含锌酶——碳酸酐酶

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碳酸酐酶III在疾病和肌肉疲劳发生发展中的作用

第23卷第5期2011年5月V ol. 23, No. 5May, 2011生命科学Chinese Bulletin of Life Sciences文章编号：1004-0374(2011)05-0429-05碳酸酐酶III 在疾病和肌肉疲劳发生发展中的作用尚西亮1，鲍苑苑2，任惠民3，陈世益1*(1 复旦大学附属华山医院运动医学科，上海 200040；2 复旦大学附属华山医院内分泌科，上海 200040； 3 复旦大学神经病学研究所，上海 200040)摘　要：碳酸酐酶(carbonic anhydrases ，CAs )是一种广泛存在的含锌的金属蛋白酶，能可逆性地高效催化CO 2的水合反应，参与调节胞内pH 值、离子运输和生物合成反应等多种生理过程。

在哺乳动物体内已发现13种CA 同工酶和3种CA 相关蛋白，其中CAIII 与其他CA 同工酶相比，在组织分布、分子结构和生物学功能上均有其独特之处。

CAIII 表达异常可能与多种临床疾病的发生和发展有关，还可能参与了肌肉疲劳的发生。

关键词：碳酸酐酶III ；生物学功能；疾病；肌肉疲劳中图分类号：Q556 ；R363. 1+4 文献标志码：AEffects of CAIII on the occurrence and development ofdiseases and muscle fatigueSHANG Xi-Liang 1, BAO Yuan-Yuan 2, REN Hui-Min 3, CHEN Shi-Yi 1*(1 Department of Sports Medicine, Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China;2 Department of Endocrinology, Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China;3 Institute of Neurology, Fudan University, Shanghai 200040, China)Abstract: Carbonic anhydrases (CAs) are zinc metalloenzymes that catalyze the reversible hydration of CO 2 to bicarbonate. They are major players in many physiological processes, including pH regulation and homeostasis, ion transportation, biosynthetic reactions, etc. The CA family consists of 13 different CA isozymes and 3 different CA-related proteins (CARP). Carbonic anhydrase III (CAIII) is one specific member of this family, which distinguished from the other isozymes by tissue distribution, molecular structure and biological functions. In recent years, it has been suggested that the changes of protein levels and activities of CAIII might be related with the occurrence and development of many kinds of diseases and muscle fatigue.Key words: carbonic anhydrase III; biological functions; diseases; muscle fatigue收稿日期：2010-11-29；修回日期：2011-01-09基金项目：国家自然科学基金项目(30771044)；复旦大学青年科学基金项目(09FQ66)*通信作者：E-mail: cshiyi@; Tel: 021-********碳酸酐酶(carbonic anhydrases ，CAs )是一种广泛存在于不同细胞内的含锌的金属蛋白酶家族，它能可逆性地高效催化CO 2的水合反应。

锌对植物生长的作用

锌对植物生长的作用 Prepared on 22 November 2020锌对植物生长的作用锌在植物体内主要是作为酶的金属活化剂。

最早发现的含锌金属酶是碳酸酐酶，这种酶在植物体内分布很广，主要存在于叶绿体中。

它催化二氧化碳的水合作用，促进光合作用中二氧化碳的固定，缺锌使碳酸酐酶的活性降低。

因此，锌对碳水化合物的形成是重要的。

锌在植物体内还参与生长素（吲哚乙酸）的合成，缺锌时，植物体内的生长素含量有所降低，生长发育出现停滞状态，茎节缩短，植株矮小，叶片扩展伸长受到阻滞，形成小叶，并呈叶簇状。

叶脉间出现淡绿色、黄色或白色锈斑，特别在老叶上。

在田间，可见植物高低不齐，成熟期推迟，果实发育不良。

在我国已报道缺锌的植物有水稻的“稻缩苗”、“僵苗”、“坐蔸”，玉米的“白芽病”、柑橘等果树的“小叶病”、油桐的“青铜病”等。

作物含锌量一般为20～100mg/kg，低于20mg/kg时可能缺锌。

不同的植物对缺锌的敏感程度不同。

洪奥农科指出有的植物对土壤缺锌特别敏感，可以用作缺锌地区的指示植物。

在果树中，柑橘和桃是特别好的指示植物。

在大田作物中，玉米和亚麻对缺锌是特别敏感的。

而豚草是锌的积累者，其含锌量可高达4000mg/kg,是天然锌过量的指示植物。

按植物对缺锌的敏感程度可分为三。

植物对缺锌的敏感程度不敏感、中度敏感、高度敏感大麦、高粱、玉米桃小麦、紫花苜蓿、甜玉米、樱桃燕麦、三叶草、水稻、油桃黑麦、马铃薯、荞麦、苹果豌豆番茄、大豆、鳄梨胡萝卜、糖甜菜、棉花、梨芥菜、食用甜菜、亚麻、李薄荷、苏丹草、蓖麻、杏红花、可可、烟草、柑橘文竹、洋葱、向日葵、葡萄、牧草、啤酒花、胡桃、油桐、美洲山核桃包心菜、芒果、莴苣番、石榴、芹菜番、木瓜、菠菜、咖啡。

