称谓
Carbonic Anhydrase CA 碳酸酐酶 碳酸脱水酶 EC 4.2.1.1
描述
碳酸酐酶是一类酶，它们催化二氧化碳和水之间的相互转化以及碳酸的离解离子（即碳酸氢根和氢离子）的生成。大多数碳酸酐酶的活性位点含有一个锌离子。因此，它们被归类为金属酶。这种酶维持酸碱平衡并帮助运输二氧化碳。
碳酸酐酶有助于维持酸碱稳态、调节pH值和液体平衡。根据其所在位置的不同，酶的作用略有变化。例如，碳酸酐酶在胃粘膜中产生酸。在肾脏中，对碳酸氢根离子的控制影响细胞的水含量。碳酸氢根离子的控制也影响眼睛中的水含量。碳酸酐酶的抑制剂被用来治疗青光眼，即眼睛中水分过度积聚。阻断这种酶会改变眼睛中的液体平衡，减少液体积聚，从而减轻压力。
碳酸酐酶对血红蛋白功能至关重要，通过波尔效应，它催化二氧化碳的水合作用，形成碳酸并迅速离解成水。本质上，二氧化碳的增加会导致血液pH值降低，从而降低氧合血红蛋白的结合。相反的情况是，二氧化碳浓度的降低会提高血液pH值，从而提高氧合血红蛋白的结合率。将波尔效应与碳酸酐酶联系起来很简单：碳酸酐酶加速了二氧化碳与水反应产生氢离子（质子）和碳酸氢根离子的反应。
为了描述碳酸酐酶反应中的平衡，使用了勒夏特列原理。大多数组织的酸性比肺组织强，因为二氧化碳是通过这些组织的细胞呼吸产生的，它与水反应生成质子和碳酸氢根。因为二氧化碳浓度较高，平衡向右移动，偏向碳酸氢根一侧。在肺部则观察到相反的情况，那里二氧化碳正在释放，减少了其浓度，所以平衡向左移动，有利于二氧化碳的产生。
出现与功能
碳酸酐酶最初是在1933年从红细胞中分离并表征的，Meldrum和Roughton（在英国剑桥大学）以及Stadie和O’Brien（在美国宾夕法尼亚大学）同时报道了这一发现，他们当时都在寻找一种“催化因子……这对于从红细胞快速传输^-$ （碳酸氢根阴离子）到……肺毛细血管”是必要的。
pH值的调节 碳酸酐酶在调节血液pH值中起着至关重要的作用，它加速了 $ CO_2 + H_2O \xrightleftharpoons{}{} HCO_3^- + H^+ $ 反应，以确保平衡迅速维持。平衡反应受到碳酸氢根和^+$与二氧化碳比例的影响。^-$是一个能中和酸的共轭碱，而^+$是一个能通过酸碱稳态中和碱的共轭酸。^-$和^+$是理想的缓冲血液和组织pH值的物质，因为它们的pKa接近生理pH = 7.2 – 7.6。由于^-$和^+$在肾脏中受到调节，而血浆二氧化碳在肺部受到调节，肾脏和肺部的行动对于维持血液pH值的稳定性都很重要。因此，碳酸酐酶有助于^+$分泌到肾脏肾小管的管腔中，以及肾脏中^-$的再吸收。此外，它还帮助将二氧化碳从肺组织运输到肺毛细血管中的肺泡，在那里二氧化碳将在呼气过程中被排出。
碳酸酐酶是一种非常古老的酶，在原核生物的两个领域中都存在，在大多数生物体中存在六个不同的类别。这些家族在序列或结构上并不相似，因为它们是彼此独立进化的，但都演化出了相同的^{2+}$活性位点结构，展现了趋同进化的一个伟大例子。
背景
酶是一种在生物体内起催化作用的物质，它有助于加速化学反应。碳酸酐酶是一种重要的酶，存在于红细胞、胃粘膜、胰腺细胞甚至肾小管中。它于1932年被发现，并被分为三个一般类别。第一类是α碳酸酐酶，存在于哺乳动物中；第二类是β碳酸酐酶，存在于细菌和植物中；最后一类是γ碳酸酐酶，存在于温泉中的产甲烷细菌中。这三个类别的碳酸酐酶都具有相同的活性位点，即含有Zn金属中心的活性位点；然而，它们在结构上并不相似。碳酸酐酶在人类中的主要作用是催化二氧化碳转化为碳酸酸并再次转化回来。然而，它还可以帮助血液中的$运输，从而帮助呼吸。它甚至在胃中形成盐酸的过程中发挥作用。因此，碳酸酐酶的作用取决于它在体内的位置。
结构
在哺乳动物CA II中，活性位点的组成如下：一个硬路易斯酸^{2+}$金属原子与His -94、-96和-119残基配位，这些残基彼此相隔109˚，以及一个氢氧根离子（pKa=6.8；在Td配置中为120°），一个与锌结合的氢氧根离子相邻的疏水口袋，底部由Val-143组成，颈部由Val-121、Trp-209和Leu-198组成，一个质子穿梭残基（PSR）His-64 ^+$通过构象转换在活性位点内外穿梭^+$，以及一个氢键网络，由Thr-199的羟基和Glu-106的羧基组成，通过促进活性位水中分子取向到特定的几何配置来稳定锌结合的氢氧根离子。CA II的周转频率为106 s−1，比无催化反应快107倍。
反应
组织中的碳酸酐酶催化的反应是：
$ CO_2 + H_2O ⟶ H_2CO_3 ⟶ H^+ + HCO_3^− $
在肺部，碳酸酐酶催化的反应是：
$ H^+ + HCO_3^− ⟶ H_2CO_3 ⟶ CO_2 + H_2O $
组织和肺部的反应方向相反的原因是因为它们之间的pH水平不同。没有碳酸酐酶催化剂的情况下，这个反应非常缓慢，然而在有催化剂的情况下，反应速度提高了107倍。
碳酸酐酶催化的反应是：
$ HCO_3^− + H^+ ⇌ CO_2 + H_2O $
碳酸的pKa大约是6.36（确切值取决于介质），所以在pH 7时，只有一小部分碳酸氢盐被质子化。
碳酸酐酶是最快的酶之一，其速率通常受其底物扩散速率的限制。这种酶不同形式的典型催化速率在每秒^4$到^6$反应之间。
未催化的逆反应相对缓慢（动力学在15秒左右）。这就是为什么打开碳酸饮料容器时，饮料不会立即脱气；然而，当它接触到口腔中的唾液中的碳酸酐酶时，它会迅速脱气。
