炭酸脱水酵素

炭酸脱水酵素（CA）は、亜鉛を含むメタロ酵素です。これまでに、少なくとも8つのアイソザイムが哺乳類で発見されています。それらの構造、分布、特性は異なり、さまざまな上皮細胞からのH⁺および重炭酸塩の分泌に関連しています。炭酸脱水酵素はCO₂の水和反応やいくつかの脂質およびアルデヒドの水和反応を触媒し、生物の恒常性を維持するためにさまざまなイオン交換に関与しています。

分布

CAは広く分布しています。CAIおよびCAIIは赤血球から初めて分離されました。CAIIIは骨格筋の細胞質で初めて発見され、すべての人間で29kDです。膜に関連したCAIVは子牛の肺、人間の腎臓、ラットの肺から精製されました。CAIV（29kD）はミトコンドリアに存在し、唾液腺から精製されたCAVI（42kD）は分泌酵素です。

最近、唾液腺および小脳のプルキンエ細胞で発見された新しいCA関連遺伝子CAVIIIも細胞質内酵素です。消化管、腎臓の遠位尿細管および集合管、副腎の球状細胞、精巣上体の始まりの狭窄細胞、遠位頭部および近位尾部の上皮細胞、速筋収縮の骨格筋細胞、脳の脈絡叢の上皮細胞、髄質のリン脂質を生成する細胞および眼の毛様体突起、角膜および網膜細胞にはすべてCAIIがあります。CAIVも消化管、腎臓の遠位尿細管、上行枝の上皮細胞の上部および側面の細胞膜表面、精管およびその膨大部の上皮微絨毛、上部細胞膜、皮下平滑筋層、脳の毛細血管上皮細胞表面、心筋、眼の毛細血管床、脈絡膜血管層、骨格筋、肝臓、涙腺などに分布しています。

分子構造

CAI、II、IIIの活性中心には亜鉛原子がありますが、CAI、IIは単量体の形で存在し、CAIIIは二硫化物結合した二量体の形で存在します。人間のCAIおよびCAIIの三次元構造は、X線結晶解析を用いてほぼ同一です。2つのCAIおよびCAIIのアミノ酸配列は約60%の相同性があります。CAIVは260個のアミノ酸を持ち、ホスファチジルイノシトールグリセロール結合を介して細胞膜に固定されています。SDS解離に対して耐性があり、細胞質CAと30%から36%の相同性を持っています。その構造は異なる種で異なります。ヒトの肺CAIV（36 kD）はN結合オリゴ糖鎖を欠いていますが、マウスの肺CAIV（39 kD）および他の哺乳類はほとんどがその鎖を持っています。CAVIは再結合に存在する2つのオリゴ糖鎖を持っています。

生物学的機能

CO₂の水和プロセスに参加します：CAIIはCO₂の水和反応を可逆的に触媒します。具体的なプロセスはCO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃^- + H⁺です。ヒトの血液中のCAIIの構造的精度は1.54 x 10^-10 mまで決定でき、触媒活性構造Znがその底部の1.5 x 10^-10 mの深さの亀裂に位置していることを示すことができます。Znは、ヒスチジン残基のイミダゾール側鎖にある3つの窒素原子とともに四価金属を含む多面体を形成し、CAの触媒活性核酸群OH^-の酸素原子と結合します。活性領域には重要な極性残基T199があり、Znに結合した水酸化物から水素結合を受け入れることができ、E106に水素結合を提供することもできます。H64の役割は、Znに結合した水を水酸化物に変換するプロトン「シャトル」を提供することです。Znに結合したOH^-の隣接領域には、CO₂基質の前触媒結合領域と推定される疎水性の空洞があり、ここにはCO₂の水和反応の唯一の競合阻害剤も結合することができます。

ホスファターゼ活性：CAIIIはニトロフェニル基で測定したときにホスファターゼ活性を持っています。哺乳類では、CAIIIはグルタチオン化されることがあり、すなわち、グルタチオンの2つのシステインが二硫化物結合によって結合して二硫化物を形成し、このプロセスは可逆的です。Cys186がこのプロセスに関与すると、CAIIIはホスファターゼ活性を持ちます。Cys181がこのプロセスに関与すると、CAIIIはホスファターゼ活性を失います。グルタチオン化プロセスはCAIIIのホスファターゼ活性を活性化します。酸化ストレス下では、グルタチオン化が強化され、CA IIIのホスファターゼ活性が増加し、細胞信号伝達において役割を果たします。

活性調節

図1. CAIの触媒、阻害、および活性化メカニズム。（Supuran C.T. 2016）

CAの主な阻害剤はスルホンアミドです。DDTなどの界面活性剤がCAを阻害する効果は、グループの解離促進に関連している可能性があります。異なるCAはスルホンアミド阻害剤に対して異なる感受性を持っています。CAIIの198部位変異体と阻害剤の結合能力が調査されました。198残基の側鎖の電荷、疎水性、および薬物親和性がCAII I198のフェニルアラニン側鎖に関連していることがわかりました。プラグパックのフェニル基は疎水性の「袋」を形成し、触媒活性が低く、感受性も低くなります。さらに、界面活性剤は高濃度のCAでポリマーの形成を阻害し、CAの再折りたたみタンパク質の形成に対するポリマーの競合阻害を減少させ、タンパク質の再折りたたみの開始段階を促進し、最終的にCA活性濃度の範囲を拡大します。

エストラジオールE2がCAに一定の影響を与えることが示されており、その影響は組織によって異なります：ラットの十二指腸粘膜のCAはE2の影響下で活性が低下することができますが、ラットの腎臓CAはE2の下で低下傾向があったものの、有意差はありませんでした。また、去勢ラットの前立腺のCAIIタンパク質およびmRNAのレベルが低下し、背側が逆転することがわかりました。この変化はテストステロン治療後に可逆的であり、治療後の側面の変化と逆転し、背側には影響を与えませんでした。去勢されていないラットの治療では、背側のCAIのレベルが増加し、側面のCAIIは変化しませんでした。炭酸脱水酵素の基本構造、一般的な分布、および基本的な生理機能は1960年代にはすでに認識されていました。分子生物学的技術とともに、最近の研究の広範な応用は、CAの構造と機能の関係の探求に焦点を当てています。そして、CAの構造、機能、および分布の理解はさらに具体化されるでしょう。

臨床応用

CAは毛様体上皮細胞においてCO₂とH₂OからHCO₃^-を生成する触媒であり、腔膜を通じて房水に分泌されます。房水中の液体は電気的に中性に保たれているため、房水へのNa⁺の分泌が増加し、Cl^-が房水に移動し、高い房水浸透圧の形成を促進し、その後H₂Oが房水に流れることを促進します。緑内障患者は、房水の戻りが悪いために眼圧が上昇します。CA阻害剤（CAIs）はCAの活性を阻害し、HCO₃^-の生成を減少させ、眼圧を低下させ、臨床的に緑内障の治療および眼圧の低下に使用されます。緑内障治療薬としてのCAIsは、その開発過程と薬理効果に応じて、第一世代の経口CAIs、第二世代の局所CAIs、第三世代の長期非刺激性局所CAIsに分けられます。

参考文献