含锌酶——碳酸酐酶
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。
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。
含锌酶——碳酸酐酶
碳酸酐酶的抑制
• 第4配位的水分子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 • 卤素离子、羧酸根、酚、醇、咪唑、羧酸 酰胺、硫酰胺、硫氰酸根等会与水分子竞 争配位，能不同程度地抑制碳酸酐酶的催 化活性
碳酸酐酶抑制剂
• CA在睫状体上皮细胞中催化CO2和H2O生成 HCO3-，透过腔膜分泌于房水，为了保持房水 的电中性，Na+分泌增加，同时带动Cl-向房水 移动 • 房水浓度增大，形成高渗压，促进H2O向房水 流动。而青光眼病人由于房水回流不畅，引 起眼压升高 • CA抑制剂（CAIs）可抑制 CA的活性，使 HCO3-生成减少而降低眼压，临床上主要用于 治疗青光眼，降低眼压
几乎无 活性
碳酸酐酶催化机理
生理功能
生理功能
• 它在红血球中具有对碳酸和碳酸氢根的迅速 转换的作用。在胃中对盐酸的分泌起作用， 一般来说，具有调节体液pH的作用。另外认 为与植物的光合作用有关系。
• 还能催化酯（如羧酸酯、磷酸酯等）和醛类 等物质的水解反应 • 微生物中含有碳酸酐酶，对自然界碳酸盐岩 溶解的催化及大气中CO2沉降有着重要意义
碳酸酐酶
Carbonic Anhydrase(CA)
目录
1、简介 2、结构 3白质成分之一，在红细 胞中的地位仅次于血红蛋白。
简介
• 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。 • 人和动物碳酸酐酶相对分子量是30000，单一肽 链组成，酶蛋白含约260个氨基酸残基。 • 广泛分布于动物的组织中，在植物、微生物体 内也存在。 • 催化CO2 + H2O HCO3- + H+反应，酶 加速二氧化碳水合的因子在107左右。
含锌酶pdf
展望
• 获得大量的羧肽酶：由于从动物组织中提 取的羧肽酶价格昂贵，如何通过借助基因 重组技术和生化工程的高密度发酵技术， 获得专一、纯度高的羧肽酶，对于拓展其 应用领域，具有重要的现实意义；
羧肽酶分类
• 丝氨酸羧肽酶 • 金属羧肽酶 • 半胱氨酸羧肽
丝氨酸羧肽酶
• 丝氨酸羧肽酶（SCP） 又称酸性羧肽酶，是一类真核生物蛋白水 解酶，亚基相对分子质量40000－7500，广 泛存在于真菌、高等植物和动物组织中。
• 由于位切点不同，丝氨酸羧肽酶又分为溶 酶体Pro-Xaa羧肽酶、丝氨酸D-Ala-Dala羧肽 酶、羧肽酶Ｃ、羧肽酶Ｄ。
1.多肽链进入活性部位， Arg145的侧链移动与带 负电的羧基端生成盐键
催化机理
羟基亲核进 攻羰基碳原 子，肽键断 裂
Tyr248的羟基给予被裂 开的肽键的-NH一个质 子
由于谷氨酸羰基端负电荷的静电 斥力与产物羧基端负电荷的静电 斥力，产物被驱出活性部位。
锌离子的作用
• 被裂解的肽键的羰基指向锌离子，锌离子 起吸电子的作用，使C=O键比正常的更为极 化，使羰基C原子更易接受亲核进攻
• 在动物、植物的组织器官中，羧肽酶发挥 着重要的生理功能，如胰腺羧肽酶Ａ和Ｂ 可用于消化食物，羧肽酶Ｍ选择性地参与 肽类激素的加工，羧肽酶Ｄ和羧肽酶Ｎ参 与肽和蛋白质加工等。
羧肽酶的用途
• 医药领域 • 食品工业 • 胰岛素生产 • 多肽合成（生物工程） • 固定化的羧肽 • 早期胰腺癌的监测的血清标志
• 解析羧肽酶的生理作用：目前羧肽酶的应 用范围主要集中在医药和食品加工中，由 于酿酒酵母与人具有较高的同源性，如能 以酿酒酵母为研究模型，解析羧肽酶在人 体内生理作用，及如何影响疾病的发生发 展过程，以对疾病进行预防和治疗；
碳酸酐酶Ⅸ在肿瘤中的研究进展
碳酸酐酶Ⅸ在肿瘤中的研究进展碳酸酐酶Ⅸ属于跨膜蛋白酶，分布于细胞膜和细胞核，CAⅨ基因是乏氧诱导因子-1（HIF-1）的下游靶基因，乏氧条件能诱导其表达并且与肿瘤的发生发展、治疗敏感性及患者预后相关。
