碳酸酐酶

碳酸酐酶(英語:carbonic anhydrases,EC 4.2.1.1)又稱碳酸脫水酶(英語:carbonate dehydratases),為催化二氧化碳/水與碳酸間轉換的酵素[1],可維繫血液中的酸鹼平衡英语Acid–base homeostasis與二氧化碳的運輸[2]。此類酵素的活性位點通常有一個鋅離子,因而屬於金屬蛋白,在被研究最多的α型碳酸酐酶中,鋅離子與三個組氨酸咪唑螯合[3]

碳酸酐酶
Carbonic anhydrase.png
人類碳酸酐酶II英语Carbonic anhydrase II的結構,中央為一鋅離子
识别码
EC編號 4.2.1.1
CAS号 9001-03-0
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PRIAM英语PRIAM_enzyme-specific_profiles 概述
PDB RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
基因本体 AmiGO / EGO
碳酸酐酶(真核生物)
鑑定
標誌Carb_anhydrase
PfamPF00194
InterPro英语InterProIPR001148
PROSITE英语PROSITEPDOC00146
SCOP英语Structural Classification of Proteins1can / SUPFAM
膜蛋白數據庫英语Membranome333

碳酸酐酶可催化以下反應:

CO2 + H2O H
2
CO
3
H+ + HCO
3
H+ + HCO
3
H
2
CO
3
CO2 + H2O
碳酸酐酶催化的反應機理

種類编辑

碳酸酐酶有α、β、γ、δ與ζ等五大類,不同類別碳酸酐酶的氨基酸序列無顯著相似,應是趨同演化的結果。人類的碳酸酐酶屬α型。

近年又有η型與ι型的碳酸酐酶被發現。

α型编辑

脊椎動物、部分藻類與細菌具有α型的碳酸酐酶。

哺乳類的碳酸酐酶比較
碳酸酐酶 基因 分子量[4]
(kDa)
分布位置 人類酵素的效率[a][5] (s−1) 磺酰胺的抑制係數(KI (nM))[5]
細胞 組織[4]
碳酸酐酶I英语Carbonic anhydrase I CA1 29 細胞質 红血球消化道 2.0 × 105 250
碳酸酐酶II英语Carbonic anhydrase II CA2 29 細胞質 廣泛分布 1.4 × 106 12
碳酸酐酶III英语Carbonic anhydrase III CA3 29 細胞質 一型骨骼肌(8%可溶性蛋白均為碳酸酐酶III) 1.3 × 104 240000
碳酸酐酶IV英语Carbonic anhydrase IV CA4 35 胞外(與糖磷脂酰肌醇相連) 消化道、 1.1 × 106 74
碳酸酐酶VA英语Carbonic anhydrase VA CA5A 34.7(估計) 線粒體 肝臟 2.9 × 105 63
碳酸酐酶VB英语Carbonic anhydrase VB CA5B 36.4(估計) 線粒體 廣泛分布 9.5 × 105 54
碳酸酐酶VI英语Carbonic anhydrase VI CA6 39–42 分泌至胞外 唾液母乳 3.4 × 105 11
碳酸酐酶VII英语Carbonic anhydrase VII CA7 29 細胞質 廣泛分布 9.5 × 105 2.5
碳酸酐酶IX英语Carbonic anhydrase IX CA9 54, 58 细胞膜 消化道(數種腫瘤組織亦有分布) 3.8 × 105 16
碳酸酐酶XII英语Carbonic anhydrase XII CA12 44 活性位点位於胞外 腎(數種腫瘤組織亦有分布) 4.2 × 105 5.7
碳酸酐酶XIII英语Carbonic anhydrase XIII[6] CA13 29 細胞質 廣泛分布 1.5 × 105 16
碳酸酐酶XIV英语Carbonic anhydrase XIV CA14 54 活性位点位於胞外 腎、心臟、骨骼肌、 3.1 × 105 41
CA-XV[7] CA15 34–36 胞外(與糖磷脂酰肌醇相連) 腎(不存在於人類組織) 4.7 × 105 72

β型编辑

原核生物與植物葉綠體具有β型碳酸酐酶。

γ型编辑

甲烷菌具有γ型碳酸酐酶。

δ型编辑

矽藻具有δ型碳酸酐酶[8]

ɛ型编辑

ɛ型碳酸酐酶見於部分化學自營細菌與藍菌羧酶体[9],其結構與β型有相似之處,可能為同源,但氨基酸序列已徹底分化[8]

ζ型编辑

ζ型碳酸酐酶僅見於矽藻等部分藻類[10]威氏海链藻英语Thalassiosira weissflogii(一種矽藻)的ζ型碳酸酐酶可使用(而非鋅)為輔酶[11]

η型编辑

η型碳酸酐酶見於瘧原蟲,過去被認為屬於α型,後來發現其金屬離子螯合模式等特徵與其不同[12]

