备课素材：碳酸酐酶及其作用-2024-2025学年高二上学期生物人教版选择性必修1.docxVIP

碳酸酐酶及其作用

2020版高中生物学选择性必修1教材P6“思考·讨论”及其答案：?人教版教师教学用书所给答案：根据上述教师教学用书答案，碳酸酐酶的作用是催化的碳酸解离。

那么，碳酸酐酶在二氧化碳与水生成碳酸的过程中是否也发挥作用？

碳酸酐酶(CarbonicAnhydrase，CA)是一种含锌金属酶，迄今在哺乳动物体内已发现至少有11种同工酶，它们的结构、分布、性质各异，多与各种上皮细胞泌H-和碳酸氢盐有关，通过催化CO2水化反应及某些脂、醛类水化反应，参与多种离子交换，维持机体内环境稳态。

CA分布广泛。CAⅠ、Ⅱ从红细胞首次分离得到。CAⅢ最早发现于骨骼肌细胞浆，三者在人类都是29kD的胞浆内酶；膜相关酶CAⅣ已于小牛肺、人肾、大鼠肺中纯化出来；CAⅣ(29kD)发现于线粒体；由Murakmi于1987年从唾液腺中纯化的CAⅥ(42kD)为分泌型酶；近期在唾液腺及小脑浦肯野氏细胞中发现的新CA相关基因CAⅧ亦为胞浆内酶。胃肠道、肾远曲小管和集台管、肾上腺球状带细胞、附睾起始段狭窄细胞、远侧头体部和近侧尾部上皮细胞、快收缩骨骼肌细胞、脑脉络丛上皮细胞、髓磷脂形成细胞及眼部睫状突、角膜、视网膜细胞内都有CAⅡ；CAⅣ还分布于胃肠道、肾远曲小管和髓袢升支粗段上皮细胞顶质膜、基侧质膜表面、附睾、输精管及其壶腹部的上皮微绒毛、顶质膜、皮下平滑肌层、脑毛细血管上皮细胞腔面、心肌、眼部分毛细血管床、脉络膜血管层以及骨骼肌、肝、泪腺等处。

CAⅠ、Ⅱ在结构上都有一含锌单体，但CAⅠ、Ⅱ以单体形式存在，而CAⅡ以二硫键相连的二聚体形式存在人类CAⅠ和CAⅡ的三维结构用x线晶体衍射图测试几乎相同。二者氨基酸序列约有60%同源。CAⅣ有260个氨基酸，通过磷酯酰肌醇甘油键锚于质膜；可抗SDS解离作用，与胞浆内CA有30～36%同源性，其结构随不同种属而有差异，人肺的CAⅣ(36kD)缺少N-连接的寡糖链，而鼠肺CAⅣ(39kD)及其它哺乳动物多数具有此链。CAⅥ则带有两条复台存在的寡糖链。

主要功能

1.在血液及其他组织中维持酸碱平衡。

2.帮助体内组织排除二氧化碳。

3.确保以CO2和HCO3-为催化底物的酶保持适度的底物浓度。

4.在植物体内，CA可以帮助提高叶绿体内CO2的浓度，从而增加二磷酸核酮糖羧化酶的羧化率。

5.产甲烷菌中，CA则参与醋酸盐的分解代谢。

碳酸酐酶作用机理:

碳酸酐酶的催化反应可以分为两个步骤：C02的水合和碳酸的解离。首先，在CO2的水合步骤中，碳酸酐酶催化C02和水的结合，生成碳酸的中间产物。然后，在碳酸的解离步骤中，碳酸酐酶催化碳酸的解离，使其分解为质子(H+)和碳酸根离子(HCO3-)。这两个步骤共同完成了CO2和水之间的转化反应。

?碳酸酐酶的催化反应机理主要通过两种方式实现：质子传递和亲核攻击。在CO2的水合步骤中，碳酸酐酶的活性位点中存在一个催化三联体(catalytictriad),由一个质子接受者(histidine)、一个质子给予者(histidine)和一个亲核攻击剂(zincion)组成。质子传递过程中，质子给予者从水中获得质子，并将其传递给CO2,形成碳酸的中间产物。亲核攻击过程中，亲核攻击剂中的锌离子吸引C02的电子云，使其更易受到质子的攻击，从而促进CO2的水合反应。

?在碳酸的解离步骤中，碳酸酐酶的活性位点中的质子给予者将质子传递给碳酸，使其解离为质子和碳酸根离子。质子的传递过程中，质子给予者从水中获得质子，并将其传递给碳酸。这一过程中，碳酸酐酶的活性位点中的催化三联体起到了关键作用。

?碳酸酐酶的催化反应机理是一个高度协调的过程，其中各个步骤相互配合，共同完成CO2和水之间的转化。碳酸酐酶通过调节CO2和水的相互转化反应，参与了生物体内的酸碱平衡调节、呼吸调节、碳酸盐代谢调节等多种生理过程。同时，碳酸酐酶还在医学领域具有重要的应用价值，可以用于治疗癌症、青光眼等疾病。

碳酸酐酶在人体内的作用:

碳酸酐酶（CarbonicAnhydrase，简称CA）是一种含锌的金属酶，在人体内具有多种重要作用，主要包括以下几个方面：

1.维持体内的酸碱平衡：碳酸酐酶参与肾小管中的碳酸氢的重吸收过程，通过调节碳酸氢的浓度来维持体内的酸碱平衡。当体内酸碱平衡被破坏时，碳酸酐酶可以帮助身体迅速调整。

2.帮助身体组织排出二氧化碳：碳酸酐酶在肺部发挥作用，可以帮助身体组织将二氧化碳从血液中排出，使血液中的二氧化碳浓度维持在正常范围内。

3.降低眼内压：碳酸酐酶在房水代谢中有重要作用，可以降低眼内压，对于眼内压过高引起的不适有缓解作用。

4.治疗眼部水肿：眼部水肿通常是眼部组织液过多引起的。碳酸酐酶可以促进眼部组织液的代谢，从而有助于治疗