结构生物化学/酶催化机制/碳酸酐酶
碳酸酐酶，或碳酸脱水酶，是一种快速催化二氧化碳转化为质子和碳酸氢根离子 (HCO3-) 的酶。在没有该酶催化剂的情况下，这个反应相当缓慢，因为与酶的反应通常每秒发生一万到一百万次 (10^4-10^6)。该酶结合的活性位点包含一个锌离子 (Zn2+)，通过它降低了 pKa，并允许对二氧化碳基团进行亲核攻击。在人体中，这种反应机制对于维持 pH 平衡以及将二氧化碳从组织运输到肺部至关重要。二氧化碳水合需要缓冲液，因为我们之前提到的缓冲液可以充当酸或碱，在这种情况下，缓冲液有助于酶达到其最高的催化速率。在某些情况下，碳酸酐酶的活性位点无法接近大体积的缓冲液，从而干扰了有效的质子转移。作为回应，碳酸酐酶 II 发展了一个质子穿梭系统，由一个组氨酸残基组成，它从结合的水分子中去除一个 H+，使其亲核性更强，然后将质子转移到蛋白质的边缘（允许缓冲液轻松去除它）。因此，该反应同时利用了 酸碱催化 和 金属离子催化 策略。
在碳酸酐酶以及所有生物系统中，锌原子都处于 +2 状态。锌与四个配体结合，其三个配位点被三个组氨酸残基的咪唑环占据，第四个配位点被一个水分子占据。该活性位点位于酶中心附近的一个裂缝中。
碳酸酐酶是一种催化酶，专门加速二氧化碳 (CO2) 和水 (H2O) 生成碳酸。
H2O + CO2 ⇌ H2CO3
需要注意的是，碳酸酐酶不会改变反应的平衡，而是帮助平衡更快达到，从而使其产物具有较高的速度产量。H2CO3 在血液中解离，这会产生以下平衡：
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-
已知碳酸酐酶每秒可以催化一百万个反应。还要注意，碳酸很容易解离成 H+ 和碳酸氢根离子，因为它是一种更不稳定的化合物。
pH 以 S 型方式影响碳酸酐酶。pH 越高，酶的活性越强（因为它处于最佳的去质子化条件下）。
1) 锌的结合将水的 pKa 从 15.7 降至 7，生成一个氢氧根离子 (OH-) 来攻击二氧化碳。锌从水分子中释放出一个质子以生成该氢氧根离子。由于 pKa 的降低，pH 值降低。根据勒夏特列原理，这会推动反应向去质子化方向进行。此外，这种 pH 变化会导致人类阳具失活。
2) 二氧化碳底物与酶的活性位点结合，并处于最佳相互作用的位置。
3) 氢氧根离子（是一种极好的亲核试剂）攻击二氧化碳的羰基，通过亲核攻击将其转化为碳酸氢根离子。二氧化碳分子上的氧在转化过程中与锌金属形成中间键。
4) 酶再生，碳酸氢根离子释放。酶已准备好进行另一个反应。这种酶的再生能力使其能够高效且快速地处理血液细胞中的二氧化碳。
锌在碳酸酐酶中的作用是促进水生成一个质子 H+ 和一个亲核氢氧根离子。亲核水分子攻击二氧化碳的羰基，将其转化为碳酸氢根。这是通过锌离子所带的 +2 电荷实现的，它吸引水中的氧，使水去质子化，从而将其转化为更好的亲核试剂，以便新形成的羟基离子可以攻击二氧化碳。
水会自然去质子化，但这个过程相当缓慢，而且产生的量不多。锌通过为氢氧根离子提供正电荷来使水去质子化。锌单独无法以足够快的速度使水去质子化以达到每秒 106 次的测量速率，但是质子会暂时捐献给周围的氨基酸残基，这些残基之后会将质子传递给环境，同时允许反应继续进行，不会减缓该过程。金属离子很好，因为它会增加化学物质的反应性，并且可以形成牢固的键。锌能够通过降低水的 pKa 来帮助水去质子化。水与锌的结合将水的 pKa 从大约 15.7 降至 7。这意味着现在有更多的水分子能够在比正常情况下更低的 pH 值下发生去质子化，这使得水更容易转化为氢氧根离子，而氢氧根离子是更好的亲核试剂。
当组织中的二氧化碳扩散到人体红血球中时，可以使用碳酸酐酶。二氧化碳 (CO2) 与水反应形成碳酸。通常情况下，这个反应是由碳酸酐酶催化的。
CO2 --进入红血球---> CO2 + H2O ---由碳酸酐酶催化--> H2CO3
降低碳酸酐酶活性的一个例子是在治疗青光眼、神经系统疾病和溃疡的一类药物中发现的。有不同类型，包括甲磺酰胺和布林佐胺。这些药物的作用机制因类型而异，但它们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.