酶与酶工程--碳酸酐酶及其研究进展 2

碳酸酐酶及其研究进展碳酸酐酶( carbonic anhydrase, CA)是一种锌酶。

在哺乳动物中, 几乎所有的组织都可检测到CA。

CA至少有14种同工酶[1] , 其结构、动力学性质、对抑制剂的敏感性、组织内的分布以及亚细胞的定位都有不同,它能参与机体气体运输、酸碱调节和组织的分泌等功能, 在维持内环境的稳定方面发挥着重要作用。

1933年，人们已从血液中提取出了碳酸酐酶，直到1940年才在动物红细胞研究中确定碳酸酐酶含有锌。

它是红细胞中仅次于血红蛋白的蛋白质组分。

人和动物血液中的碳酸酐酶相对分子量约30KDa，由单一肽链组成，每个分子含一个Zn(II)离子，酶蛋白约含260个氨基酸残基，其中脯氨酸含量最高，没有二硫键。

碳酸酐酶有多种同工酶，它们不仅选择性识别HCO2-和CO2作为催化底物和产物，也不规律地识别磷酸酯|羧酸酯|醛类等分子[2]。

.1、CA的分布根据碳酸酐酶氨基酸序列的不同, 人们主要将其分为α、β、γ、δ、ε五种不同类型的酶。

其中α-CAs存在于脊椎动物、细菌、藻类及绿色植物的胞浆中；β-CAs 存在于高等植物及藻类叶绿体中, 对植物光合作用过程中CO2 的获取及CO2 浓度的维持有着必不可少的作用; γ-CAs则主要存在于太古细菌及一些细菌中；δ-CAs主要存在于海洋硅藻中；ε-CAs是近年来才确定的类型, 主要存在于蓝细菌及一些化能自养型细菌中。

多年来人们对碳酸酐酶的研究主要集中在与人类关系密切的α-CAs和β-CAs上。

α-CAs 在氨基酸序列上存在20~60% 的同源性, 哺乳动物的几乎所有组织中都含有参与机体多种生命活动的α-CAs。

目前的研究表明，α-CAs 至少存在14 种不同的同工酶：CAI III，CA VII 及CA XIII为胞浆酶；CA IV，CA IX，CA XII和CA XIV为膜连接酶；CA V为线粒体酶；CA VI则存在于唾液中；另外还有3 种已知的非催化形式的碳酸酐酶相关蛋白( CA Related Protein，CARP)—CARP VIII，CARPX及CARPXI [3]。