近年来CAⅨ已成为一個肿瘤潜在的靶向治疗热点，本文就CAⅨ在肿瘤中的研究进展作一综述。
Abstract：Carbonic anhydrase Ⅸis a transmembrane protease located in the cell membrane and nucleus.CAⅨgene is a downstream target of hypoxia-inducible factor-1（HIF-1），under hypoxic conditions can induce its expression and with the development of tumors，the treatment of sensitivity and patient prognosis.In recent years，CAⅨhas become a potential target of cancer therapy.This article reviews the research progress of CAⅨin cancer.Key words：Carbonic anhydrase IX；Tumor；Hypoxia inducible factor -1碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）家族是一类含锌金属酶家族，首次发现于与人乳腺癌细胞联合培养的人宫颈癌HeLa细胞系中，初始被认为具有肿瘤相关基因产物特点，称作MN蛋白，后发现其氨基酸中央序列与CA有高度同源性，并与Zn结合后具有CA活性，故命名为Carbonic anhydrase Ⅸ（CAⅨ）[1]。
许多肿瘤如大肠癌、胃癌、宫颈癌、乳腺癌中可检测到CAⅨ蛋白的过度表达，其与肿瘤的发生发展、治疗敏感性及患者预后相关[2]。
碳酸酐酶II
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
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。
碳酸酐酶 高反
碳酸酐酶高反碳酸酐酶是一类重要的酶，在生物学中起着重要的催化作用。
在这篇文章中，我将详细介绍碳酸酐酶的定义、结构以及其在生物学和医学领域的应用。
碳酸酐酶是一种催化碳酸酐的水解反应的酶。
碳酸酐酶通过将二氧化碳和水转化为碳酸盐和氢离子的反应，起到调节生物体内酸碱平衡的重要作用。
在细胞代谢中，碳酸酐酶参与碳汇的形成，调控乳酸和单醛酸的产生，以及通过调节细胞分裂和增殖等生理功能。
碳酸酐酶广泛存在于生物体内，包括细菌、植物和动物。
根据催化机制和氨基酸序列的相似性，碳酸酐酶被分为α和β两类。
α-碳酸酐酶主要存在于细胞质中，主要负责细胞内的碳酸酐的水解反应。
β-碳酸酐酶存在于线粒体和叶绿体等细胞器中，起到调节细胞呼吸和光合作用相关的酸碱平衡的作用。
对于α-碳酸酐酶来说，它的结构非常复杂。
通常由16个亚基组成的四聚体形式存在，每个亚基具有一个催化位点。
在催化位点，一个锌离子参与酶催化的过程，促使二氧化碳和水转化为碳酸盐和氢离子。
该反应具有多步骤的过程，包括氢离子的转移以及加成-消除反应等。
在生物学领域，碳酸酐酶广泛参与细胞呼吸、骨骼生长和骨代谢等重要生理过程。
例如，碳酸酐酶在红细胞中发挥关键的作用，维持红细胞的酸碱平衡，帮助运输氧气到身体各个部位。
此外，在肿瘤的发展和进展中，碳酸酐酶也发挥着重要作用。
它能够促进肿瘤细胞产生酸性环境，促进肿瘤细胞的生长和侵袭。
在医学领域，碳酸酐酶也被广泛应用于临床诊断。
由于它在肿瘤细胞中的表达水平升高，它被作为一种有效的肿瘤标志物进行检测和预后评估。
此外，碳酸酐酶还在药物开发中起着重要作用。
许多抗癌药物通过抑制碳酸酐酶的活性来抑制肿瘤细胞的生长和扩散。
总之，碳酸酐酶作为一类重要的酶，在生物学和医学领域扮演着重要的角色。