ι型编辑

ι型碳酸酐酶為截至現在最晚發現的碳酸酐酶,自假微型海链藻英语Thalassiosira Pseudonana(一種矽藻)中發現,也存在其他海生浮游藻類。相較於其他碳酸酐酶使用鋅離子催化,ι型碳酸酐酶使用錳離子催化[13]。一些細菌可能也具此類碳酸酐酶[14]

參見编辑

註腳编辑

  1. ^ CA XV除外(為小鼠酵素)

參考文獻编辑

  1. ^ Badger MR, Price GD. The role of carbonic anhydrase in photosynthesis. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1994, 45: 369–392. doi:10.1146/annurev.pp.45.060194.002101. 
  2. ^ PDB101: Molecule of the Month: Carbonic Anhydrase. RCSB: PDB-101. [3 December 2018]. (原始内容存档于2022-11-13). 
  3. ^ Krishnamurthy VM, Kaufman GK, Urbach AR, Gitlin I, Gudiksen KL, Weibel DB, Whitesides GM. Carbonic anhydrase as a model for biophysical and physical-organic studies of proteins and protein-ligand binding. Chemical Reviews. March 2008, 108 (3): 946–1051. PMC 2740730 . PMID 18335973. doi:10.1021/cr050262p. 
  4. ^ 4.0 4.1 Unless else specified: Boron WF. Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approach. Elsevier/Saunders. 2005. ISBN 978-1-4160-2328-9.  Page 638
  5. ^ 5.0 5.1 Hilvo M, Baranauskiene L, Salzano AM, Scaloni A, Matulis D, Innocenti A, et al. Biochemical characterization of CA IX, one of the most active carbonic anhydrase isozymes. The Journal of Biological Chemistry. October 2008, 283 (41): 27799–809. PMID 18703501. doi:10.1074/jbc.M800938200 . 
  6. ^ Lehtonen J, Shen B, Vihinen M, Casini A, Scozzafava A, Supuran CT, et al. Characterization of CA XIII, a novel member of the carbonic anhydrase isozyme family. The Journal of Biological Chemistry. January 2004, 279 (4): 2719–27. PMID 14600151. doi:10.1074/jbc.M308984200 . 
  7. ^ Hilvo M, Tolvanen M, Clark A, Shen B, Shah GN, Waheed A, et al. Characterization of CA XV, a new GPI-anchored form of carbonic anhydrase. The Biochemical Journal. November 2005, 392 (Pt 1): 83–92. PMC 1317667 . PMID 16083424. doi:10.1042/BJ20051102. 
  8. ^ 8.0 8.1 Sawaya MR, Cannon GC, Heinhorst S, Tanaka S, Williams EB, Yeates TO, Kerfeld CA. The structure of beta-carbonic anhydrase from the carboxysomal shell reveals a distinct subclass with one active site for the price of two. The Journal of Biological Chemistry. March 2006, 281 (11): 7546–55. PMID 16407248. doi:10.1074/jbc.M510464200 . 
  9. ^ So AK, Espie GS, Williams EB, Shively JM, Heinhorst S, Cannon GC. A novel evolutionary lineage of carbonic anhydrase (epsilon class) is a component of the carboxysome shell. Journal of Bacteriology. February 2004, 186 (3): 623–30. PMC 321498 . PMID 14729686. doi:10.1128/JB.186.3.623-630.2004. 
  10. ^ Alterio V, Langella E, Buonanno M, Esposito D, Nocentini A, Berrino E; et al. Zeta-carbonic anhydrases show CS2 hydrolase activity: A new metabolic carbon acquisition pathway in diatoms?. Comput Struct Biotechnol J. 2021, 19: 3427–3436. PMC 8217695 . PMID 34194668. doi:10.1016/j.csbj.2021.05.057. 
  11. ^ Park H, McGinn PJ, More FM. Expression of cadmium carbonic anhydrase of diatoms in seawater. Aquatic Microbial Ecology. 19 May 2008, 51: 183–193. doi:10.3354/ame01192 . 
  12. ^ Del Prete S, Vullo D, Fisher GM, Andrews KT, Poulsen SA, Capasso C, Supuran CT. Discovery of a new family of carbonic anhydrases in the malaria pathogen Plasmodium falciparum—the η-carbonic anhydrases. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. September 2014, 24 (18): 4389–4396. PMID 25168745. doi:10.1016/j.bmcl.2014.08.015. hdl:10072/63103 . 
  13. ^ Jensen EL, Clement R, Kosta A, Maberly SC, Gontero B. A new widespread subclass of carbonic anhydrase in marine phytoplankton. The ISME Journal. August 2019, 13 (8): 2094–2106. PMC 6776030 . PMID 31024153. doi:10.1038/s41396-019-0426-8. 
  14. ^ Del Prete S, Nocentini A, Supuran CT, Capasso C. Burkholderia territorii. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry. December 2020, 35 (1): 1060–1068. PMC 7191908 . PMID 32314608. doi:10.1080/14756366.2020.1755852.