炭酸脱水酵素

炭酸脱水酵素（または炭酸脱水酵素）（EC 4.2.1.1 ）は、二酸化炭素と水、および炭酸の解離イオン（すなわち重炭酸イオンと水素イオン）との相互変換を触媒する酵素ファミリーを形成します。^{[ 1 ]}ほとんどの炭酸脱水酵素の活性部位には亜鉛イオンが含まれています。そのため、これらは金属酵素に分類されます。この酵素は酸塩基平衡を維持し、二酸化炭素の輸送を助けます。^{[ 2 ]}

炭酸脱水酵素は、酸塩基平衡を維持し、pHと体液バランスを調節するのに役立ちます。酵素の役割は、その場所によってわずかに変化します。たとえば、炭酸脱水酵素は胃の粘膜で酸を生成します。腎臓では、重炭酸イオンの制御が細胞の水分量に影響を与えます。重炭酸イオンの制御は、眼の水分量にも影響を与えます。炭酸脱水酵素阻害剤は、眼に過剰な水分が蓄積する緑内障の治療に使用されます。この酵素を阻害すると、眼の体液バランスが変化し、体液の蓄積が減少するため、眼圧が軽減されます。^{[ 2 ] [ 3 ]}

炭酸脱水酵素は、二酸化炭素の水和を触媒して炭酸を形成し、水に急速に解離するボーア効果を介してヘモグロビン機能に不可欠です。 ^{[ 4 ]}基本的に、二酸化炭素の増加は血液のpHの低下をもたらし、酸素とヘモグロビンの結合を低下させます。^{[ 5 ]}その逆は、二酸化炭素の濃度の低下が血液のpHを上昇させ、酸素とヘモグロビンの結合速度を上昇させるということです。ボーア効果と炭酸脱水酵素の関係は簡単です。炭酸脱水酵素は、二酸化炭素が水と反応して水素イオン（プロトン）と重炭酸イオンを生成する反応を加速させます。

To describe equilibrium in the carbonic anhydrase reaction, Le Chatelier's principle is used. Most tissue is more acidic than lung tissue because carbon dioxide is produced by cellular respiration in these tissues, where it reacts with water to produce protons and bicarbonate. Because the carbon dioxide concentration is higher, the equilibrium shifts to the bicarbonate side. The opposite is seen in the lungs, where carbon dioxide is being released, reducing its concentration, so the equilibrium shifts to favoring carbon dioxide production.^[6]

Carbonic anhydrase was initially isolated and characterised from red blood cells in 1933, with simultaneous reports by Meldrum and Roughton (at Cambridge University in the United Kingdom) and by Stadie and O’Brien (at the University of Pennsylvania in the United States),^[7][8] both while searching for a "catalytic factor... necessary for rapid transit of the HCO₃⁻ [bicarbonate anion] from the erythrocyte to... pulmonary capillar[ies]".^[9]

酵素は、生物体内で触媒として働き、化学反応を加速させる物質です。^{[ 12 ]}炭酸脱水酵素は、赤血球、胃粘膜、膵臓細胞、さらには腎尿細管にも存在する重要な酵素です。1932年に発見され、3つの一般的なクラスに分類されています。^{[ 13 ]}クラス1は哺乳類に存在するα炭酸脱水酵素、クラス2は細菌や植物に存在するβ炭酸脱水酵素、そして最後にクラス3は温泉のメタン生成細菌に存在するγ炭酸脱水酵素です。^{[ 14 ]}炭酸脱水酵素の3つのクラスはすべて、Zn金属中心を持つ同じ活性部位を持っていますが、構造的には互いに類似していません。ヒトにおける炭酸脱水酵素の主な役割は、二酸化炭素を炭酸に変換し、再び二酸化炭素に戻す反応を触媒することです。しかし、炭酸脱水酵素は血液中の_{二酸化炭素の}輸送を助け、ひいては呼吸を促進する働きもします。さらに、胃による塩酸の生成にも関与します。したがって、炭酸脱水酵素の役割は、体内のどこに存在するかによって異なります。

