碳酸酐酶（含锌金属酶之一）

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更新时间：2023-05-22
碳酸酐酶
含锌金属酶之一
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80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。
基本信息
中文名
碳酸酐酶
外文名
Carbonic Anhydrase(CA)
类别
锌酶
发现
1940年
介绍
碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase，CA)是一种含锌金属酶，有多种同工酶，都具有催化作用，参与多种离子交换，维持机体内环境稳态。
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、视网膜细胞内都有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。
分子结构
碳酸酐酶
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。
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30000。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。
碳酸酐酶是锌蛋白质（动物原性)，存在于脊椎动物的红血球和许多动物的各种组织以及植物的叶中。它在红血球中具有对碳酸和重碳酸离子的迅速转换的作用。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。
主要功能
1.在血液及其他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。
4.在植物体内，CA可以帮助提高叶绿体内CO2的浓度，从而增加二磷酸核酮糖羧化酶的羧化率。
5.产甲烷菌中，CA则参与醋酸盐的分解代谢。
活性调节
CA的主要抑制剂为磺胺类，表面活性剂如DDT抑制CA的作用可能与使基团解离异化有关。不同的CA对磺胺类抑制剂敏感性不同，研究CAⅡ198位变异种与抑制剂的结合力发现，198位残基侧链的电荷、疏水性和药物亲和力有关CAⅢ198位上的苯丙氨酸侧链上的苯基填塞了疏水“袋”，造成低催化、低敏感性。此外，表面活性剂可抑制CA在高浓度下生成聚合体，因而减少聚合体对CA复性蛋白形成的竞争性抑制，促进了蛋白再折叠的启动阶段，最终扩大了CA的活性浓度范围。
Chen等(1991)的研究表明雌二醇E2对CA有一定作用，且作用随组织不同而异：大鼠十二指肠粘膜上的CA可在E影响下降低活性，而大鼠肾中CA在E2作用下虽有下降趋势，但无明显差异。同年，Pirkko等的实验发现阉割的大鼠前列腺旁侧CAⅡ蛋白和mRNA水平下降，其背侧则相反；用睾酮处理后此变化可逆转；用处理后旁侧变化逆转，而对背侧无影响；未阉割的大鼠用处理发现背侧CAⅠ水平升高而旁侧CAⅡ无变化碳酸酐酶的基本结构、大体分布、基本生理功能早在60年代已为人类初步认识，随着分子生物学技术的广泛应用，近期研究侧重于CA结构与功能问关系的探索，CA的结构、功能、分布的认识将进一步具体化。
临床
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，由于房水中的液体要保持电中性，Na+向房水分泌增加，同时带动Cl-向房水移动，从而使房水形成高渗压，于是促进H2O向房水流动；保持房水平衡和正常的pH值。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。
CAIs作为治疗青光眼的药物，按其发展过程和药理作用分为三代：第一代口服CAIs，第二代局部用CAIs，第三代长效无刺激局部用CAIs。
第一代口服CAIs乙酰唑胺是首先用于青光眼的口服治疗药物，由于脂溶性低，眼内分布较少，需用较大剂量（1000－2000毫克）才有效，因而白药浓度较高；长期用药易出现低血钾和代谢性酸中毒（高氯血症性酸中毒），因此临床应用日渐减少。口服CAIs对非眼组织CA的抑制，会产生严重的全身不良反应。用药初期出现多尿、胃肠不适和疲劳，部分病人发生肾结石，极少数病例发生粒细胞缺乏症。
第二代局部用CAIs20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。且作用时间短，只能维持2-3个小时，每天需要多次用药才能保持有效的药物浓度.
第三代长效无刺激局部用CAIs科研人员对CAIs化合物的结构进行改造后，获得两个强效、作用时间较长（5-6小时）的CAIs，但配制成滴服液的pH值为5.5左右，对眼仍有刺激。为解决pH问题，科研人员将化合物尾部的双羧基改换为氨基酸，使其滴服液的pH值在6.5-7之间，对眼的刺激基本消除。至此，第三代CAIs的雏形已基本形成。