碳酸酐酶的功能與催化機制簡介
2020-10-18 lcy1971碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase，CA)是一種含鋅金屬酶，EC 4.2.1.1，催化的反應非常簡單，甚至中學化學都默認是自發反應，看起來完全不需要催化。
碳酸酐酶廣泛分布於動物、植物及微生物中，人體中已發現14種同工酶，其結構、性質與組織分布各異，但都具有重要生理功能，並可用作疾病標誌物（Expert Opin Ther Pat. 2019 Jun 17:1-25.）。
二氧化碳的可逆水合，對於體內二氧化碳的排出、血液和組織液的酸鹼平衡都很重要。組織中的二氧化碳進入血液，水合生成碳酸氫根和氫離子，運輸道肺泡後再解離放出二氧化碳排出體外。因為反應涉及到氫離子，所以會影響血液pH值，不僅影響酸鹼平衡，對血紅蛋白的攜氧能力也有影響（波爾效應）。
有些酶需要用二氧化碳或碳酸氫根作為底物（比如羧化酶），也需要碳酸酐酶來保持合適的底物濃度。胃黏膜上的壁細胞分泌胃酸的過程也需要碳酸酐酶參與。二氧化碳水合放出的氫離子被質子泵（H+-K+-ATP酶）轉運到胃腔，碳酸氫根則與血液中的氯離子交換，氯離子通過氯離子通道排放到胃腔，而碳酸氫根則運送到肺泡再解離出二氧化碳排出體外。
對於這些過程來說，如果靠反應自發完成，不僅速度過於緩慢，而且無法被機體調控，也就不能適應機體在不同條件下（如運動、進食等）的需求。所以生物進化出了碳酸酐酶，它是已知轉換數最高的酶之一，高達60萬每秒，催化周期僅1.7微秒。它已經接近了擴散限制決定的速度常數上限，催化能力上接近完美。相對來說，一般涉及質子或基團轉移的反應，轉換數多在1000每秒數量級。
碳酸酐酶活性中心，含煙酸和甘油
碳酸酐酶的超高催化效率與其鋅離子密切相關。鋅離子位於其活性中心底部，用於結合水分子，使其解離出氫離子的pK由15.7降低到7，所以才能夠在中性pH條件下迅速解離，產生羥離子，去親核攻擊二氧化碳，生成碳酸氫根。
除了鋅離子的作用外，His64對水分子的解離也有重要貢獻。它會從鋅結合的水分子中獲取一個質子，然後轉移到蛋白質表面，再將其釋放到溶液中。這個過程成為質子梭（proton shuttle）。在其相鄰的63位，小鼠是穀氨酸，而人類是位阻更小的甘氨酸，所以人類的碳酸酐酶活性更高。
碳酸酐酶質子梭
碳酸酐酶如果出現問題，會導致多種疾病。下圖是BRENDA上已報導的相關疾病，右上角的滾動條表明這個列表很長。
現在其抑制劑已被用於治療高血壓，水腫，肥胖和癲癇等疾病。目前的研究側重於CA IX和CA XII的抑制劑研究，因為這些同工酶是青光眼和某些癌症的生物標誌物和治療靶標，特別是與癌症相關的CA IX（Expert Opin Ther Pat. 2016 Aug;26(8):947-56）。
碳酸酐酶也可以用於環保等領域，如利用碳酸酐酶固定二氧化碳等。
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