全 文 ：第23卷 第5期
2011年5月
Vol. 23, No. 5
May, 2011
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2011)05-0429-05
碳酸酐酶III在疾病和肌肉疲劳发生发展中的作用
尚西亮1，鲍苑苑2，任惠民3，陈世益1*
(1 复旦大学附属华山医院运动医学科，上海 200040；2 复旦大学附属华山医院内
分泌科，上海 200040； 3 复旦大学神经病学研究所，上海 200040)
摘　要：碳酸酐酶 (carbonic anhydrases，CAs)是一种广泛存在的含锌的金属蛋白酶，能可逆性地高效催化
CO2的水合反应，参与调节胞内 pH值、离子运输和生物合成反应等多种生理过程。在哺乳动物体内已发
现 13种 CA同工酶和 3种 CA相关蛋白，其中 CAIII与其他 CA同工酶相比，在组织分布、分子结构和生
物学功能上均有其独特之处。CAIII表达异常可能与多种临床疾病的发生和发展有关，还可能参与了肌肉
疲劳的发生。
关键词：碳酸酐酶 III；生物学功能；疾病；肌肉疲劳
中图分类号：Q556 ；R363. 1+4 文献标志码：A
Effects of CAIII on the occurrence and development of
diseases and muscle fatigue
SHANG Xi-Liang1, BAO Yuan-Yuan2, REN Hui-Min3, CHEN Shi-Yi1*
(1 Department of Sports Medicine, Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China;
2 Department of Endocrinology, Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China;
3 Institute of Neurology, Fudan University, Shanghai 200040, China)
Abstract: Carbonic anhydrases (CAs) are zinc metalloenzymes that catalyze the reversible hydration of CO2 to
bicarbonate. They are major players in many physiological processes, including pH regulation and homeostasis, ion
transportation, biosynthetic reactions, etc. The CA family consists of 13 different CA isozymes and 3 different CA-
related proteins (CARP). Carbonic anhydrase III (CAIII) is one specific member of this family, which distinguished
from the other isozymes by tissue distribution, molecular structure and biological functions. In recent years, it has
been suggested that the changes of protein levels and activities of CAIII might be related with the occurrence and
development of many kinds of diseases and muscle fatigue.
Key words: carbonic anhydrase III; biological functions; diseases; muscle fatigue
收稿日期：2010-11-29； 修回日期：2011-01-09
基金项目：国家自然科学基金项目(30771044)；复旦
大学青年科学基金项目(09FQ66)
*通信作者：E-mail: cshiyi@163.com; Tel: 021-
52888255
碳酸酐酶 (carbonic anhydrases，CAs)是一种广
泛存在于不同细胞内的含锌的金属蛋白酶家族，它
能可逆性地高效催化 CO2的水合反应。至今在哺乳
动物体内已发现 13种 CA同工酶 (CA I、II、III、IV、