碳酸酐酶作用机理

碳酸酐酶作用机理
碳酸酐酶是一种广泛存在于生物体内的酶，它在许多生物过程中发挥
着重要作用。

碳酸酐酶的作用机理是将二氧化碳和水转化为碳酸氢根
离子和氢离子，这个过程被称为碳酸酐酶催化的碳酸酐水解反应。

碳酸酐酶的结构非常复杂，它由多个亚基组成，其中最重要的是催化
亚基。

催化亚基包含一个金属离子，通常是锌离子，它与酶的氨基酸
残基形成一个复杂的结构。

这个结构能够促进碳酸酐水解反应的发生。

碳酸酐酶的作用机理可以分为两个步骤。

首先，碳酸酐酶将二氧化碳
分子与催化亚基上的水分子结合，形成一个中间体。

这个中间体是一
个碳酸酐酶-水-二氧化碳复合物，它非常不稳定，容易分解。

在第二个步骤中，碳酸酐酶将中间体分解成碳酸氢根离子和氢离子。

这个过程需要催化亚基上的锌离子的参与。

锌离子能够促进水分子的
离解，使其形成一个氢离子和一个氢氧根离子。

同时，锌离子还能够
稳定碳酸氢根离子，使其不会再次结合成二氧化碳和水。

总的来说，碳酸酐酶的作用机理非常复杂，它涉及到多个亚基的相互
作用和多个化学反应的发生。

然而，这个机理的核心是催化亚基上的
锌离子，它能够促进碳酸酐水解反应的发生，并且稳定产生的碳酸氢
根离子。

这个机理的理解对于研究生物过程和开发新药物都非常重要。

-碳酸酐酶在亚健康状态中的变化

亚健康状态血液中碳酸酐酶的变化一. 碳酸酐酶定义及主要生理功能碳酸酐酶(carbonic anhydrase，CA)：是一类含锌的蛋白酶，共发现了10种同工酶及三种碳酸酐酶相关蛋白，广布于人体各组织，能可逆性地催化CO2的水合反应，参与调节pH、离子运输等多种生理过程，碳酸酐酶的缺乏和异常将可能会导致一系列的疾病。

CA分布广泛。

CAⅠ，CAⅡ和CAⅢ为细胞质酶。

CAI存在于红细胞、胃黏膜上皮细胞中。

CAⅡ存在于胃肠道、肾、附睾、破骨细胞、脑脉络丛及眼部细胞内等。

CAⅣ存在于胃肠道、肾、附睾、输精管、骨骼肌、皮下平滑肌、脑毛细血管上皮细胞、心肌及眼部毛细血管、肝、泪腺等处。

CA的主要生理功能：1.在血液及其它组织中维持酸碱平衡；2.帮助体内组织排除二氧化碳；3.确保以CO2和HCO3-为催化底物的酶保持适度的底物浓度。

二. 碳酸酐酶在各器官中的生理作用1.肺在肺部，红细胞内的HCO3-与H+生成H2CO3，CAⅠ、CAⅡ加速H2CO3分解成CO2和H2O，CO2扩散入血浆，而血浆中的HCO3-进入红细胞以补充消耗的HCO3-。

因为肺泡气的PCO2比静脉血的低，血浆中的CO2可扩散入肺泡。

这样，以HCO3-形式运输的CO2在肺部被释放出来。

2.肾在一般膳食情况下，肌体内的酸性代谢产物多于碱性代谢产物，肾通过重吸收HCO3-和分泌H+,参与机体酸碱平衡的调节。

正常情况下，碳酸酐酶广泛分布于各段肾小管，近曲小管重吸收HCO3-的机制是：在CAⅡ的作用下，近端小管上皮细胞中CO2和H2O在CAⅡ的催化下形成H2CO3，然后迅速解离为H+和HCO3-。

H+在细胞膜顶端经Na+/H+泵转运进入近曲小管腔中，HCO3-经Na+- HCO3-联合转运器被转运至血液中，小部分通过CL-- HCO3-逆向转运方式进入细胞外液。

分泌至小管腔中的H+和HCO3-结合形成H2CO3，在CAⅣ作用下H2CO3迅速解离为CO2和H2O，CO2和H2O弥散回小管细胞中，再次进行CA催化的水化反应，形成H+和HCO3-。

