全 文 ：碳酸酐酶Ⅱ及其抑制剂研究进展?
曾广智1 , 2 , 黄火强1 , 2 , 谭宁华1
??
, 嵇长久1 , 潘蓄林1 , 2
(1 中国科学院昆明植物研究所植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室 , 云南 昆明 650204;
2 中国科学院研究生院 , 北京 100039 )
摘要 : 碳酸酐酶Ⅱ是一种活性中心含有 Zn2+ 、能催化 CO2 + H2 O\HCO3 - + H + 反应的金属酶。它广泛分布
于人体多种组织、器官中 , 与人体酸碱平衡、青光眼、骨质疏松症、癌症等多种生理或病理过程密切相
关 , 多年来一直备受关注。自从 1992 年高分辨率的碳酸酐酶Ⅱ晶体结构测定以来 , 其抑制剂研究发展较
快 , 已有活性好、选择性强的抑制剂作为新药应用于临床。本文以碳酸酐酶Ⅱ结构、功能和抑制剂研究为
重点 , 主要介绍近 15 年来该领域研究的一些重要进展。
关键词 : 碳酸酐酶Ⅱ ; 结构 ; 功能 ; 抑制剂
中图分类号 : Q 946 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700(2006)05 - 543 - 10
Carbonic Anhydrase Ⅱ : Structures , Functions and Inhibitors*
ZENG Guang-Zhi
1 , 2
, HUANG Huo-Qiang
1 , 2
, TAN Ning-Hua
1 * *
,
J I Chang-J iu1 , PAN Xu-Lin1 , 2
(1 State Key Laboratory of Phytochemistry and Plant Resources in West China, Kunming Instituteof Botany, Chinese Academy
of Sciences, Kunming 650204 , China; 2 GraduateSchool of the ChineseAcademy of Sciences, Beijing 100039 , China)
Abstract : Human carbonic anhydraseⅡ is one of themost efficient one in carbonic anhydrase isozymes, which catalyzes
the reversible hydration?dehydration of CO2 and water: CO2 + H2 O\HCO3 - + H + . It is found in virtually every tissue
and cell type, and involves in many human physiological and pathological processes, such as human acid-base balance,
glaucoma, osteoporosis, and cancer . Since discovered in1940 , carbonic anhydraseⅡ has beenan important drugtarget
with more attention . Up to now, many inhibitors were discovered including some clinical therapeutic drugs . This paper
reviewed recent developments in structures, functions and inhibitors of human carbonic anhydraseⅡ .
Key words: Carbonic AnhydraseⅡ ; Structures; Functions; Inhibitors
碳酸酐酶 ( Carbonic Anhydrases, CAs) 是一
类分布广泛的含锌金属酶 , 它能可逆性地催化
CO2 的水合反应 , 产生参与人体多种生理功能的
HCO3
- 及 H+ 。自从 1933 年首次从牛红细胞中纯
化得到第一个碳酸酐酶以来 , 到目前为止 , 除了
真菌外 , 其他生物体中都已发现了该类酶的存在
(Smith等 , 1999; Thoms, 2002 )。根据碳酸酐酶
氨基酸序列的不同 , 人们主要将其分为α、β、
γ、δ、ε五种不同类型的酶。其中α-CAs 存在于
脊椎动物、细菌、藻类及绿色植物的胞浆中 ; β-
CAs存在于高等植物及藻类叶绿体中 , 对植物光
合作用过程中 CO2 的获取及 CO2 浓度的维持有
着必不可少的作用 ; γ-CAs则主要存在于太古细
菌及一些细菌中 ; δ-CAs 主要存在于海洋硅藻
云 南 植 物 研 究 2006 , 28 (5) : 543～552
Acta Botanica Yunnanica

?
?? ?通讯联系人 Corresponding author . Tel?Fax: 86 - 871 - 5223800 . E - mail : nhtan@ mail .kib. ac. cn
收稿日期 : 2005 - 12 - 05 , 2006 - 03 - 09 接受发表
作者简介 : 曾广智 (1976 - ) 女 , 硕博研究生 , 主要从事体外生物活性筛选模型的建立与应用、天然抑制剂的构效关系分析及
作用机理研究。 ?