私たちの組織における炭酸脱水酵素による触媒作用を示す反応は

CO₂ + H₂O _⟶ H_​2 CO₃ ⟶ H⁺+HCO ⁻ ₃

肺における炭酸脱水酵素による触媒作用は、

H ⁺ + HCO ⁻ ₃ ⟶ H₂ CO₃ ⟶_CO₂+_H₂O​

組織と肺で反応の方向が逆になる理由は、それぞれのpH値が異なるためです。炭酸脱水酵素触媒がない場合、反応は遅くなりますが、触媒があると反応速度は10⁷^倍速くなります。

炭酸脱水酵素によって触媒される反応は

HCO ⁻ ₃ + H ⁺ ⇌ CO ₂ + H ₂ O

炭酸のpKaは約6.36（値は条件によって異なる）で_{あるため、pH7では重炭酸イオンのごく一部がプロトン化される。}

炭酸脱水酵素は最も速い酵素の1つであり、その速度は通常、基質の拡散速度によって制限されます。この酵素のさまざまな形態の典型的な触媒速度は、1秒あたり^10⁴～^10⁶反応の範囲です。^{[ 15 ]}

触媒を用いない逆反応は比較的遅い（反応速度は15秒程度）。そのため、炭酸飲料は容器を開けてもすぐにガスが抜けるわけではないが、唾液に含まれる炭酸脱水酵素と接触すると口の中で急速にガスが抜ける。^{[ 16 ]}

脱水酵素とは、化合物から水分子を除去する反応を触媒する酵素と定義され、炭酸脱水酵素という名前は、炭酸から水分子を除去するこの「逆」反応に由来する。

肺の中では、炭酸脱水酵素が重炭酸イオンを二酸化炭素に変換し、呼気として排出する。

CO2輸送_​

二酸化炭素は血液中で3つの形態で運ばれる。

1. 血漿中にガスとして溶解 – 7～10%
2. 赤血球中のヘモグロビンにカルバミノヘモグロビンとして結合している – 20%
3. 血漿中に重炭酸イオンとして存在し、重炭酸イオンとして輸送される - 70% ^{[ 17 ]}

酵素中の亜鉛補欠分子族は、ヒスチジン側鎖によって3つの位置で配位されている。4番目の配位位置は水によって占められている。4番目のヒスチジンは水配位子に近く、CO ₂と結合して炭酸水素亜鉛を生成する Zn-OH 中心の形成を促進する。^{[ 18 ]}この構造は、一般酸-一般塩基触媒作用の例である（「酸触媒作用」の記事を参照）。活性部位には二酸化炭素に適したポケットもあり、二酸化炭素を水酸化物基に近づける。実施された速度論的研究により、酵素の次のメカニズムが決定された。ステップ 1 および 2 では、 Zn ²⁺に配位した水酸化物イオン上の求核剤 O ^{− が}、CO ₂分子上の部分的に求電子性の炭素に対して求核攻撃を行う。ここで、Zn ²⁺はルイス酸として働き、配位した OH ₂リガンドのpK _{a をT d}として約 7-8 から 6.8 まで下げ、水が脱プロトン化されて水酸化物イオンになり、遊離プロトンは周囲の緩衝液によって中和されます。ステップ 3) では、OH ⁻¹から活性部位のZn ⁺²原子に配位したCO ₃ ⁻²の非配位 O ^{−にプロトン移動 (H +} ) が起こります。次に、重炭酸イオンが放出され、重炭酸イオンと交換に別の水分子が結合することで触媒部位が再生されます。ステップ 4) では、配位した水リガンドが Zn ⁺²によって脱プロトン化されて別の水酸化物イオンが生成され、サイクルが再び始まります。^{[ 19 ] [ 20 ]}

少なくとも5つの異なるCAファミリー（α、β、γ、δ、ζ）が認識されている。これらのファミリーはアミノ酸配列に有意な類似性はなく、ほとんどの場合、収斂進化の例と考えられている。α -CAはヒトに見られる。