碳酸酐酶作用机理

碳酸酐酶作用机理引言碳酸酐酶（carbonic anhydrase）是一类广泛存在于动植物、微生物和人体组织中的酶。

它在维持生物体内酸碱平衡和调节二氧化碳的转化过程中起着至关重要的作用。

本文将全面探讨碳酸酐酶的作用机理，包括其结构特点、催化机制以及与人类疾病的关联。

碳酸酐酶的结构碳酸酐酶是一种金属酶，其结构特点主要有以下几个方面： 1. 二级结构：碳酸酐酶主要由α-螺旋和β-折叠片段组成，形成了一个稳定的三维结构。

2. 金属离子：通常情况下，碳酸酐酶的活性中心结合有一个金属离子，最常见的是锌离子。

3. 催化门：许多碳酸酐酶具有催化门（catalytic gate）的结构，在催化反应过程中通过开闭调控底物的进出。

碳酸酐酶的催化机制碳酸酐酶的催化过程主要包括三个步骤：底物结合、催化反应、产物释放。

底物结合碳酸酐酶通过其活性中心中的氨基酸残基与底物中的二氧化碳结合，形成一个稳定的底物酰化中间体。

该底物酰化中间体可以与水分子进一步反应，或者被其他底物替代。

催化反应碳酸酐酶的催化反应是一个质子转移的过程。

底物酰化中间体会接受一个质子从附近的残基或水分子转移，形成一个羧酸中间体。

这个过程中，碳酸酐酶的金属离子起到了催化作用，能够加速质子转移的速率。

产物释放最后，碳酸酐酶通过开启催化门的结构，释放产物，完成一个催化循环。

碳酸酐酶与人类疾病的关联碳酸酐酶作为一个重要的酶类，与人类疾病存在着一定的关联。

癫痫碳酸酐酶与人体神经系统的关系一直备受研究者的关注。

一些研究表明，碳酸酐酶在神经元中起着调节离子浓度平衡的作用。

因此，碳酸酐酶的缺陷可能导致离子紊乱，进而引发一些神经系统疾病，如癫痫。

高原反应在高海拔地区，由于氧气稀释，人体会出现一系列的适应反应，如高原反应。

碳酸酐酶在这个过程中扮演了重要的角色，通过促进碳酸氢盐的分解，增加血液中二氧化碳的含量，以提高氧气输送效率。

因此，碳酸酐酶与高原反应存在一定的关联。

肿瘤治疗最近的研究发现，碳酸酐酶在肿瘤细胞中表达异常，与肿瘤的发展和侵袭有关。

含锌酶——碳酸酐酶

• 碳酸酐酶对于人和动物的呼吸作用极为重要。在人与动物体内，由碳酸酐酶催化CO2 和H2O合成HCO3-,当HCO3-随血液循环到肺泡后，又由碳酸酐酶催化使它解离为CO2排出体外。 CO2 + H2O = HCO3- + H+ • 碳酸酐酶是已知金属酶中催化转换数最高的酶之一，它可以在2 ms内使95%的CO2转换为HCO3- 。
亮氨酸色氨酸
பைடு நூலகம்
缬氨酸
碳酸酐酶催化机理
碳酸酐酶的水解作用过程（CO2的水合） CO2+H2O HCO3- + H+
碳酸酐酶的抑制
碳酸酐酶中配位水分子的pKa值大约为6.8，对催化功能至关重要，如果将水分子从第四配位点取代，碳酸酐酶的催化活性会受到抑制。常见的碳酸酐酶抑制剂包括卤素离子、羧酸根、酚、醇、咪唑、羧酸酰胺、硫酰胺、硫氰酸根等，这些分子或离子能不同程度地抑制碳酸酐酶的催化活性
碳酸酐酶 carbonic anhydrase
编号：EC 4.2.1.1。一种锌酶，催化碳酸分解成二氧化碳和水的可逆反应
• 1940年发现的第一个锌酶，也是最重要的锌酶。现已报道有80多种锌酶，居各类金属的首位。 • 广泛存在动物、植物及微生物中。可逆催化二氧化碳的水合作用。 • 碳酸酐酶是红细胞的主要蛋白质成分之一，在红细胞中的地位仅次于血红蛋白。
碳酸酐酶的组成、结构和功能
• 人和动物碳酸酐酶相对分子量是30000，单一肽链组成，含一个Zn2+离子，酶蛋白含约 260个氨基酸残基。 • 椭圆球形，肽链组氨酸3个咪唑氮原子配位，第四个可能为水或羟基占据。为畸变四面体。
• Zn2+在碳酸酐酶中是活性中心。

Zn酶

陈老师说的好像是Zn酶，郑老师题上的是碳酸酐酶，不过也是Zn的一种，也不知道具体是哪个，你们看看有印象就行。

呵呵。

陈：Zn酶在人体中有很多种，比如DNA聚合酶、RNA聚合酶、转录酶、羧肽酶氨基肽酶、碳酸酐酶等，锌在锌酶中有两个基本作用,分别是维持酶蛋白的三级或四级结构和构成酶的催化中心,后者是主要作用。

锌通常被3~4个氨基酸侧链和1个水分子以四面体结构配位,形成一个球状或棒状配位体。

1个锌离子可能形成多个锌配位体。

数个配位体组成锌催化中心,即酶的活性部位。

锌酶活性部位是酶进行催化反应的区域,其催化反应的功能单位是锌配位体。

锌配位体通过3种方式完成催化反应:离子化反应,极化反应和置换反应。

锌在这些反应中形成氢氧化锌或产生亲核基团或被底物置换而发挥催化作用。

郑：以碳酸酐酶为例，CO2 + H2O HCO3- + H+组成：碳酸酐酶相对分子量是30000，单一肽链组成，含一个Zn2+离子，酶蛋白含约260个氨基酸残基。

结构：在碳酸酐酶中Zn2+是活性中心，Zn(II)由三个组氨酸残基的咪唑氮原子和一个水分子或氢氧根离子配位，形成一个畸变的四面体结构。

结构与功能的关系：在配位原子附近的一个苏氨酸和一个谷氨酸组成一个氢键网络稳定His3Zn－OH结构，由两个缬氨酸、色氨酸和亮氨酸构成一个疏水口袋，能够结合底物CO2，是催化底物的预催化结合位点。