VA、VB、VI、VII、IX、XII、XIII、XIV、XV) 和
3 种 CA 相关蛋白 (carbonic anhydrase related protein,
CARP)，即 CARPVIII、CARPX、CARPXI。其中，
CA I~III、CAVII 和 CAXIII为胞浆可溶性蛋白，
CAIV、CAIX、CAXII、CAXIV 和 CAXV 为 胞 膜
相关蛋白，CAVA 和 CAVB存在于细胞线粒体中，
CAVI 为一种分泌型蛋白。13种 CA同工酶均具有
催化 CO2 水合生成碳酸氢根 (HCO3
-)的能力。因此，
与许多关键的生理病理过程有关，如连接代谢组织
和肺 CO2/ HCO3
-的呼吸和转运，维持胞内 pH值稳
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定和 CO2平衡，参与生物合成反应 (如糖异生、脂
肪形成和尿素生成等 )、骨吸收、钙化和肿瘤形成
等 [1]。3 种 CARP(CARPVIII、CARPX、CARPXI)
并不具有 CA活性，主要是由于它们与 CA的功能
域有较高的同源性而归入此家族。CAIII与其他 CA
同工酶相比，无论是在组织分布、分子结构还是生
物学功能上都有其独特之处。本文旨在概述 CAIII
的生物学功能及其与疾病和肌肉疲劳之间的关系等
方面的研究进展。
1　CAIII的组织分布及分子结构
CAIII是一种丰富的胞浆蛋白，主要存在于骨
骼肌、肝脏和脂肪细胞中，分别约占骨骼肌、肝脏
和脂肪细胞胞质可溶性蛋白的 10%、8%和 24%[2]，
其中骨骼肌 I型纤维 (慢收缩纤维 )含量较高 (约
占细胞湿重的 2%)，II型纤维 (快收缩纤维 )中则
含量很少 [3]。此外，CAIII也存在于输尿管平滑肌
细胞、红细胞、唾液腺、前列腺、肺、肾、结肠和
睾丸等组织和细胞中，但表达量非常低。在哺乳动
物中，CAIII 基因位于 8q22，它有 7 个外显子和 6
个内含子。在 CA 家族成员中，与 CAIII相对分子
质量最接近和氨基酸序列同源性最高的为 CAI和
CAII。CAI和 CAII与 CAIII分别有 55% 和 56% 的
同源性，并且三者的肽链均由 259 个氨基酸组成，
相对分子质量约为 29 k。在 CA活性中心存在一个
Zn原子，这对于 CA的催化活性来说是必需的，其
中 CAI和 CAII的 Zn原子以单体形式存在，而在
CAIII中则以二硫键相连的二聚体形式存在 [4]。
2　CAIII的生物学功能
这种含锌的金属蛋白酶家族之所以称为 CA，
是因为它能可逆性地催化 CO2的水合反应。CAIII
虽然与 CAII互为同工酶，在分子结构上亦有许多
相似之处，但它催化 CO2水合的活性仅为 CAII 的
0.3%[2]。尽管 CAIII的水化酶活性非常低，但由于
它在骨骼肌 I 型纤维中的含量非常高，如在大鼠比
目鱼肌中的浓度为 0.5 mmol/L，这足以保证它的水
化酶作用。CAIII除具有水化酶的作用外，还具有
酯酶和磷酸酶的生物活性 [5]。Cabiscol和 Levine[6]
研究发现，S-谷胱甘肽化作用能可逆性地调节
CAIII的磷酸酶活性，即如果 CAIII 肽链中的 Cys-
186 与谷胱甘肽间形成二硫键，它就具有磷酸酶活
性；但如果肽链中的 Cys-181 与谷胱甘肽间形成二
硫键，它则会失去磷酸酶活性。尽管如此，Kim 等 [7]
却认为 CAIII的磷酸酶活性并非它本身所有，而是
分离、纯化获得的 CAIII中混有一个污染的磷酸酶
成分所致。为明确 CAIII是否具有磷酸酶活性，黄
河和任惠民 [8]进行了深入研究，最终通过磷酸酶活
性染色、特异抑制剂实验和酶催化反应动力学研究
等证实了 CAIII具有确凿的磷酸酶功能。
3　CAIII与疾病
3.1　CAIII与骨骼肌损伤/心肌损伤
由于 CAIII在骨骼肌胞浆中含量非常丰富。因
此，当运动或创伤造成骨骼肌损伤时，它必然会溢
出，从而造成血清 CAIII水平升高。如 Lippi 等 [9]
在对 10名健康男性运动员进行了 21 km的跑步 (亚
最大强度有氧运动 )训练后，检测发现血清 CAIII
水平明显升高，约为运动前的 2.9倍。与骨骼肌相比，
心肌 CAIII含量很低，因此测定血清 CAIII和血清
肌酸激酶同工酶 (CKMB)可用于鉴别急性心肌梗死
(AMI)和骨骼肌损伤。如当 AMI时，血清 CAIII水
平正常，CKMB增高，CKMB/CAIII比值升高；而
骨骼肌损伤时，血清 CAIII和 CKMB均明显增高，
此时 CKMB/CAIII比值并不增高 [10]。