基金项目 : 西部之光项目 ( KSCX1-09-03-1、KSCX -SW-11 ) 及国家自然科学基金项目 ( 30572258)
中 ; ε-CAs是近年来才确定的类型 , 主要存在于
蓝细菌及一些化能自养型细菌中。多年来人们对
碳酸酐酶的研究主要集中在与人类关系密切的α-
CAs 和β-CAs 上 ( Lehtonen 等 , 2004; Tripp 等 ,
2001; 2004 )。α-CAs 在氨基酸序列上存在 20～
60%的同源性 , 哺乳动物的几乎所有组织中都含
有参与机体多种生命活动的α-CAs。目前的研究
表明 , α-CAs 至少存在 14 种不同的同工酶 : CA
Ⅰ—Ⅲ , CA Ⅶ及 CA ?为胞浆酶 ; CA Ⅳ , CA
Ⅸ , CA Ⅻ和 CA ?为膜连接酶 ; CA Ⅴ为线粒体
酶 ; CA Ⅵ则存在于唾液中 ; 另外还有 3 种已知
的非催化形式的碳酸酐酶相关蛋白 ( CA Related
Protein, CARP) ———CARP Ⅷ , CARP Ⅹ及 CARP
Ⅺ ( Lehtonen 等 , 2004; Supuran 等 , 2003; Win-
go等 , 2001) 。人体中也含有多种碳酸酐酶的同
工酶 , 它们广泛分布于多种组织器官中 , 其中催
化 CO2 水合效率最高、研究也最为透彻的是碳
酸酐酶Ⅱ ( CA Ⅱ ) (Loferer等 , 2003 )。
CAⅡ是于 1940 年发现的第一个含锌金属酶
(McCall 等 , 2000) , 它广泛存在于人体肾脏、脑、
胰腺、胃粘膜、骨骼肌、视网膜及晶状体等组织
器官中 , 它能高效催化 CO2 的水合反应 ( kcat?KM
= 1.5×108 M - 1 s- 1 ) (Kim等 , 2002) , 产生在人体
多种生理活动中发挥重要作用的质子和 HCO3 - ,
故而与人类关系密切 , 若该酶缺失、表达异常或
活性发生改变都会引发机体的病变。纠正该酶异
常表达或抑制该酶的过高活性也能对 CAⅡ引发的
疾病起到积极的治疗作用 , 如治疗青光眼的 CAⅡ
抑制剂多佐胺 ( dorzolamide) 等。因此 , 了解 CA
Ⅱ的结构特点及其生理和病理功能 , 对我们发现
其抑制剂并用于疾病治疗具有重要的意义。
多年来碳酸酐酶Ⅱ一直是人们研究的对象 ,
有关其研究的综述性论文也很多 , 这些论文大多
关于该酶作用的某一方面。针对该靶标蛋白 , 我
们实验室采用体外活性筛选方法发现了一些活性
较好的 CA Ⅱ抑制剂 , 并应用计算机辅助药物设
计的手段 , 对该酶及其抑制剂的相互作用作了进
一步的研究。本文在此研究基础上 , 对 CA Ⅱ的
结构、功能及近十几年来该酶抑制剂研究的主要
进展作较详细的介绍。
1 CA Ⅱ的结构
1 .1 CA Ⅱ的结构特点
碳酸酐酶Ⅱ ( EC 4 .2 .1 .1 ) 为含有 260 个氨
基酸残基、分子量为 29246Da、活性中心含有催
化所必需的 Zn2 + 的金属酶 (Scolnick 等 , 1997 )。
Liljas等于 1972 年首次得到了人类碳酸酐酶Ⅱ
( hCA Ⅱ ) 的 X 晶体结构衍射图 , Eriksson及 Ha-
kansson等又分别于 1988 年、1992 年对其结构进
行修正 , 得到了更高分辨率 ( 2?及 1 .54?) 的
hCA Ⅱ的 X 晶体结构图 (McCall 等 , 2000) 。
在 CA Ⅱ的空间结构中 , 只有位于酶分子 N
末端、约由 24 个氨基酸残基组成的区域与酶呈
松散连接 , 除此之外 , 整个 CA Ⅱ分子近似于球
形 , 体积大小约 5 nm×4 nm×4 nm。其主要二级
结构为位于酶分子中的 10 条β-链 , 由于它们的
存在 , 使得该酶被分为两个部分 , 酶分子中与其
活性相关的许多关键氨基酸残基位点都位于该结
构中。除β-链结构外 , 酶分子表面还分布有一些
相对较短的α-螺旋结构 ( Lindskog, 1997; Hunt
等 , 1999) (图 1)。
1 .2 CA Ⅱ结构与其催化作用的关系
CA Ⅱ 的 主要 功能 是 可逆 性催 化 CO2 和
HCO3
- 的相互转化 ( CO2 + H2 O\HCO3 - + H+ ) ,
