炭酸脱水酵素の構造とメカニズム

炭酸脱水酵素（Ca;炭酸塩水力リアーゼ、EC 4.2.1.1）は、二酸化炭素の可逆的水分補給を触媒する亜鉛含有酵素です：CO2+H2O <-> HCO3（ - ）+H+。酵素は、緑内障の治療のためのアセタゾラミド、メタゾラミド、ジクロルフェナミドなどの薬物の標的です。3つの進化的に無関係なCAファミリー、指定されたアルファ、ベータ、およびガンマがあります。動物王国のすべての既知のCAはアルファタイプです。さまざまな組織分布と細胞内の位置を持つ7つの哺乳類Caアイソザイムがあります。ヒトCa IおよびII、ウシCa III、およびマウスCa Vの結晶構造が決定されています。それらはすべて同じ三次折り目を持ち、中央の10本鎖ベータシートが支配的な二次構造要素と同じです。亜鉛イオンは円錐形の空洞にあり、3つのヒスチジル残基と溶媒分子に調整されています。阻害剤は、GLU-106およびTHR-199を含む水素結合システムによって誘導された金属中心またはその近くで結合します。Ca IIの触媒メカニズムは、特に詳細に研究されています。これには、疎水性ポケットにゆるく結合したCO2分子への亜鉛結合OH-の攻撃が含まれます。得られた亜鉛調整HCO3イオンは、H2Oによって金属イオンから変位します。速度制限ステップは、亜鉛結合水分子からHis-64への分子内プロトン移動であり、これは反応媒体の金属中心と緩衝液分子の間のプロトンシャトルとして機能します。

Carbonic anhydrase (CA; carbonate hydro-lyase, EC 4.2.1.1) is a zinc-containing enzyme that catalyzes the reversible hydration of carbon dioxide: CO2+ H2O<-->HCO3(-)+H+. The enzyme is the target for drugs, such as acetazolamide, methazolamide, and dichlorphenamide, for the treatment of glaucoma. There are three evolutionarily unrelated CA families, designated alpha, beta, and gamma. All known CAs from the animal kingdom are of the alpha type. There are seven mammalian CA isozymes with different tissue distributions and intracellular locations, CA I-VII. Crystal structures of human CA I and II, bovine CA III, and murine CA V have been determined. All of them have the same tertiary fold, with a central 10-stranded beta-sheet as the dominating secondary structure element. The zinc ion is located in a cone-shaped cavity and coordinated to three histidyl residues and a solvent molecule. Inhibitors bind at or near the metal center guided by a hydrogen-bonded system comprising Glu-106 and Thr-199. The catalytic mechanism of CA II has been studied in particular detail. It involves an attack of zinc-bound OH- on a CO2 molecule loosely bound in a hydrophobic pocket. The resulting zinc-coordinated HCO3- ion is displaced from the metal ion by H2O. The rate-limiting step is an intramolecular proton transfer from the zinc-bound water molecule to His-64, which serves as a proton shuttle between the metal center and buffer molecules in the reaction medium.