强大的氢键网状系统及疏水袋的存在能够增加酶分子中Zn2+链接的稳定性，很好地固定底物，加强与Zn2+ H2O/HO-对CO2的亲核能力。

碳酸酐酶主要生物功能是：1.在血液和其他组织中维持酸碱平衡。

2.帮助内组织排除二氧化碳。

3.确保以CO2和HCO3-为催化底物的酶保持适度的底物浓度。

碳酸酐酶II

3.催化机理
有研究表明，在有酶存在的环境下， Lipscomb机理是最佳的异构化途径。
模型化合物的研究历程
Thr-199的重要性
• 但是，最新研究表明中间体中HCO3-的配位方式不是主要问题，邻近氨基酸残基Thr-199 在催化过程中发挥更重要的作用。
• 研究表明，Thr-199的催化作用是稳定Lindskog
由Val-143 Val-121Trp-209 和Leu-198 所构成的疏水口袋的功能被认为是将CO2 • ②在上述畸变四面体的固定在疏水空腔内以便 His3ZnOH对CO2直接进行亲邻近处有一个由 Leu核进攻。
198,Val-143,Val-121,Trp209组成的结合有CO2的疏水袋和由Thr-199 、 His-64 所组成的一个质子转移通道。
分子量 29kDa 29kDa 29kDa 35kDa 34.7kDa 36.4kDa 39-42kDa 29kDa 54,58kDa 44kDa
在细胞中位置细胞质细胞质细胞质细胞外与糖磷脂酰肌醇相连线粒体线粒体分泌腺细胞质相关细胞膜细胞外的活性中心
在组织中位置红血细胞和胃肠道广泛分布 8%的可溶性蛋白在肌肉中胃肠道，肾，血管内皮细胞肝脏广泛分布唾液和母乳广泛分布胃肠道，某些癌症肾脏，某些癌症
酶的比活性（human） 2.0*10^5 1.4*10^6 1.3*10^4 1.1*10^6 2.9*10^5 9.5*10^5 3.4*10^5 9.5*10^5 1.1*10^6 4.2*10^5
CA-XIII
CA-XIV CA-XVCA3CA14 CA1529kDa
54kDa 34-36kDa
碳酸酐酶II

碳酸酐酶--修改

7
组氨酸苏氨酸
谷氨酸
亮氨酸色氨酸
缬氨酸
组氨酸
亲水：His-64、Thr-199、Glu-106 疏水：Val-143、Val-121、Trp-209、Leu-198 8
亮氨酸
缬氨酸
色氨酸
苏氨酸
组氨酸
谷氨酸
9
在碳酸酐酶的活性中心，Zn(II)由三个组氨酸残基的咪唑氮原子和一个水分子或氢氧根离子配位，形成一个畸变的四面体结构。在配位原子附近的一个苏氨酸和一个谷氨酸组成一个氢键网络稳定His3Zn－ OH结构，由两个缬氨酸、色氨酸和亮氨酸构成一个疏水口袋，其功能被认为是将CO2 固定在该疏水空腔内，使His3Zn－OH对 CO2直接进行亲核进攻。
CO2+H2O HCO3- + H+
13
14
碳酸酐酶 carbonic anhydrase
编号：EC 4.2.1.1。一种锌酶，催化碳酸分解成二氧化碳和水
的可逆反应
1
• 1940年发现的第一个锌酶，也是最重要的锌酶。现已报道有80多种锌酶，居各类金属的首位。
• 广泛存在动物、植物及微生物中。可逆催化二氧化碳的水合作用。
• 碳酸酐酶是红细胞的主要蛋白质成分之一，在红细胞中的地位仅次于血红蛋白。
CO2 + H2O = HCO3- + H+
4
碳酸酐酶的功能
5
碳酸酐酶的结构
碳酸酐酶的分子质量约为30 kDa，由单一肽链组成，包含约260个氨基酸残基，每个酶分子含一个Zn(II)离子。人碳酸酐酶呈椭球形，分子中部有一个袋形空腔，深约1.5 nm，腔口宽约 2.0 nm，Zn2+就结合在这个空腔底部。

生命的化学

文章编号:100021336(2003)02201262022002年诺贝尔化学奖“对生物大分子仪器分析方法的重大贡献”简介杨胜喜1　周　原1,2　李根容1　李声时1,2(重庆大学1化学化工学院,2生物工程学院,重庆400044)摘要:2002年诺贝尔化学奖授予了三位在生物大分子研究领域作出突出贡献的科学家:美国科学家约翰・芬恩,日本科学家田中耕一以及瑞士科学家库尔特・维特里希,以表彰他们创造性地应用物理化学分析法对生物大分子进行结构分析测定的研究。