通过了解碳酸酐酶的结构和功能，我们可以更好地理解生物体内的酸碱平衡调节以及相关疾病的发展机制。
此外，碳酸酐酶还有着广泛的应用前景，可以作为肿瘤标志物和药物开发的靶点。
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
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。
碳酸酐酶的功能
碳酸酐酶的功能《碳酸酐酶的功能：身体里的神奇小助手》你知道吗？在我们的身体里，有一种超级厉害的小助手，它叫碳酸酐酶。
这可不是什么神秘的外星来客，而是实实在在在我们身体里忙前忙后的小家伙呢。
碳酸酐酶就像一个勤劳的小工匠。
它最拿手的活计就是处理二氧化碳。
咱们人啊，每天都要呼吸，呼出二氧化碳。
那二氧化碳在身体里就像一个调皮的小捣蛋鬼，如果不把它好好安排一下，可就会捣乱了。
碳酸酐酶呢，就像是一个有魔法的小工匠，它能迅速地把二氧化碳变成碳酸。
这就好比把一群乱跑的小怪兽一下子关进了笼子里，变得规规矩矩的。
你说神奇不神奇？那这个变成碳酸又有啥用呢？这可就关系到我们身体的酸碱平衡啦。
身体就像一个小花园，这个酸碱平衡就像是花园里的土壤酸碱度。
要是土壤太酸或者太碱，花园里的花花草草可就长不好了。
碳酸酐酶通过调节二氧化碳变成碳酸的过程，就像是一个聪明的园丁在细心地调配土壤的酸碱度。
如果没有碳酸酐酶，哎呀，那身体这个小花园可就乱套了，各种细胞就像花园里的植物一样，可能就会生病，甚至枯萎呢。
而且啊，碳酸酐酶在我们的肾脏里也起着非常重要的作用。
肾脏就像一个超级过滤器，要把身体里的废物排出去，同时又要把有用的东西留下来。
碳酸酐酶在肾脏里就像一个细心的分拣员。
它帮助肾脏调节尿液的酸碱度，确保身体里的酸碱平衡不会被打破。
如果把肾脏比作一个工厂的话，碳酸酐酶就是那个保证生产线正常运行的关键小零件。
要是这个小零件出了问题，那整个工厂的生产可就会受到影响啦。
这时候，我们的身体就会出现各种各样的毛病，像什么酸中毒或者碱中毒之类的，那可难受得很呢。
在我们的眼睛里，碳酸酐酶也没闲着。
眼睛就像一个精密的小相机，角膜和晶状体这些部件要保持清澈透明，这样我们才能看清这个美好的世界。
碳酸酐酶在眼睛里就像一个小小的清洁工，它帮忙维持眼内液体的正常成分，就像清洁相机镜头一样，保证眼睛能够正常工作。
要是没有它，眼睛就像一个脏了镜头的相机，看东西就会模模糊糊的，多糟糕啊。
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+。
碳酸酐酶作用机理
碳酸酐酶作用机理碳酸酐酶（carbonic anhydrase）是一类广泛存在于生物体中的酶，其主要功能是催化二氧化碳（CO2）和水（H2O）之间的相互转化反应，生成碳酸（H2CO3）。
碳酸酐酶在生物体内起着重要的调节酸碱平衡的作用，并参与多种生理过程。
本文将介绍碳酸酐酶的作用机理。
碳酸酐酶的催化反应可以分为两个步骤：CO2的水合和碳酸的解离。
首先，在CO2的水合步骤中，碳酸酐酶催化CO2和水的结合，生成碳酸的中间产物。
然后，在碳酸的解离步骤中，碳酸酐酶催化碳酸的解离，使其分解为质子（H+）和碳酸根离子（HCO3-）。
这两个步骤共同完成了CO2和水之间的转化反应。
碳酸酐酶的催化反应机理主要通过两种方式实现：质子传递和亲核攻击。
在CO2的水合步骤中，碳酸酐酶的活性位点中存在一个催化三联体（catalytic triad），由一个质子接受者（histidine）、一个质子给予者（histidine）和一个亲核攻击剂（zinc ion）组成。
质子传递过程中，质子给予者从水中获得质子，并将其传递给CO2，形成碳酸的中间产物。
亲核攻击过程中，亲核攻击剂中的锌离子吸引CO2的电子云，使其更易受到质子的攻击，从而促进CO2的水合反应。
在碳酸的解离步骤中，碳酸酐酶的活性位点中的质子给予者将质子传递给碳酸，使其解离为质子和碳酸根离子。