α-CA

脊椎動物、藻類、植物、菌類などの真核生物、および一部の細菌は、このCAファミリーを含んでいる。

哺乳類に見られる炭酸脱水酵素は、大きく4つのサブグループに分けられ、それぞれがさらにいくつかの相同遺伝子群から構成されている。

• 細胞質CA（CA-I、CA-II、CA-III、CA-VII、CA XIII）（CA1、CA2、CA3、CA7、CA13）
• ミトコンドリアCA（CA-VAおよびCA-VB）（CA5A、CA5B）
• 分泌型CA（CA-VI）（CA6）
• 膜結合型CA（CA-IV、CA-IX、CA-XII、CA-XIV、CA-XV）（CA4、CA9、CA12、CA14）

機能が不明な、さらに３つの「非触媒性」ヒト炭酸脱水酵素アイソフォーム（ CA-VIII、CA-X、CA-XI）（CA8、CA10、CA11 ）が存在する。 ^{[ 21 ]}

1. ↑マウスCA XVを除く。
2. ↑この表のアセタゾラミド。

炭酸脱水酵素には自然界にいくつかの形態が存在する。動物に存在する最もよく研​​究されているα-炭酸脱水酵素の形態では、亜鉛イオンは3つのヒスチジン残基、His94、His96、およびHis119のイミダゾール環によって配位されている。 ^{[ 32 ]}

動物におけるこの酵素の主な機能は、二酸化炭素と重炭酸塩を相互変換して血液やその他の組織の酸塩基平衡を維持すること、そして組織から二酸化炭素を輸送するのを助けることである。

哺乳類には少なくとも14種類の異なるアイソフォームが存在する。植物にはβ-炭酸脱水酵素と呼ばれる別の形態があり、これは進化の観点からは異なる酵素であるが、同じ反応に関与し、活性部位に亜鉛イオンを使用する。植物では、炭酸脱水酵素は葉緑体内の_CO2濃度を高め、酵素RuBisCOのカルボキシル化速度を増加させる。これは光合成中に_CO2を有機炭素糖に組み込む反応であり、炭酸や重炭酸塩ではなく、CO2型の炭素_のみを利用できる。

海洋珪藻類は、ζ炭酸脱水酵素の新しい形態を発現することがわかっています。多くの海洋生態系に共通する植物プランクトンの一種であるThalassiosira weissflogiiは、亜鉛の代わりにカドミウムイオンを含む炭酸脱水酵素を持っていることがわかりました。 ^{[ 33 ]}以前は、カドミウムは生物学的機能を持たない有毒金属であると考えられていました。しかし、この植物プランクトン種は、亜鉛が不足しているときにカドミウムを使用することで、海洋中の亜鉛の低濃度に適応したようです。^{[ 34 ]}海水中のカドミウム濃度も低い（約1×10⁻¹⁶モル）ものの^、その時点でより利用可能な金属に応じてどちらの金属も使用できることは環境的に有利です。したがって、このタイプの炭酸脱水酵素は可変性であり、活性部位の金属を他の金属（つまり、亜鉛とカドミウム）と交換することができます。^{[ 35 ]}

炭酸脱水酵素は原理的には二酸化炭素回収 に有効であることが証明される可能性がある。一部の炭酸脱水酵素は107 ℃までの温度と極端なアルカリ性（pH > 10）に耐えることができる。 ^{[ 38 ]} _{12～13モル％のCO2}を含む排ガス流でより安定したCAを用いたパイロットランでは、60時間で63.6％の回収率が得られ、酵素の性能に目立った影響はなかった。CAはN-メチルジエタノールアミン（MDEA）溶液に入れられ、発電所の排ガス流と液気接触器内の液相との間の_{CO2の濃度差（駆動力）を増加させる役割を果たした。} ^{[ 38 ]}

• 炭酸脱水酵素阻害剤

• UniProt : P00918 (ヒト炭酸脱水酵素2)のPDBで利用可能なすべての構造情報の概要( PDBe-KB ) 。