其催化作用主要是通过酶活性区域内的一系列重
要氨基酸残基及与这些残基配位连接的 Zn2+ 来实
现的。CA Ⅱ晶体结构显示 , 酶的活性区域位于
由β-链构成的≈15?大小的一个空腔结构中 , 催
化所必需的 Zn2 + 位于该区域底部 , 并与β-链上
的氨基酸残基 His94 , His96 , His119 的季铵氮原
子配位结合 , 另外再与第四配基 H2 O 或 OH -
(取决于溶液 pH: pH < 7 时与 H2 O; 生理条件下
pH > 7 , 与 OH - ) 相连而形成四面体结构 ( Lofe-
rer 等 , 2003; Hunt等 , 1999; Jonsson等 , 1993)。
这些与 Zn2 + 相连的直接配体 , 能够通过其分子
中的氢键供体 (咪唑基仲胺 N 上的 H) 与酶分子
中具有氢键受体的残基相连 : 如 His94 与 Gln92、
His96 与 Asn244、His119 与 Glu117、连接 Zn2 + 的
H2 O?OH- 与 Thr199 形 成 氢 键 后 , Thr199 再 与
Glu106 形成氢键连接。相对于与 Zn2 + 相连的直接
配体 , 这些氢键受体被称为“非直接配体” ( indi-
rect ligands) (McCall 等 , 2000)。另外在 Zn2 + 连接
部位的相邻处 , 还存在一个由 Val121 , Leu141 ,
445 云 南 植 物 研 究 28 卷
图 1 碳酸酐酶Ⅱ的一级结构及高级结构图
Fig . 1 Structures of human carbonic anhydrase Ⅱ
数据来源 : Swiss-Protein ( http:??www. expasy. org?sprot?) 及 EMBL-EBI ( http:??www. ebi . ac. uk?embl?)
序列中重要氨基酸残基 : H 为与 Zn2 + 连接的配基 His94 , 96 , 119 ; - ?H 为参与质子转运的残基 His64; ? ?Q、 ?E、 ?E、 ?T、 ?N 为非直接配体
-Val143, Leu198 及 Trp209 组成的一个大的疏水袋 ,
该疏水袋能结合底物 CO2 , 是催化底物的预催化结
合位点 ( Christianson, 1996)。在原酶分子 ( native
enzyme) 中 , 疏水袋口还含有一个被称作“深水”
(deep water) 的水分子 (Scolnick 等 , 1997)。直接
配体与非直接配体的相互作用 , 形成了一个强大
的氢键网状系统 , 该系统及疏水袋的存在能够增
加酶分子中 Zn2 + 连接的稳定性 , 很好地固定底物
CO2 所在的位置 , 加强与 Zn2 + 相连的 H2 O?HO- 对
CO2 的亲核能力 , 进而使其高效地发挥酶的催化作
用 (图 2a) (Supuran等 , 2003; Lindskog, 1997)。
图 2 碳酸酐酶Ⅱ结构与水合机制
Fig . 2 Structure and CO2 hydration mechanism of hCAⅡ
5455 期 曾广智等 : 碳酸酐酶Ⅱ及其抑制剂研究进展
CA Ⅱ对 CO2 的催化过程主要可以分为两个
步骤 : ( 1) 生理条件下 , 与 Zn2 + 相连的 H2 O 去
质子化形成 EZnOH - , 由于氢键系统等结构的存
在 , 使得与 Zn2 + 相连的 OH - ( EZnOH - ) 中的氧
具有很强的亲核性 , 它能亲核进攻结合于疏水袋
中的底物 CO2 , 首先形成 EZnHCO3 - , EZnHCO3 -
中的 HCO3 - 被溶剂水分子取代 , 形成 EZnH2 O 和
HCO3
- ; ( 2) EZnH2 O 通过酶分子中的质子转运
体将质子 ( H+ ) 转运至溶剂中 , 并还原产生有
催化 活性 的 EZnOH - ( Thoms, 2002; Christian-
son, 1996; An等 , 2002; Elder等 , 2004; Nakata
等 , 2002 )。在催化过程中 H+ 向溶剂中的转运主
要是通过位于酶分子活性区域 , 距离 Zn2 + 约 7?