质子的传递过程中，质子给予者从水中获得质子，并将其传递给碳酸。
这一过程中，碳酸酐酶的活性位点中的催化三联体起到了关键作用。
碳酸酐酶的催化反应机理是一个高度协调的过程，其中各个步骤相互配合，共同完成CO2和水之间的转化。
碳酸酐酶通过调节CO2和水的相互转化反应，参与了生物体内的酸碱平衡调节、呼吸调节、碳酸盐代谢调节等多种生理过程。
同时，碳酸酐酶还在医学领域具有重要的应用价值，可以用于治疗癌症、青光眼等疾病。
碳酸酐酶是一类重要的酶，其作用机理主要通过质子传递和亲核攻击两种方式实现。
碳酸酐酶通过催化CO2和水之间的转化反应，参与了生物体内的多种生理过程。
碳酸酐酶
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。
分布
CA分布广泛。CAⅠ、Ⅱ从红细胞首次分离得到。CAⅢ最早发现于骨骼肌细胞浆，三者在人类都是29kD的胞浆 内酶；膜相关酶CAⅣ已于小牛肺、人肾、大鼠肺中纯化出来；CAⅣ(29kD)发现于线粒体；由Murakmi于1987年从 唾液腺中纯化的CAⅥ(42kD)为分泌型酶；近期在唾液腺及小脑浦肯野氏细胞中发现的新CA相关基因CAⅧ亦为胞浆 内酶。胃肠道、肾远曲小管和集台管、肾上腺球状带细胞、附睾起始段狭窄细胞、远侧头体部和近侧尾部上皮细 胞、快收缩骨骼肌细胞、脑脉络丛上皮细胞、髓磷脂形成细胞及眼部睫状突、角膜、视膜细胞内都有CAⅡ；CAⅣ 还分布于胃肠道、肾远曲小管和髓袢升支粗段上皮细胞顶质膜、基侧质膜表面、附睾、输精管及其壶腹部的上皮 微绒毛、顶质膜、皮下平滑肌层、脑毛细血管上皮细胞腔面、心肌、眼部分毛细血管床、脉络膜血管层以及骨骼 肌、肝、泪腺等处。
第二代局部用CAIs 20世纪90年代初合成了多尔唑胺和布林唑胺。其具有较强的选择性抑制 CA活性和较高的 水溶性与脂溶性，便于配制滴眼液，能透过角膜，使药物在睫状体达到有效药物浓度。1995年，多尔唑胺滴眼液 在德国上市，无全身不良反应。但由于水溶液 pH值为5.5，对眼结膜有轻度刺激性。布林唑胺于1998年上市，其 水溶性较差，故配制成混悬液。其抑制CA的作用强于多尔唑胺，对眼的刺激较轻。
重要地位
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。含一条卷曲的蛋白质链和一 个锌（Ⅱ）离子。分子量约为。锌离子处于变形四面体的配位环境。催化的最重要的反应是二氧化碳（碳酸酐） 可逆的水合作用，使它在生理pH值条件（pH值≌7）下很快进行。为催化CO2(g) + H2O → H2CO3反应的酶,酶加 速二氧化碳水合的因子在10^7左右。上述反应对呼吸作用极为重要。
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• 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。
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。 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。
碳酸酐酶晶体结构，整个蛋白链折合成椭球状，其二级 结构中主要为β折叠片，但也有部分的α螺旋。
椭圆球形，肽链组氨酸（94、96和119）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。
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。
• 催化CO2 + H2O HCO3- + H+反应， 酶加速二氧化碳水合的因子在107左右。
碳酸酐酶的分布
碳酸酐酶广泛分布在动物的上皮细胞、胃黏 膜、胰腺、红细胞和中枢神经等组织中， 在植物、微生物体内也存在，是最早发现 的锌酶。碳酸酐酶在红细胞中的含量仅次 于血红蛋白。在哺乳动物的碳酸酐酶中， 以人碳酸酐酶II、III和牛碳酸酐酶II研究较 多。