其中芬恩和田中发明了“对生物大分子进行确认和结构分析方法”和“对生物大分子的质谱法”,维特里希则是开创了“利用核磁共振测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。

关键词:质谱;核磁共振;生物大分子;诺贝尔化学奖中图分类号:R914;Q78收稿日期:2002211201作者简介:杨胜喜(1973—),男,汉族,工程师,硕士生,研究方向:组合化学与分子药物学;周原(1965—),男,汉,副教授,博士生,研究方向:分析化学与生物医药学;李根容(1977—),女,汉,助教,博士生,研究方向:化学生物学与化学药物学;李声时(1962—),男,汉,博士、教授、博士导师,研究方向:化学生物医药学及绿色组合化学。

2002年10月9日瑞典皇家科学院[1]宣布今年的诺贝尔化学奖授予美国科学家约翰・芬恩(John B.Fenn ),日本科学家田中耕一(K oichi T anaka )以及瑞士科学家库尔特・维特里希(K urt Wuthrich )。

芬恩和田中各得1/4奖金,主要贡献是“发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法”以及“对生物大分子的质谱分析法”;维特里希分享1/2奖金,主要贡献是开拓和发展了“利用核磁共振测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。

1.获奖人简介美国科学家芬恩1917年出生于美国纽约市,在Berea 大学获得学士学位,1940年在耶鲁大学获得化学博士学位。

碳酸酐酶的应用研究现状及其酶活检测方法述评

碳酸酐酶的应用研究现状及其酶活检测方法述评马晓舟，张朝晖【摘要】摘要：碳酸酐酶(CA）是一类催化二氧化碳和水生成碳酸氢根和氢离子的可逆反应的锌酶。

它广泛存在于动植物及微生物体中，且在生物加工过程中起重要作用。

由于碳酸酐酶的特性，它正被广泛应用于诸如生物检测、天然活性物质的筛选、生物传感器、CO2捕集和生理诊断等领域。

对碳酸酐酶的应用现状以及碳酸酐酶的酶活测定方法进行了综述。

【期刊名称】发酵科技通讯【年(卷),期】2014(043)004【总页数】5【关键词】碳酸酐酶；应用现状；酶活检测碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase，CA，EC 4.2.1.1）是一种含Zn2+的金属酶，能有效地催化CO2的可逆水合反应，其反应式为:CO2水合这一可逆反应在没有催化剂催化的情况下，反应是非常缓慢的（动力学在15 s的范围）[1]。

碳酸酐酶是反应速率最快的酶之一，它的速率主要受其底物的扩散速率限制。

不同类型的碳酸酐酶的典型催化速率为104～106/s[2]。

1933年Meldrum和Roughton首次从牛红细胞中发现碳酸酐酶，后来的研究证明了所有哺乳动物的组织和细胞类型中均含有碳酸酐酶，且碳酸酐酶也广泛存在于单细胞绿藻与植物中。

根据氨基酸序列的不同，碳酸酐酶主要分为α、β、γ、δ、ε五种不同类型。

其中α-CA存在于脊椎动物、细菌、藻类及绿色植物的胞浆中；β-CA存在于高等植物及藻类叶绿体中，对植物光合作用过程中CO2的获取以及CO2浓度的维持有着必不可少的作用；γ-CA则主要存在于太古细菌等一些细菌中；δ-CA主要存在于海洋硅藻中；ε-CA是近年来才确定的类型，主要存在于蓝细菌及一些化能自养型细菌中。

多年来人们对碳酸酐酶的研究主要集中在与人类关系密切的α-CA和β-CA上。

α-CA在氨基酸序列上存在20%～60%的同源性，哺乳动物几乎所有组织中都含有参与机体多种生命活动的α-CA。

碳酸酐酶已被应用于许多领域，比如生物检测、天然活性物质的筛选、生物传感器、CO2捕集和生理诊断等方面。

含锌金属酶

含锌金属酶是指那些在其活性中心含有一个或多个锌离子（Zn^2+）的酶。

这些酶在生物体中扮演着多种关键角色，包括催化反应、转录调控和信号传导等。

锌离子因其独特的化学性质，如对配体的高亲和力和灵活的配位几何，成为许多酶的必需辅因子。

以下是一些重要的含锌金属酶的例子：1. 碳酸酐酶（Carbonic anhydrase）：这种酶催化二氧化碳（CO2）与水（H2O）之间的可逆反应，生成碳酸（H2CO3）。