3.2　CAIII与肾脏疾病
广泛性近端小管 (proximal tubule, PT)功能障
碍，又称 Fanconi综合征 (肾脏多发性近端小管功
能障碍综合征 )。目前研究 Fanconi综合征较好的模
型为 Clcn5基因敲除 (Clcn5Y/-)小鼠模型。Gailly
等 [11]研究发现，CAIII仅在正常肾脏外皮层 PT细
胞中呈低表达，但在 Clcn5Y/-小鼠肾脏中 CAIII表
达阳性 PT细胞数量增加了大约 4倍，并在 Clcn5Y/-
小鼠和 Dent 病 (又称伴肾钙化和肾结石的肾脏
Fanconi综合征，是一种染色体病，由 ClC-5基因
突变所致 )患者尿液中均检测到了 CAIII；进一步
研究发现，正常肾脏 CAIII mRNA 的表达水平约为
CAII 的 1/5，而在 Clcn5Y/-小鼠肾脏内 CAIII mRNA
的表达水平则明显升高，约为正常水平的 5~6倍，
CAII mRNA 的表达水平无明显变化。此外，作者
在体外研究中还发现，当将 PT细胞暴露于 H2O2中
时，细胞 CAIII表达水平明显增高；由于 CAIII具
有抗氧化的作用，可保护细胞免于氧化应激造成的
损伤 [3]。因此，作者推测 CAIII可能在此过程中发
挥了自由基清除剂的作用。鉴于 Clcn5Y/-小鼠肾脏
主要表现为较高的细胞增殖状态和氧化应激状
尚西亮，等：碳酸酐酶III在疾病和肌肉疲劳发生发展中的作用第5期 431
态 [12]，结合体外实验的结果，作者认为 CAIII可能
在 ClC-5缺陷小鼠肾脏避免遭受氧化应激损伤中发
挥了重要的作用 [11]。
3.3　CAIII与类风湿性关节炎
类风湿性关节炎 (RA)被认为是与免疫相关的
疾病，检测血清是否存在自身抗体可用于预测和早
期诊断 RA 的发病情况，以便尽早应用抗风湿药物
进行治疗，降低关节的损害程度。然而，到目前为止，
已知的与 RA有关的血清自身抗体仅在 50%~60%
的 RA患者的起病阶段呈阳性 [13-14]。近来，Robert-
Pachot 等 [15]采用免疫印迹法，用 13名早期 RA患
者和 10名正常人血清检测另外 2名 RA患者切除
的滑膜组织中是否存在与血清 IgG有应答反应的蛋
白质时发现，6名患者血清可与滑膜中异常表达的
CAIII发生免疫反应，表明部分患者血清中存在抗
CAIII的自身抗体，而正常人血清中则未见有能与
CAIII反应的自身抗体存在。作者推测原因可能有
两个方面，一是由于 RA患者滑膜组织过度破坏，
导致大量 CAIII释放入血，诱导产生抗 CAIII自身
抗体；二是由于滑膜组织中表达的 CAIII发生异常
氧化修饰，增加了 CAIII的免疫原性，刺激产生了
抗 CAIII的自身抗体。然而，其确切机制目前尚不
清楚，血清 CAIII自身抗体检测对于诊断 RA的敏
感性和特异性也有待于深入评价。
3.4　CAIII与血液系统疾病
在红细胞内，可分离出 3种 CAs(CAI、CAII
和 CAIII)，CAIII在红细胞内的浓度低于 CAI 和
CAII，其功能主要为清除氧自由基，具有抗氧化的
作用 [16]。研究发现，某些生理、病理因素可影响红
细胞 CAIII水平，如在缺铁性贫血时，其 CAIII水
平明显低于正常人，而在地中海性贫血时则比正常
人高 1.8倍 [16]，以上变化的原因目前尚不清楚。
3.5　CAIII与肿瘤
长期以来，有关 CAs 与肿瘤之间关系的报道
很少。近来，Dai 等 [17]的研究发现，转 CAIII基因
SK-Hep1肝癌细胞过表达 CAIII可导致细胞的过度
增殖和侵袭力增加，而 siRNA沉默 CAIII表达则可
降低 SK-Hep1细胞的侵袭能力；进一步研究发现，
转 CAIII基因 SK-Hep1细胞培养基 pH值明显低于
对照组，且细胞磷酸化 FAK(focal adhesion kinase)
及其下游产物磷酸化 Src和磷酸化 Rac-1蛋白水平
明显升高，而 siRNA沉默转基因细胞 FAK表达则
可降低 SK-Hep1细胞的侵袭能力。鉴于 FAK蛋白
表达增高或磷酸化都可使肿瘤恶性程度和侵袭力增
加，抑制 FAK表达则可促进肿瘤细胞凋亡、抑制
肿瘤转移。因此，作者认为肝癌细胞侵袭能力的增
加可能是由于过表达的 CAIII改变了胞内、胞外的
pH值，进而激活了 FAK信号通路所致。
3.6　CAIII与糖尿病
Dodgson和Watford[18]采用链唑霉素诱导大鼠
糖尿病模型时发现，给予成年雄性大鼠链唑霉素 6 d
后，大鼠肝脏 CAIII活性下降了 60%，CAV活性增
加了 2倍，总体 CA活性与对照组相比则无明显变
化。此外，作者还发现 CAI、CAII和 CAIV总体活