的 His-64 来实现的 , 并且分子内质子向溶剂中转
移的步骤也是 CA Ⅱ催化反应中的限速步骤 ( 图
2b) ( Elder 等 , 2004; Duda等 , 2001)。
2 CA Ⅱ的功能
虽然碳酸酐酶 II 催化的只是一个简单的生
理反应 , 但是其催化的底物 CO2 及产物 HCO3 - 、
H
+ 却与人体多种生理及病理活动关系密切 , 如
呼吸过程中代谢组织与肺之间 CO2?HCO3 - 的转
运 , pH 与 CO2 浓度之间的平衡 , 组织器官中电
解质的分泌 , 青光眼、骨质疏松症、癫痫、肿瘤
等疾病的形成 ( Casini 等 , 2003b) 等。正常生理
条件下 , CA Ⅱ通过催化产生人体各种代谢活动
所必需的 H+ 或 HCO3 - , 完成机体的正常生命活
动。一旦该酶缺失或其活性发生异常都将导致机
体的病变 , 这使得 CA Ⅱ成为多种人类疾病研究
中的重要靶点。
碳酸酐酶Ⅱ缺陷是一种罕见的常染色体隐性
遗传性疾病 , 其发病的分子基础是由于位于常染
色体 8q22 位置处编码该酶的基因发生突变所致。
目前已经明确了多种由于该酶结构基因突变所引
发的 CA Ⅱ缺陷疾病 , 其临床表现为 : 骨硬化
症、肾小管酸中毒、脑钙化、发育迟缓、肾钙沉
着症、泌尿道结石病等病变中的一种或多种同时
出现 ( Nagai 等 , 1997; Roth 等 , 1992; Ismail
等 , 1997)。
碳酸酐酶Ⅱ是所有碳酸酐酶中催化效率最高
的酶之一。在没有酶催化的条件下 , CO2 也能水
合产生 HCO3 - 及 H + , 但是其反应速率仅为 5×
10 - 2 s- 1 , 当 CA Ⅱ存在时其水合反应速率可以增
加到 1 .6×106 s- 1 (Kim等 , 2002; Sun and Alkon,
2002) , 极大地提高了反应速度 , 从而能够满足
机体代谢的需求。CA Ⅱ广泛分布于人体内 , 在
红细胞、肺泡、破骨细胞、肾小管、脑、胰腺、
胃粘膜、食管、骨骼肌、视网膜及睫状体等几乎
所有组织及细胞类型中都发现有 CA Ⅱ 存在
( Kim 等 , 2002; Christie and Thomson, 2000;
Rousselle and Heymann, 2002; Henry, 1996 )。
2 .1 呼吸、代谢及酸碱平衡
CA Ⅱ在人体内分布广泛 , 其催化底物 CO2
为有氧呼吸的代谢终产物。整个催化反应中既含
有气体又含有离子 , 且其作用与离子 交换子
(Na+?H+ 交换子、Cl -?HCO3 - 交换子 ) 紧密相
关 , 故它在呼吸及多种生化反应的中间代谢过程
中都具有很重要的作用 ( Henry, 1996; Li 等 ,
2002; Vince等 , 2000)。
在人体代谢过程中 , 代谢终产物 CO2 能够
从组织细胞中扩散进入血液红细胞 , 进而被红细
胞中的 CA Ⅱ催化产生 HCO3 - , 再通过胞浆膜上
的 Cl -?HCO3 - 交换子将其转运入血 , 通过血液循
环到达肺部。在肺部 HCO3 - 通过红细胞膜上的
Cl -?HCO3 - 交换子转运入红细胞 , 经 CA Ⅱ催化
产生 CO2 , CO2 通过扩散作用穿透红细胞膜及肺
泡细胞膜后 , 通过呼吸作用排出体外。整个呼吸
过程中 , CA Ⅱ对增加血液携 CO2 量 ( 提高血液
CO2 分压 ) 以进行正常的气体交换起到了重要作
用 (Sterling 等 , 2001 ) 。除此 之外 , 细胞中 的
CAs包括 CA Ⅱ通过维持 CO2 与 HCO3 - 之间的瞬
时化学平衡 , 可以将一些代谢反应的终产物 CO2
转运用于一些合成代谢途径中 , 如糖异生、脂肪
酸生成、氨基酸合成及尿素生成等。所以 CAs在
