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碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase，CA)是一种含锌金属酶，EC 4.2.1.1，催化的反应非常简单，甚至中学化学都默认是自发反应，看起来完全不需要催化。  碳酸酐酶广泛分布于动物、植物及微生物中，人体中已发现14种同工酶，其结构、性质与组织分布各异，但都具有重要生理功能，并可用作疾病标志物（Expert Opin Ther Pat. 2019 Jun 17:1-25.）。 二氧化碳的可逆水合，对于体内二氧化碳的排出、血液和组织液的酸碱平衡都很重要。组织中的二氧化碳进入血液，水合生成碳酸氢根和氢离子，运输道肺泡后再解离放出二氧化碳排出体外。因为反应涉及到氢离子，所以会影响血液pH值，不仅影响酸碱平衡，对血红蛋白的携氧能力也有影响（波尔效应）。  有些酶需要用二氧化碳或碳酸氢根作为底物（比如羧化酶），也需要碳酸酐酶来保持合适的底物浓度。胃粘膜上的壁细胞分泌胃酸的过程也需要碳酸酐酶参与。二氧化碳水合放出的氢离子被质子泵（H+-K+-ATP酶）转运到胃腔，碳酸氢根则与血液中的氯离子交换，氯离子通过氯离子通道排放到胃腔，而碳酸氢根则运送到肺泡再解离出二氧化碳排出体外。 对于这些过程来说，如果靠反应自发完成，不仅速度过于缓慢，而且无法被机体调控，也就不能适应机体在不同条件下（如运动、进食等）的需求。所以生物进化出了碳酸酐酶，它是已知转换数最高的酶之一，高达60万每秒，催化周期仅1.7微秒。它已经接近了扩散限制决定的速度常数上限，催化能力上接近完美。相对来说，一般涉及质子或基团转移的反应，转换数多在1000每秒数量级。  碳酸酐酶活性中心，含烟酸和甘油 碳酸酐酶的超高催化效率与其锌离子密切相关。锌离子位于其活性中心底部，用于结合水分子，使其解离出氢离子的pK由15.7降低到7，所以才能够在中性pH条件下迅速解离，产生羟离子，去亲核攻击二氧化碳，生成碳酸氢根。  除了锌离子的作用外，His64对水分子的解离也有重要贡献。它会从锌结合的水分子中获取一个质子，然后转移到蛋白质表面，再将其释放到溶液中。这个过程成为质子梭（proton shuttle）。在其相邻的63位，小鼠是谷氨酸，而人类是位阻更小的甘氨酸，所以人类的碳酸酐酶活性更高。  碳酸酐酶质子梭 碳酸酐酶如果出现问题，会导致多种疾病。下图是BRENDA上已报道的相关疾病，右上角的滚动条表明这个列表很长。  现在其抑制剂已被用于治疗高血压，水肿，肥胖和癫痫等疾病。目前的研究侧重于CA IX和CA XII的抑制剂研究，因为这些同工酶是青光眼和某些癌症的生物标志物和治疗靶标，特别是与癌症相关的CA IX（Expert Opin Ther Pat. 2016 Aug;26(8):947-56）。 碳酸酐酶也可以用于环保等领域，如利用碳酸酐酶固定二氧化碳等。  |
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