无水酶被定义为一个催化从化合物中去除一个水分子的酶，因此正是这个“逆”反应赋予了碳酸酐酶其名称，因为它从碳酸中去除一个水分子。
在肺部，碳酸酐酶将碳酸氢盐转化为适合呼出的二氧化碳。
二氧化碳传输
| 二氧化碳在血液中的运输形式 | 占比 | | ---------------------------- | ----- | | 作为气体溶解在血浆中 | 7-10% | | 与红细胞中的血红蛋白结合形成碳酰胺血红蛋白 | 20% | | 以碳酸氢盐离子的形式存在于血浆中，并以碳酸氢盐的形式运输 | 70% |
机制
在酶中，一个锌离子辅基通过组氨酸侧链在三个位置上配位。第四个配位位置被水分子占据。另一个组氨酸靠近水分子的配位位置，促进了-OH$中心的形成，该中心与$结合生成锌碳酸氢盐。这个结构是通用酸-通用碱催化的一个例子（参见“酸催化”文章）。活性位点还特征性地有一个适合二氧化碳的口袋，将其靠近羟基。
通过对酶进行的动力学研究，确定了以下机制：
在第1步和第2步中，与^{2+}$配位的羟基离子上的亲核试剂O−对$分子上部分电子亲和性的碳进行亲核攻击。在这里，^{2+}$作为一个路易斯酸，将配位的水分子配体的pKa从大约7-8降低到6.8，作为Td，这推动了水分子去质子化生成羟基离子，并且自由质子被周围的缓冲液中和。
在第3步中，一个质子转移（^+$）从^−$转移到活性位点中与^{2+}$原子配位的非配位O−在^2+$上。接下来，释放一个碳酸氢盐离子，并通过另一个水分子的结合来交换碳酸氢盐离子，从而再生催化位点。
在第4步中，配位的水分子配体在^{2+}$的促进下去质子化，生成另一个羟基离子，从而开始新一轮的循环。
家族
至少存在五个不同的碳酸酐酶（CA）家族：α、β、γ、δ和ζ。这些家族之间没有显著的氨基酸序列相似性，在大多数情况下，它们被认为是趋同进化的例子。α-CA家族在人类中被发现。
α-CA
脊椎动物、藻类、植物和一些细菌拥有这个CA家族。
在哺乳动物中发现的CA酶被划分为四个广泛的亚组，这些亚组又由几个同源基因类组成：
胞浆CA（CA-I、CA-II、CA-III、CA-VII和CA XIII）（CA1、CA2、CA3、CA7、CA13） 线粒体CA（CA-VA和CA-VB）（CA5A、CA5B） 分泌型CA（CA-VI）（CA6） 膜相关CA（CA-IV、CA-IX、CA-XII、CA-XIV和CA-XV）（CA4、CA9、CA12、CA14） 还有三个额外的“无催化活性”的人类碳酸酐酶异构体（CA-VIII、CA-X和CA-XI）（CA8、CA10、CA11），其功能尚不明确。
Comparison of mammalian carbonic anhydrases
| Isoform | Gene | [Molecular <br>mass](https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_mass "Molecular mass")23(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-boron-23) <br>(kDa) | Location | | Specific activity of <br>human enzymes,(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-24)24(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-Hilvo_2008-25) (s−1) | Sensitivity to <br>[sulfonamides](https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfonamide "Sulfonamide"),(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-26) <br>KI (nM)24(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-Hilvo_2008-25) | | ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------------- | -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | Cell | Tissue23(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-boron-23) | | | | | | | [CA-I](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_I "Carbonic anhydrase I") | _[CA1](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1368)_ | 29 | [cytosol](https://en.wikipedia.org/wiki/Cytosol "Cytosol") | [red blood cell](https://en.wikipedia.org/wiki/Red_blood_cell "Red