結構生物化學/酶催化機制/碳酸酐酶
碳酸酐酶，或碳酸脫水酶，是一種快速催化二氧化碳轉化為質子和碳酸氫根離子 (HCO3-) 的酶。在沒有該酶催化劑的情況下，這個反應相當緩慢，因為與酶的反應通常每秒發生一萬到一百萬次 (10^4-10^6)。該酶結合的活性位點包含一個鋅離子 (Zn2+)，透過它降低了 pKa，並允許對二氧化碳基團進行親核攻擊。在人體中，這種反應機制對於維持 pH 平衡以及將二氧化碳從組織運輸到肺部至關重要。二氧化碳水合需要緩衝液，因為我們之前提到的緩衝液可以充當酸或鹼，在這種情況下，緩衝液有助於酶達到其最高的催化速率。在某些情況下，碳酸酐酶的活性位點無法接近大體積的緩衝液，從而干擾了有效的質子轉移。作為回應，碳酸酐酶 II 發展了一個質子穿梭系統，由一個組氨酸殘基組成，它從結合的水分子中去除一個 H+，使其親核性更強，然後將質子轉移到蛋白質的邊緣（允許緩衝液輕鬆去除它）。因此，該反應同時利用了 酸鹼催化 和 金屬離子催化 策略。
在碳酸酐酶以及所有生物系統中，鋅原子都處於 +2 狀態。鋅與四個配體結合，其三個配位點被三個組氨酸殘基的咪唑環佔據，第四個配位點被一個水分子佔據。該活性位點位於酶中心附近的一個裂縫中。
碳酸酐酶是一種催化酶，專門加速二氧化碳 (CO2) 和水 (H2O) 生成碳酸。
H2O + CO2 ⇌ H2CO3
需要注意的是，碳酸酐酶不會改變反應的平衡，而是幫助平衡更快達到，從而使其產物具有較高的速度產量。H2CO3 在血液中解離，這會產生以下平衡：
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-
已知碳酸酐酶每秒可以催化一百萬個反應。還要注意，碳酸很容易解離成 H+ 和碳酸氫根離子，因為它是一種更不穩定的化合物。
pH 以 S 型方式影響碳酸酐酶。pH 越高，酶的活性越強（因為它處於最佳的去質子化條件下）。
1) 鋅的結合將水的 pKa 從 15.7 降至 7，生成一個氫氧根離子 (OH-) 來攻擊二氧化碳。鋅從水分子中釋放出一個質子以生成該氫氧根離子。由於 pKa 的降低，pH 值降低。根據勒夏特列原理，這會推動反應向去質子化方向進行。此外，這種 pH 變化會導致人類陽具失活。
2) 二氧化碳底物與酶的活性位點結合，並處於最佳相互作用的位置。
3) 氫氧根離子（是一種極好的親核試劑）攻擊二氧化碳的羰基，透過親核攻擊將其轉化為碳酸氫根離子。二氧化碳分子上的氧在轉化過程中與鋅金屬形成中間鍵。
4) 酶再生，碳酸氫根離子釋放。酶已準備好進行另一個反應。這種酶的再生能力使其能夠高效且快速地處理血液細胞中的二氧化碳。
鋅在碳酸酐酶中的作用是促進水生成一個質子 H+ 和一個親核氫氧根離子。親核水分子攻擊二氧化碳的羰基，將其轉化為碳酸氫根。這是透過鋅離子所帶的 +2 電荷實現的，它吸引水中的氧，使水去質子化，從而將其轉化為更好的親核試劑，以便新形成的羥基離子可以攻擊二氧化碳。
水會自然去質子化，但這個過程相當緩慢，而且產生的量不多。鋅透過為氫氧根離子提供正電荷來使水去質子化。鋅單獨無法以足夠快的速度使水去質子化以達到每秒 106 次的測量速率，但是質子會暫時捐獻給周圍的氨基酸殘基，這些殘基之後會將質子傳遞給環境，同時允許反應繼續進行，不會減緩該過程。金屬離子很好，因為它會增加化學物質的反應性，並且可以形成牢固的鍵。鋅能夠透過降低水的 pKa 來幫助水去質子化。水與鋅的結合將水的 pKa 從大約 15.7 降至 7。這意味著現在有更多的水分子能夠在比正常情況下更低的 pH 值下發生去質子化，這使得水更容易轉化為氫氧根離子，而氫氧根離子是更好的親核試劑。
當組織中的二氧化碳擴散到人體紅血球中時，可以使用碳酸酐酶。二氧化碳 (CO2) 與水反應形成碳酸。通常情況下，這個反應是由碳酸酐酶催化的。
CO2 --進入紅血球---> CO2 + H2O ---由碳酸酐酶催化--> H2CO3
降低碳酸酐酶活性的一個例子是在治療青光眼、神經系統疾病和潰瘍的一類藥物中發現的。有不同型別，包括甲磺醯胺和布林佐胺。這些藥物的作用機制因型別而異，但它們都抑制碳酸酐酶的酶活性。
1. Berg, Jeremy M. (2007). Biochemistry, 6th Ed., Sara Tenney. ISBN0-7167-8724-5. 2. Campbell, Neil A. Biology. 7th ed. San Francisco, 2005.