性占正常大鼠肝脏 CA活性的 30%，在糖尿病大鼠
肝脏则达 70%，表明多种 CA酶参与了糖尿病的发
生。Nishita等 [19]采用链唑霉素诱导成年雄性大鼠
糖尿病后发现，造模 84 d后大鼠肝脏和血清 CAIII
蛋白水平与对照组相比分别下降了 98%和 75%，
而骨骼肌 (股直肌、胫前肌、比目鱼肌 )CAIII蛋白
水平则无明显变化。可见，糖尿病对肝脏和骨骼肌
CAIII表达影响不同；给予胰岛素后，肝脏 CAIII
浓度恢复至正常水平，而血清 CAIII浓度则无明显
变化，是否增加胰岛素浓度或延长胰岛素给药时间
有助于血清 CAIII浓度恢复有待于继续研究。至于
链唑霉素对肝细胞 CAIII浓度的影响，作者认为可
能是因为链唑霉素诱导的糖尿病使生长激素分泌失
调，进而影响了肝细胞 CAIII生物合成所致，具体
机制目前尚不清楚。
3.7　CAIII与重症肌无力
重症肌无力 (MG)是一种由乙酰胆碱受体
(AChR)抗体介导的自身免疫性肌肉疾病，患者临
床表现主要为骨骼肌易疲劳和肌肉收缩无力。近
年来，任惠民等 [20-23]研究发现，MG患者骨骼肌
CAIII mRNA和蛋白质水平明显低于正常人和其他
神经肌肉疾病患者，而且 AChR 抗体阴性患者骨骼
肌 CAIII mRNA和蛋白质水平也明显减少。有关
MG患者骨骼肌易疲劳和肌肉收缩无力目前是用
AChR 抗体与突触后膜 AChR 结合导致神经冲动传
导受阻的理论来解释的，但MG 患者中尚存在许多
AChR 抗体阴性者，显然上述理论无法解释为何他
们的骨骼肌也表现为易疲劳和肌肉收缩无力。鉴于
CAIII在骨骼肌中主要存在于 I型纤维，而 I型纤维
的作用主要是维持缓慢而持久的收缩，因此，作者
认为MG 患者骨骼肌易疲劳和肌肉收缩无力很可能
与其骨骼肌 CAIII蛋白缺乏有关 [21]。然而有关MG
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患者骨骼肌 CAIII蛋白与基因表达降低的原因及其
在MG 中究竟扮演何角色目前尚不清楚。
3.8　CAIII与肌肉疲劳
运动性肌肉疲劳特指运动引起肌肉产生最大随
意收缩力量或输出功率暂时性下降的生理现象，其
发生机制极其复杂，涉及中枢运动驱动、神经肌肉
接头兴奋—收缩耦联和肌肉能量代谢等多种生理
过程。近年来研究发现，骨骼肌 CAIII表达水平和 /
或活性的改变可能与骨骼肌疲劳的发生有关 [24-25]。
如 Côté等 [24]研究发现，抑制骨骼肌 I型纤维 CAIII
的活性可导致骨骼肌易疲劳；进一步研究发现，
CAIII的活性状态与骨骼肌 I型纤维能量代谢密切
相关。我们研究发现，急性大强度跑台运动及低频
电刺激诱发大鼠骨骼肌疲劳后均可引起相应肌肉
CAIII表达的下调 [25]。此外，从肌肉疲劳的发生机
理和 CAIII的生理功能进行分析，两者之间亦存在
密切的关系。(1)剧烈运动时肌细胞内代谢产物大
量堆积造成胞内 pH值的改变，是肌肉产生疲劳的
重要原因之一 [26]。CAIII具有调节细胞内 pH 和维
持组织酸碱平衡的作用，可将肌肉代谢过程中产生
的 CO2及时运送出细胞
[27]。(2)肌肉运动引起自由
基和其他形式活性氧簇 (reactive oxygen species，
ROS)的增加，是导致肌肉疲劳 /损伤的另一重要原
因 [28]。有趣的是，CAIII具有抗氧化的作用，可保
护细胞免于氧化应激造成的损伤 [3]。(3)骨骼肌肉
内 ATP水平的下降是肌肉疲劳的又一原因 [29]。而
CAIII又与线粒体 ATP合成有关，如当骨骼肌缺乏
CAIII时，线粒体 ATP合成明显减少 [30]。
4　结语
无论是从组织分布、分子结构还是生物学功能
上来说，CAIII均是 CA 家族中比较独特的一员，
它在清除胞内 CO2、调节胞内 pH值、维持组织酸
碱平衡、抗氧化、能量代谢和信号转导等方面均发
挥重要的作用，CAIII 表达异常还可能与多种临床
疾病的发生和发展有关。然而，Kim 等 [1]研究发现，
CAIII 基因敲除的小鼠依旧能正常地生长和生育，
生命周期也未受明显影响，这使 CAIII 究竟有何生
理功能变得扑朔迷离。此外，在骨骼肌细胞、肝细
胞和脂肪细胞中含量丰富的 CAIII 到底发挥什么样
的作用；为何MG 患者骨骼肌 CAIII 会明显减少；
CAIII 在肌肉疲劳的发生发展过程中究竟起什么样
的作用。所有这些令人感兴趣的问题均有待于我们
进一步地研究与探讨。
[参　考　文　献]
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