (Senzym) und bei der Reaktion die Konformation ändert, die dann von einem weiteren Protein registriert wird, das den Impuls weiterleitet.

Bei Säugern (Chandrashekar et al. 2009) sind die für die Geschmacksnote „sauer“ zuständigen Zellen der Zunge auch an der Wahrnehmung des typischen CO₂-Geschmacks sog. kohlensäurehaltiger Getränke beteiligt. Dafür verantwortlich ist neben einer physikalischen Komponente, die die Gasbläschen registriert, vor allem die auf der Zelloberfläche lokalisierte α-Carboanhydrase 4. Die zugehörigen Zellen sind mit einer Ionenpumpe verbunden, die die weiteren Reaktionen auslöst. Die Untersuchungen wurden an Menschen und an Mäusen durchgeführt.

Bei Pflanzen (Hu et al. 2010) wurde die CO₂-Rezeption am Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (= Acker-Schmalwand) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass bei Doppelmutanten mit defekten α-Carboanhydrasen 1 und 4 die Regulation der Spaltöffnungsbewegungen stark gestört ist, und dass diese Störung erstaunlicherweise durch Zugabe von α-Carboanhydrase 2 aus Säugerzellen kompensiert werden kann. Die durch die Carboanhydrasen vermittelte Regulation der Spaltöffnungen ist nicht direkt von der Photosyntheseleistung abhängig. Die Enzyme sind innerhalb der Schließzellen lokalisiert und die von ihnen katalysierte Reaktion setzt offenbar die für das mechanische Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen letztlich verantwortliche Ionenpumpe in Gang.

So finden sich also für die Wahrnehmung von CO₂ in so verschiedenen Organismen wie Säugern und grünen Pflanzen grundsätzlich gleiche Mechanismen. In einem Kommentar in der Zeitschrift Science weist Frommer (2010) auf diese erstaunliche Parallele hin und stellt heraus, dass beide Mechanismen unabhängig voneinander evolviert sein müssen, da die jeweils verwendeten Enzyme bezüglich ihrer Aminosäuresequenz und ihrer Struktur stark verschieden sind und an unterschiedlichen Stellen wirken, da sie in einem Fall außerhalb, im anderen Fall innerhalb der Zelle lokalisiert sind. Vor dem Hintergrund einer zufälligen Entstehung der Organismen geht er davon aus, dass das Vorliegen gleicher Funktionen deshalb so bemerkenswert ist, weil sich die zu den Pflanzen und die zum Menschen führenden Linien vor mehr als 1 Milliarde Jahren getrennt haben. Wenn wir alternativ zu diesem Denkansatz hinter der Entstehung der Lebewesen einen Plan sehen, überrascht es nicht, dass für gleiche Funktionen auch gleiche Mechanismen verwendet werden.

H. Kutzelnigg

[Chandrashekar J et al. (2009) The Taste of Carbonation. Science 326, 443-445; Frommer WB (2010) CO₂mmon Sense. Science 327, 275-276; Hu H et al. (2010) Carbonic anhydrases are upstream regulators of CO₂-controlled stomatal movements in guard cells. Nat. Cell Biol. 12, 87-95.]