它在维持酸碱平衡和产生生物所需的碳酸根离子中起重要作用。

2. 醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase）：这类酶参与醇类化合物的氧化还原反应，例如乙醇到乙醛的转化。

3. DNA聚合酶（DNA polymerase）：这是一类关键的酶，用于DNA复制和修复过程中的核苷酸聚合。

4. RNA聚合酶（RNA polymerase）：这种酶负责转录DNA序列生成RNA分子。

5. 肽酶（Peptidase）：这类酶能够切割肽键，从而降解蛋白质或多肽。

6. 超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase, SOD）：SOD是一种抗氧化酶，它催化超氧阴离子（O2^-）的歧化反应，将其转化为氧气（O2）和过氧化氢（H2O2），从而保护细胞不受自由基的损害。

7. 基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases, MMPs）：MMPs是一组能够降解细胞外基质组分的酶，对于组织重塑、伤口愈合和肿瘤转移等过程至关重要。

8. 锌指蛋白（Zinc finger proteins）：虽然不是传统意义上的酶，但锌指蛋白在基因表达调控中起到关键作用，它们通过结合DNA或RNA来影响转录或翻译。

含锌金属酶中的锌离子通常与蛋白质的氨基酸残基（如半胱氨酸或组氨酸）形成配位键，这种结构对于酶的催化活性和稳定性至关重要。

由于锌在生物体内的不可替代性和其对健康的重要性，锌的摄入和代谢在营养学和医学研究中受到高度重视。

碳酸酐酶化学结构

碳酸酐酶化学结构
CAⅠ、Ⅱ、Ⅱ在结构上都有一含锌单体，但CAⅠ、Ⅱ以单体形式存在，而CAⅡ以二硫键相连的二聚体形式存在人类CAⅠ和CAⅡ的三维结构用x线晶体衍射图测试几乎相同。

二者氨基酸序列约有60%同源。

CAⅣ有260个氨基酸，通过磷酯酰肌醇甘油键锚于质膜；可抗SDS解离作用，与胞浆内CA有30～36%同源性，其结构随不同种属而有差异，人肺的CAⅣ(36kD)缺少N-连接的寡糖链，而鼠肺CAⅣ(39kD)及其它哺乳动物多数具有此链。

CAⅥ则带有两条复台存在的寡糖链。

碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase，CA)是一种含锌金属酶，迄今在哺乳动物体内已发现至少有11种同工酶，它们的结构、分布、性质各异，多与各种上皮细胞泌H-和碳酸氢盐有关，通过催化CO2水化反应及某些脂、醛类水化反应，参与多种离子交换，维持机体内环境稳态。

1940年发现的第一个锌酶，也是最重要的锌酶。

现已报道有8 0多种锌酶，居各类金属的首位。

分布于人体内的肾小管上皮细胞、胃黏膜、胰腺、红细胞、中枢神经细胞和睫状体上皮细胞等组织中。

在人类和动物的血液当中，碳酸酐酶是红细胞中主要的蛋白质成分之一，它的重要性地位和含量上都仅次于血红蛋白。

碳酸酐酶Ⅱ及其抑制剂研究进展

碳酸酐酶Ⅱ及其抑制剂研究进展曾广智1,2,黄火强1,2,谭宁华1,嵇长久1,潘蓄林1,2 (1中国科学院昆明植物研究所植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室,云南昆明650204;2中国科学院研究生院,北京100039)摘要:碳酸酐酶Ⅱ是一种活性中心含有Zn2+、能催化CO2+H2O＼HCO3-+H+反应的金属酶。

