9.2碳酸脱水酶使快速反应的速度更快 CO2是有氧代谢的最终产物。哺乳动物的CO2释放到血液并被运输到肺呼出。在红细胞 内CO2与水反应生成碳酸(7.3节)。反应产物是中等强度的酸（即碳酸），其pKa值是3.5， 能释放一个质子解离成碳酸氢根(HCO3)。 0 +H20 k-1 HO HO Carbonic Bicarbonate 即使没有催化剂，CO2的水合速度也很快。在37℃，中性pH条件下，二级反应的速度 常数k1是0.0027Msl。因为水分子浓度是55.5M,因此该反应的速度常数相当于一级反应 速度常数k1=0.15s。而碳酸脱水生成CO2的逆反应速度更快(k1=50s)。相应的平衡常 数K1=5.4x10-5,即[C02]与HC0]在平衡时的浓度比达到340：1。 CO2水合和HCO,脱水常常与快速过程（尤其是运输过程）偶联。因此几乎所有生物都 有碳酸脱水酶。碳酸脱水酶能够将反应速度增加到自动反应的合理速度之上。例如当血液 流过肺，碳酸脱水酶将HCO3脱水生成CO2。相反，碳酸脱水酶能够将CO2水合生成HCO3, 产生眼泪或其它分泌液。而且HCO3和CO2是不同酶促反应的产物或底物。快速转化HCO3 和CO上才能保证这些分子处于合适的浓度水平。这些酶促反应非常重要。碳酸脱水酶突变 会导致骨质硬化(osteopetrosis)(密度过高，伴随贫血)和精神障碍。 碳酸脱水酶能加速CO2水合生成HCO3。活性最高的碳酸脱水酶水合CO2的速度达到 kct=10°sl,即一个酶分子每秒能转化100万分子。基本的物理过程如扩散和质子转移达 不到这么高的水合速率，因此酶促反应必需采用特别的策略获得如此巨大的（prodigious) 速度。 碳酸脱水酶含有催化活性必需的锌离子 在发现碳酸脱水酶(1932年)10年后，人们发现这个酶有锌离子。而且证实锌离子是 酶活性必需的。这是第一例含锌离子的酶。在当时是个重大发现。现在我们知道，生物体 有很多含锌的酶。实际上生物体内超过13的酶要么含有金属离子，要么利用金属离子作为 辅助因子。金属离子有几个性质增加反应活性：带正电荷：能形成相对强但相当活泼的化 学键：有时金属离子有多种氧化状态。金属离子的化学反应性质提供了进化过程中很多酶 利用金属离子进行催化的理由。 X射线晶体学研究提供了碳酸脱水酶的锌离子的详细而又直接的信息。人类基因组至少 有7种碳酸脱水酶（每种酶都有自身基因）。这些碳酸脱水酶序列一致性明显，是同源酶。 碳酸脱水酶Ⅱ是红细胞的主要成分，是研究得最深入（图9,22)，也是活性最高的碳酸脱水 酶之一。 图922人碳酸脱水酶Ⅱ及其锌离子位点的结构。（左边）锌离子与碳酸脱水酶Ⅱ的三个组 氨酸残基和一个水分子结合。（右边）锌离子处于酶分子中心区附近的裂缝内。9.2 碳酸脱水酶使快速反应的速度更快 CO2是有氧代谢的最终产物。哺乳动物的 CO2释放到血液并被运输到肺呼出。在红细胞 内 CO2与水反应生成碳酸（7.3 节）。反应产物是中等强度的酸（即碳酸），其 pKa 值是 3.5， 能释放一个质子解离成碳酸氢根（HCO3）。 即使没有催化剂，CO2的水合速度也很快。在 37℃，中性 pH 条件下，二级反应的速度 常数 k1是 0.0027M s -1。因为水分子浓度是 55.5 M，因此该反应的速度常数相当于一级反应 速度常数 k1 =0.15 s -1。而碳酸脱水生成 CO2的逆反应速度更快（k-1 = 50 s -1）。相应的平衡常 数 K1 = 5.4 x 10-5，即[CO2]与[H2CO3]在平衡时的浓度比达到 340 : 1。 CO2水合和 HCO3脱水常常与快速过程（尤其是运输过程）偶联。因此几乎所有生物都 有碳酸脱水酶。碳酸脱水酶能够将反应速度增加到自动反应的合理速度之上。例如当血液 流过肺，碳酸脱水酶将 HCO3脱水生成 CO2。相反，碳酸脱水酶能够将 CO2水合生成 HCO3， 产生眼泪或其它分泌液。而且 HCO3和 CO2是不同酶促反应的产物或底物。快速转化 HCO3 和 CO2才能保证这些分子处于合适的浓度水平。这些酶促反应非常重要。碳酸脱水酶突变 会导致骨质硬化（osteopetrosis）(密度过高，伴随贫血)和精神障碍。 碳酸脱水酶能加速 CO2水合生成 HCO3。活性最高的碳酸脱水酶水合 CO2的速度达到 kcat = 10 6 s -1，即一个酶分子每秒能转化 100 万分子。基本的物理过程如扩散和质子转移达 不到这么高的水合速率，因此酶促反应必需采用特别的策略获得如此巨大的（prodigious） 速度。 碳酸脱水酶含有催化活性必需的锌离子 在发现碳酸脱水酶（1932 年）10 年后，人们发现这个酶有锌离子。而且证实锌离子是 酶活性必需的。这是第一例含锌离子的酶。在当时是个重大发现。现在我们知道，生物体 有很多含锌的酶。实际上生物体内超过 1/3 的酶要么含有金属离子，要么利用金属离子作为 辅助因子。金属离子有几个性质增加反应活性：带正电荷；能形成相对强但相当活泼的化 学键；有时金属离子有多种氧化状态。金属离子的化学反应性质提供了进化过程中很多酶 利用金属离子进行催化的理由。 x-射线晶体学研究提供了碳酸脱水酶的锌离子的详细而又直接的信息。人类基因组至少 有 7 种碳酸脱水酶（每种酶都有自身基因）。这些碳酸脱水酶序列一致性明显，是同源酶。 碳酸脱水酶 II 是红细胞的主要成分，是研究得最深入（图 9.22），也是活性最高的碳酸脱水 酶之一。 图 9.22 人碳酸脱水酶 II 及其锌离子位点的结构。（左边）锌离子与碳酸脱水酶 II 的三个组 氨酸残基和一个水分子结合。（右边）锌离子处于酶分子中心区附近的裂缝内