blood cell") and [GI tract](https://en.wikipedia.org/wiki/Gastrointestinal_tract "Gastrointestinal tract") | 2.0 × 105 | 250 | | [CA-II](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_II "Carbonic anhydrase II") | _[CA2](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1373)_ | 29 | [cytosol](https://en.wikipedia.org/wiki/Cytosol "Cytosol") | almost ubiquitous | 1.4 × 106 | 12 | | [CA-III](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_III "Carbonic anhydrase III") | _[CA3](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1374)_ | 29 | [cytosol](https://en.wikipedia.org/wiki/Cytosol "Cytosol") | 8% of soluble protein in Type I [muscle](https://en.wikipedia.org/wiki/Muscle "Muscle") | 1.3 × 104 | 240000 | | [CA-IV](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_IV "Carbonic anhydrase IV") | _[CA4](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1375)_ | 35 | extracellular [GPI](https://en.wikipedia.org/wiki/Glycophosphatidylinositol "Glycophosphatidylinositol")-linked | [GI tract](https://en.wikipedia.org/wiki/Gastrointestinal_tract "Gastrointestinal tract"), [kidney](https://en.wikipedia.org/wiki/Kidney "Kidney"), endothelium | 1.1 × 106 | 74 | | [CA-VA](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_VA "Carbonic anhydrase VA") | _[CA5A](https://www.genenames.org/tools/search/#!/genes?query=CA5A)_ | 34.7 (predicted) | [mitochondria](https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondria "Mitochondria") | liver | 2.9 × 105 | 63 | | [CA-VB](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_VB "Carbonic anhydrase VB") | _[CA5B](https://www.genenames.org/tools/search/#!/genes?query=CA5B)_ | 36.4 (predicted) | [mitochondria](https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondria "Mitochondria") | widely distributed | 9.5 × 105 | 54 | | [CA-VI](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_VI "Carbonic anhydrase VI") | _[CA6](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1380)_ | 39–42 | secretory | saliva and milk | 3.4 × 105 | 11 | | [CA-VII](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_VII "Carbonic anhydrase VII") | _[CA7](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1381)_ | 29 | [cytosol](https://en.wikipedia.org/wiki/Cytosol "Cytosol") | widely distributed | 9.5 × 105 | 2.5 | | [CA-IX](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_IX "Carbonic anhydrase IX") | _[CA9](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1383)_ | 54, 58 | [cell membrane](https://en.wikipedia.org/wiki/Cell_membrane "Cell membrane")-associated | normal [GI tract](https://en.wikipedia.org/wiki/Gastrointestinal_tract "Gastrointestinal tract"), several cancers | 3.8 × 105 | 16 | | [CA-XII](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_XII "Carbonic anhydrase XII") | _[CA12](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1371)_ | 44 | extracellularily located [active site](https://en.wikipedia.org/wiki/Active_site "Active site") | [kidney](https://en.wikipedia.org/wiki/Kidney "Kidney"), certain [cancers](https://en.wikipedia.org/wiki/Cancer "Cancer") | 4.2 × 105 | 5.7 | | [CA-XIII](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_XIII "Carbonic anhydrase XIII")25(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-Lehtonen_2004-27) | _[CA13](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/14914)_ | 29 | [cytosol](https://en.wikipedia.org/wiki/Cytosol "Cytosol") | widely distributed | 1.5 × 105 | 16 | | [CA-XIV](https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase_XIV "Carbonic anhydrase XIV") | _[CA14](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/1372)_ | 54 | extracellularily located [active site](https://en.wikipedia.org/wiki/Active_site "Active site") | [kidney](https://en.wikipedia.org/wiki/Kidney "Kidney"), [heart](https://en.wikipedia.org/wiki/Heart "Heart"), [skeletal muscle](https://en.wikipedia.org/wiki/Skeletal_muscle "Skeletal muscle"), [brain](https://en.wikipedia.org/wiki/Brain "Brain") | 3.1 × 105 | 41 | | CA-XV26(https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_note-Hilvo_2005-28) | _[CA15](https://www.genenames.org/data/gene-symbol-report/#!/hgnc_id/80733)_ | 34–36 | extracellular [GPI](https://en.wikipedia.org/wiki/Glycophosphatidylinositol "Glycophosphatidylinositol")-linked | [kidney](https://en.wikipedia.org/wiki/Kidney "Kidney"), not expressed in human tissues | 4.7 × 105 | 72 |
a. Except for mouse CA XV. b. https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#cite_ref-26 Acetazolamide in this table.
β-CA
大多数原核生物和植物叶绿体中的CA属于β家族。这个家族已经确定了两个特征性模式：
• `C-[SA]-D-S-R-[LIVM]-x-[AP]`