CO2 转运及代谢过程中起到了分子连接的作用
(Henry, 1996) 。
在肾脏的排酸保碱过程中 , 存在于肾小管上
皮细胞中的 CA Ⅱ 也发挥了重 要作用。因为
HCO3
- 在血浆中以 NaHCO3 存在 , 肾小球滤过液
中的 NaHCO3 进入肾小管后可以解离成 Na+ 和
HCO3
-
, 其中 Na+ 可以通过 Na+ - H+ 交换进入
到细胞内 , H+ 则由细胞分泌至小管液中。小管
645 云 南 植 物 研 究 28 卷
液中的 H+ 可与 HCO3 - 结合生成 H2 CO3 , 在 CA
Ⅱ的作用下快速分解为 CO2 和 H2 O, 高度脂溶性
的 CO2 能迅速通过管腔膜进入细胞内 , 再在 CA
Ⅱ的作 用 下与 H2 O 结 合生 成 H+ 和 HCO3 - ,
HCO3
- 与 Na+ 一起转运入血 , H+ 则通过 Na+ -H+
交换从细胞分泌至小管液中重复此循环 ( 张镜如
和乔健天 , 1997)。
2 .2 青光眼
房水具有营养角膜和晶状体 , 并维持眼内压
的功能。它主要是由睫状体上皮细胞分泌及血管
渗出而产生 , 经瞳孔流入前房到达前房角间隙 ,
再经小梁网流入巩膜静脉窦 , 最后进入血流 ( 江
明性和杨藻? , 1998 )。眼内压增高是眼内房水
流入与流出之间平衡失调的表现 , 也是青光眼的
主要特征。青光眼尤其是原发性青光眼是容易导
致人类不可逆性失明的主要因素。多种随机试验
表明 , 在眼压增高尤其是开角型青光眼的情况
下 , 降低眼内压是阻止疾病恶化致盲的唯一有效
方法 , 这也是目前青光眼治疗的主要手段。其中
降低眼内压的一条主要策略就是减少房水的流入
( Kaur 等 , 2002; Khaw 等 , 2004; Civan and
Macknight, 2004) 。抑制眼内睫状体上皮细胞内
的 CA Ⅱ的活性 , 即能有效达到这一目的。
眼睫状体上皮细胞内存在 CA Ⅱ , 它是眼组
织中 负 责 房 水 分 泌 的 主 要 酶 ( Abbate 等 ,
2004a) 。CAⅡ催化 CO2 水合产生的 HCO3 - 经细胞
分泌、血管渗出于房水中 , 为了保持房水中液体
的电中性 , Na+ 向房水中分泌增加 , 同时带动 Cl -
也向房水中转移 , 从而使房水中形成高渗透压 ,
于是促进 H2 O 向房水流动 , 维持房水平衡和正常
的 pH 值。抑制 CAⅡ的活性 , HCO3 - 的生成减少 ,
进而减少房水的生成。CAⅡ抑制剂能有效降低眼
内压 , 目前市场上的该类药物也大都用于青光眼
的治疗 , 如口服的乙酰唑胺 ( acetazolamide)、局
部用药的多佐胺及布林唑胺 ( brinzolamide) 等。
相对于胆碱能激动剂、β-受体阻断剂及前列腺素
类似物等青光眼治疗药 , CA Ⅱ抑制剂具有其独
特的优势 , 在别的抗青光眼药物无效或急性青光
眼发作时其效果明显 (Kaur 等 , 2002; Khaw等 ,
2004; Civan and Macknight, 2004)。
2 .3 骨质疏松症
成骨细胞和破骨细胞是维持骨重建与骨吸收
平衡的关键因素 , 当由于生理或病理的因素使得
该平衡被打破 , 骨吸收大于骨重建时即会发生骨
质疏松症。破骨细胞中含有碳酸酐酶Ⅱ , 在生理
或病理状况下 , 它在破骨细胞骨吸收过程中都发
挥了重要的作用。
骨吸收过程中 , 破骨细胞首先附着于骨骼表
面形成相对隔绝的细胞外的骨吸收微环境 , 然后
在酸性条件下 (～pH4 .5 ) 先溶解骨矿物质 , 继
而降解骨基质成分 ( 刘继中和胡蕴玉 , 2002;
Rousselle and Heymann, 2002; Lehenkari 等 ,
