碳酸酐酶

碳酸酐酶（英语：Carbonic anhydrase， 简称 CA， EC 4.2.1.1）是一类广泛存在于古菌、细菌、植物和动物中的含锌金属酶。它催化二氧化碳的可逆水合反应：CO₂ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H⁺。该反应是生物体内酸碱平衡、离子运输、气体交换、CO₂与HCO₃⁻跨膜转运以及多种生物合成过程（如葡萄糖异生、尿素合成、脂质合成）的关键环节。人类拥有16种已知的碳酸酐酶同工酶，它们具有不同的亚细胞定位、组织分布、催化活性和生理功能[1][2]。

分类、结构与催化机制

1. 同工酶分类：

   • 根据其进化关系，人类CA分为几个家族：CA I-VIII、CA X、CA XI、CA XII、CA XIII、CA XIV、CA XV（CA IX和XII是癌症相关同工酶）。其中CA I-III、VII、XIII主要为胞质酶；CA IV、IX、XII、XIV为膜结合型；CA VA和VB为线粒体型；CA VI为分泌型（存在于唾液中）。

2. 保守结构：

   • 活性中心包含一个关键的锌离子（Zn²⁺），由三个保守的组氨酸残基（His94， His96， His119， 以CA II编号）和一个水分子或羟基配位，形成四面体几何结构。

   • 结构通常包含一个由10条β折叠链组成的核心。

3. 催化机制：

   • 步骤1：活性中心的Zn²⁺活化一个水分子，生成亲核的Zn²⁺-OH⁻。

   • 步骤2：OH⁻亲核攻击结合在活性中心的CO₂，生成HCO₃⁻。

   • 步骤3：HCO₃⁻被水分子置换，Zn²⁺重新结合一个水分子，释放的HCO₃⁻与一个质子结合（由缓冲体系提供），完成循环。

   • 该酶的催化效率极高（转换数可达10⁶ s⁻¹），是已知最快的酶之一[3]。

主要生理功能

不同同工酶通过其特定的定位和性质执行多样化功能：

1. 呼吸与酸碱平衡：

   • 在红细胞中，CA I和CA II极大地加速CO₂从组织向肺部的运输。组织产生的CO₂在红细胞内被CA迅速转化为HCO₃⁻，后者通过氯转移交换进入血浆运输；在肺部肺泡毛细血管，HCO₃⁻重新转化为CO₂呼出。

2. 胃酸分泌：

   • 胃壁细胞顶膜的CA IV和胞质中的CA II为质子泵（H⁺/K⁺-ATPase）提供H⁺，是胃酸分泌所必需的。

3. 房水与脑脊液生成：

   • 在睫状体和脉络丛上皮细胞中，CA（主要是CA II和IV）通过调节离子和液体分泌，参与房水和脑脊液的形成。抑制CA是治疗青光眼（降低眼内压）的重要策略。

4. 肾脏功能：

   • 在肾小管（尤其是近曲小管），CA II和IV参与HCO₃⁻的重吸收和H⁺的分泌，对维持体液酸碱平衡至关重要。其抑制剂可产生利尿作用。

5. 骨骼钙化与再吸收：

   • 在破骨细胞和成骨细胞中，CA（如CA II）通过提供H⁺或HCO₃⁻，参与骨基质的溶解或形成。

6. 信号传导与细胞增殖：

   • 某些同工酶（如CA IX， XII）在肿瘤细胞缺氧时被诱导，通过调节细胞外pH（催化CO₂水合产生H⁺，酸化微环境），促进肿瘤细胞存活、侵袭和转移[4]。

临床意义与作为药物靶点

碳酸酐酶是多种疾病的重要治疗靶点，其抑制剂（Carbonic Anhydrase Inhibitors， CAIs）已广泛应用于临床。

1. 青光眼：

   • 乙酰唑胺、多佐胺、布林佐胺等局部或全身应用的CAIs，通过抑制睫状体CA，减少房水生成，从而降低眼内压，是治疗开角型青光眼的一线药物。

2. 高原病：

   • 乙酰唑胺可通过诱导轻度代谢性酸中毒，刺激通气，加速高原习服，用于预防和治疗急性高原病。

3. 癫痫：

   • 乙酰唑胺对某些类型的癫痫（特别是失神发作）有辅助治疗作用。

4. 代谢性碱中毒：CAIs可用于纠正某些类型的代谢性碱中毒。

5. 癌症：

   • 针对肿瘤特异性高表达的CA IX和CA XII的抑制剂，正作为潜在抗癌药和肿瘤显像剂被积极研发，旨在抑制肿瘤生长和转移。

6. 感染：针对病原体（如疟原虫、幽门螺杆菌）特异性CA的抑制剂，是潜在的抗感染药物。

遗传性疾病

• CA II缺乏症：一种罕见的常染色体隐性遗传病，患者表现为肾小管性酸中毒、骨质疏松、脑钙化和智力发育迟缓，这凸显了CA II在多个器官系统中的关键作用。

参考文献

1. Supuran, C. T. (2008). Carbonic anhydrases: novel therapeutic applications for inhibitors and activators. Nature Reviews Drug Discovery, *7*(2), 168-181. （碳酸酐酶抑制剂与激活剂的新治疗应用）

2. Alterio, V., Di Fiore, A., D'Ambrosio, K., Supuran, C. T., & De Simone, G. (2012). Multiple binding modes of inhibitors to carbonic anhydrases: how to design specific drugs targeting 15 different isoforms? Chemical Reviews, *112*(8), 4421-4468. （抑制剂与碳酸酐酶的多重结合模式及同工酶特异性药物设计）

3. Lindskog, S. (1997). Structure and mechanism of carbonic anhydrase. Pharmacology & Therapeutics, *74*(1), 1-20. （碳酸酐酶的结构与机制经典综述）

4. Swietach, P., Hulikova, A., Vaughan-Jones, R. D., & Harris, A. L. (2010). New insights into the role of carbonic anhydrase in cancer progression. Cancer Research, *70*(21), 8461-8464. （碳酸酐酶在癌症进展中作用的新见解）

5. Sly, W. S., & Hu, P. Y. (1995). Human carbonic anhydrases and carbonic anhydrase deficiencies. Annual Review of Biochemistry, *64*(1), 375-401. （人类碳酸酐酶及其缺乏症）