• `[EQ]-[YF]-A-[LIVM]-x(2)-[LIVM]-x(4)-[LIVMF](3)-x-G-H-x(2)-C-G`
γ-CA
γ类CA来自产甲烷古菌，这些古菌在温泉中生长并产生甲烷。
δ-CA
δ类CA已经在硅藻中被描述。然而，最近这个CA类别的区分受到了质疑。
ζ-CA
ζ类CA仅存在于少数化能自养细菌和含有cso-羧体（carboxysomes）的海洋蓝细菌中。最近的三维分析表明，ζ-CA在金属离子位点附近与β-CA有某些结构上的相似性。因此，这两种形式可能远亲，尽管其氨基酸序列已经显著分化。
η-CA
η类CA最近在Plasmodium属的生物中发现。这些酶以前被认为属于α类CA，然而已经证明η-CAs具有独特的特征，如它们的金属离子配位模式。
ι-CA
ι类是最近描述的CA类。它已在海洋硅藻Thalassiosira pseudonana中发现，并在海洋浮游植物中广泛存在。在[[0. 硅藻纲（Diatomeae）]]中，ι-CA对于$浓缩机制至关重要，并且与其他CA类不同，它可以使用锰代替锌作为金属辅因子。ι-CA的同源物也在[[革兰氏阴性菌（G-菌）]]中得到证实，在那里它可以作为蛋白质同源二聚体存在。
结构与功能
自然界中存在多种形式的碳酸酐酶。在动物中研究最为深入的α-碳酸酐酶形式中，锌离子由3个组氨酸残基的咪唑环配位，分别是His94、His96和His119。
该酶在动物中的主要功能是相互转换二氧化碳和碳酸氢盐，以维持血液和其他组织的酸碱平衡，并帮助将二氧化碳从组织中排出。
哺乳动物中至少有14种不同的同功酶。植物含有一种不同的形式，称为β-碳酸酐酶，从进化角度来看，这是一种独特的酶，但参与相同的反应，并在其活性位点也使用锌离子。在植物中，碳酸酐酶有助于提高叶绿体内的$浓度，以增加酶RuBisCO的羧化速率。这是在光合作用过程中将$整合到有机碳糖中的反应，并且只能使用$形式的碳，而不能使用碳酸或碳酸氢盐。
含镉的碳酸酐酶
海洋硅藻被发现表达了一种新的ζ-碳酸酐酶形式。T. weissflogii是一种常见于许多海洋生态系统的浮游植物物种，被发现含有以镉离子代替锌的碳酸酐酶。此前，人们一直认为镉是一种有毒金属，没有任何生物学功能。然而，这种浮游植物物种似乎已经适应了海洋中锌含量低的环境，通过在锌不足时使用镉。尽管海水中镉的浓度也很低（大约1x10−16摩尔），但能够根据锌和镉哪个更可用来使用这两种金属具有环境优势。因此，这种类型的碳酸酐酶是可变金属的，意味着它可以在其活性位点与其他金属（即锌和镉）互换。
与其他碳酸酐酶的相似性
镉碳酸酐酶（CDCA）的机制与其他碳酸酐酶基本相同，都是将二氧化碳和水转化为碳酸氢盐和一个质子。此外，与其他碳酸酐酶一样，CDCA使反应速度几乎与底物的扩散速率一样快，并且它可以被磺酰胺和磺酰胺衍生物抑制。
与其他碳酸酐酶的区别
与其他大多数碳酸酐酶不同，CDCA的活性位点金属离子并不是由三个组氨酸残基和一个羟基离子配位的。相反，它是由两个半胱氨酸残基、一个组氨酸残基和一个羟基离子配位的，这是β-CA的特征。由于镉是一种软酸，它将被软碱配体更紧密地结合。半胱氨酸残基上的硫原子是软碱，因此比组氨酸残基上的氮原子更紧密地结合镉。CDCA的三维折叠结构也不同于任何其他碳酸酐酶，其氨基酸序列与其他碳酸酐酶不相似。它是一个单体，具有三个结构域，每个结构域在氨基酸序列上相同，并且每个结构域都含有一个带有金属离子的活性位点。
CDCA与其他碳酸酐酶之间的另一个关键区别是，CDCA具有一种机制，可以在锌比镉更可用时，将其镉离子替换为锌离子。CDCA的活性位点基本上是由一个由九个氨基酸组成的链“门控”的，其中甘氨酸残基位于第1和第9位。通常，这个门保持关闭状态，镉离子被困在里面。然而，由于甘氨酸残基的灵活性和位置，这个门可以被打开以移除镉离子。然后可以将锌离子放入其位置，并且门会在其后关闭。作为一种边界酸，锌不会像镉那样紧密地结合到半胱氨酸配体上，但酶仍然会活跃并且效率合理。活性位点中的金属可以在锌和镉之间切换，取决于哪个更丰富。CDCA能够利用镉或锌的能力，可能是T. weissflogii生存优势的来源。
镉的运输
在高浓度下，镉仍然被认为对浮游植物是有毒的。研究表明，当T. weissflogii暴露在镉中时，它最初会对镉产生毒性反应。金属的毒性通过转录和翻译植酸酐（phytochelatin）来降低，这些蛋白质可以结合和运输镉。一旦被植酸酐结合，镉就不再有毒，并且可以安全地运输到CDCA酶。还发现，通过植酸酐摄取镉会导致CDCA表达显著增加。
类似CDCA的蛋白质 来自不同水源的其他浮游植物已被测试是否存在CDCA。发现它们中的许多含有与T. weissflogii中发现的CDCA同源的蛋白质。这包括来自新泽西大湾以及赤道附近太平洋海洋的物种。在所有测试的物种中，即使在高浓度的锌存在下且没有镉的情况下，类似CDCA的蛋白质也显示出高水平的表达。这些蛋白质与T. weissflogii表达的CDCA之间的相似性各不相同，但它们至少有67%的相似性。
碳捕获与封存 更多信息：碳捕获和储存 碳酸酐酶原则上可能对碳捕获具有重要意义。一些碳酸酐酶能够承受高达107°C的温度和极端碱性（pH > 10）。在一项使用更稳定的CA的试点运行中，烟气流由12–13%摩尔组成的$组成，在60小时内的捕获率为63.6%，且酶性能没有明显影响。CA被放置在N-甲基二乙醇胺（MDEA）溶液中，它在那里起到增加电厂烟气流和液气接触器中液体相之间$浓度差异（驱动力）的作用。