它广泛分布于人体多种组织、器官中,与人体酸碱平衡、青光眼、骨质疏松症、癌症等多种生理或病理过程密切相关,多年来一直备受关注。

自从1992年高分辨率的碳酸酐酶Ⅱ晶体结构测定以来,其抑制剂研究发展较快,已有活性好、选择性强的抑制剂作为新药应用于临床。

本文以碳酸酐酶Ⅱ结构、功能和抑制剂研究为重点,主要介绍近15年来该领域研究的一些重要进展。

关键词:碳酸酐酶Ⅱ;结构;功能;抑制剂中图分类号:Q946文献标识码:A文章编号:0253-2700(2006)05-543-10 Carbonic AnhydraseⅡ:Structures,Functions and Inhibitors*ZENG Guang-Zhi1,2,HUANG Huo-Qiang1,2,TAN Ning-Hua1**,JI Chang-Jiu1,PAN Xu-Lin1,2(1State Key Laboratory of Phytochemistry and Plant Resources in West China,Kunming Institute of Botany,Chinese Academy of Scienc es,Kunming650204,China;2Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)Abstract:Human carbonic anhydraseⅡis one of the m ost efficient one in carbonic anhydrase isozy mes,which catalyzes the reversible hydration dehydration of CO2and water:CO2+H2O＼HCO3-+H+.It is found in virtually every tissue and cell type,and involves in many human physiological and pathological processes,such as human acid-base balance, glaucoma,osteoporosis,and cancer.Since discovered in1940,carbonic anhydraseⅡhas been an important drug target with more attention.Up to now,many inhibitors were discovered including some clinical therapeutic drugs.This paper reviewed recent developments in structures,functions and inhibitors of human carbonic anhydraseⅡ.Key words:Carbonic AnhydraseⅡ;Structures;Functions;Inhibitors碳酸酐酶(Carbonic Anhydrases,CAs)是一类分布广泛的含锌金属酶,它能可逆性地催化CO2的水合反应,产生参与人体多种生理功能的HCO3-及H+。

碳酸酐酶II

碳酸酐酶II
Carbonic Anhydrase II
1.概念
• 碳酸酐酶(carbonic anhydrases，CAs)是一系列含锌的金属酶，它能可逆性地催化二氧化碳的水合反应．
CO2(g) + H2O → H2CO3
• CAs分布于人体内的肾小管上皮细胞、胃黏膜、胰腺、红细胞、中枢神经细胞和睫状体上皮细胞等组织中。
• 碳酸酐酶的同工酶其结构、动力学性质、对抑制剂的敏感性、组织内的布
同工酶
CA-I CA-II CA-III
CA-IV CA-VA CA-VB CA-VI CA-VII CA-IX CA-XII CA-XIII CA-XIV
CA-XV
基因
CA1 CA2 CA3
可缺少的作用
• 碳酸酐酶Ⅱ的活性中心主要由两部分组成:
• ①三个组氨酸残基(His-94 His-96 和His-119) 和一个水分子与一个锌原子配
位所形成的一个畸变四
面体结构.
由Val-143 Val-121Trp-209 和Leu-198 所构成的疏水口袋的功能被认为是将CO2
• ②在固上定述在疏畸水变空四腔面内体以的便邻近H核i处s进3Z有攻nO。一H对个C由O2L直eu接- 进行亲 198,Val-143,Val-121,Trp-
CA4 CA5A CA5B CA6 CA7 CA9 CA12 CA13 CA14
CA15
分子量
29kDa 29kDa 29kDa
35kDa 34.7kDa 36.4kDa 39-42kDa 29kDa 54,58kDa 44kDa 29kDa 54kDa
34-36kDa
在细胞中位置
细胞质细胞质

碳酸酐酶II

• 碳酸酐酶的同工酶其结构、动力学性质、对抑制剂的敏感性、组织内的分布及亚细胞的定位均有不同。
碳酸酐酶在人体中的分布
同工酶
CA-I CA-II CA-III
CA-IV CA-VA CA-VB CA-VI CA-VII CA-IX CA-XII CA-XIII CA-XIV
CA-XV
基因
CA1 CA2 CA3
碳酸酐酶II
Carbonic Anhydrase II
1.概念
• 碳酸酐酶(carbonic anhydrases，CAs)是一系列含锌的金属酶，它能可逆性地催化二氧化碳的水合反应．
CO2(g) + H2O → H2CO3
• CAs分布于人体内的肾小管上皮细胞、胃黏膜、胰腺、红细胞、中枢神经细胞和睫状体上皮细胞等组织中。
CA4 CA5A CA5B CA6 CA7 CA9 CA12 CA13 CA14
CA15
分子量
29kDa 29kDa 29kDa
35kDa 34.7kDa 36.4kDa 39-42kDa 29kDa 54,58kDa 44kDa 29kDa 54kDa
34-36kDa
在细胞中位置
细胞质细胞质
在组织中位置
红血细胞和胃肠道广泛分布
酶的比活性（human）
2.0*10^5
1.4*10^6
细胞质
8%的可溶性蛋白在肌肉中
1.3*10^4
细胞外与糖磷脂酰胃肠道，肾，血管内
肌醇相连
皮细胞
1.1*10^6
Байду номын сангаас
线粒体线粒体分泌腺细胞质相关细胞膜细胞外的活性中心细胞质
肝脏广泛分布唾液和母乳广泛分布胃肠道，某些癌症肾脏，某些癌症广泛分布