1998)。在此过程中 , 骨吸收所必需的酸性微环
境 , 就是通过破骨细胞中所含有的 CA Ⅱ形成
的 : CA Ⅱ催化 CO2 与 H2 O 反应生成 H+ , 并通
过破骨细胞皱褶缘上的 H+ -ATPase将 H + 转运至
吸收微环境中进而形成酸性吸收微环境 , 再通过
Cl
-?HCO3 - 交换 , 转运入 Cl - 以维持电荷平衡。
另外 , 由于 CA Ⅱ的表达随着破骨细胞功能状态
的不同而发生变化 , 在骨吸收状态下它呈高表
达 , 所以抑制该酶活性可以降低破骨细胞的骨吸
收作用 ( 赵海波和朱通伯 , 1997; Rousselle and
Heymann, 2002) , 病理状态下抑制其活性也可以
达到防治骨质疏松症的目的。
2 .4 癫痫
癫痫是一种严重的、突发性的脑部神经元同
步兴奋继而产生以癫痫发作为特征的神经错乱疾
病。许多抗惊厥药物如苯妥英、苯巴比妥及苯二
氮卓类药物等都对癫痫发作有效。它们或通过阻
断电压依赖性 Na+ 通道 ( 减少 Na+ 内流 )、或通
过增加 GABA 受体偶联的 Cl - 通道的开放的频率
(促进 Cl - 内流 ) 等作用来降低神经元兴奋性 ,
从而达到抑制癫痫发作的目的 ( Ilies 等 , 2004;
江明性和杨藻? , 1998 )。除此之外人们还发现
CAs与癫痫发作之间存在联系 , 因为细胞内外的
pH改变对调节神经元兴奋性有很重要的作用 , 其
间的微小变化就可以改变配体门控性通道及电压
门控性通道的功能。CAs由于能催化 CO2 水合产
生 HCO3 - 及 H+ , 对调解细胞外 pH 变化起到了很
大的作用。CAⅡ的经典抑制剂乙酰唑胺 , 醋甲唑
胺 (methazolamide) , 碳酸酐酶的强抑制剂托吡酯
( topiramate) 等都有抗惊厥作用 , 也可以治疗癫痫
发作。但是它们对该酶的抑制作用在多大程度上
7455 期 曾广智等 : 碳酸酐酶Ⅱ及其抑制剂研究进展
与其抗癫痫活性有关 , 以及别的抗癫痫药物是否
影响 pH 的调节作用目前还不太清楚 (Supuran
等 , 2003; Aribi and Stringer, 2002) , 所以有关该
酶与癫痫病的相互关系还有待于深入研究。
2 .5 癌症
近年来 , 随着碳酸酐酶同工酶的不断发现 ,
人们发现 CAs与癌症之间可能也存在联系 , 尤其
是碳酸酐酶Ⅸ。CA Ⅸ主要存在于癌细胞中 , 而
在正常细胞中却没有发现 其存在 ( Casey 等 ,
2004; Pastorekova等 , 2004 ) , 于是寻找它的抑制
剂或探寻其抑制剂与癌症治疗之间的关系也成为
有关碳酸酐酶研究的热点。虽然有关碳酸酐酶与
癌症关系的报道主要集中在 CA Ⅸ , 但也有文章
报道 CAⅡ可能也与癌症有关。实体瘤胞外的 pH
值要远低于其邻近的正常组织 , 而其胞内 pH 则
与正常组织 pH 相同或稍偏碱性 , 肿瘤细胞可以
表达 CAs和一些离子交换蛋白 , 故而导致肿瘤细
胞异常 pH状况的形成。目前在恶性脑瘤、胃癌、
胰腺癌及恶性血液癌症等肿瘤细胞中都发现 CAⅡ
的存在 , 但由于其在肿瘤细胞中表达的情况还不
清楚 , 且它在正常组织细胞中也有表达 , 所以它
与肿瘤发生之间的关系还有待于进一步研究
(Leppilampi 等 , 2002; Supuran等 , 2003)。
3 CA Ⅱ的抑制剂
碳酸酐酶Ⅱ是参与机体多种代谢活动的一种
重要酶 , 研究其抑制剂有助于多种重大疾病的诊
断及治疗。到目前为止已经发现了许多 CAⅡ的抑
制剂 , 其中磺酰胺类是该酶抑制剂中的一个大家
族 , 已经有一些该类型的抑制剂用于或即将用于
临床疾病的治疗。随着人们对该酶不断深入研究 ,
许多新的有应用前景的抑制剂也不断被报道。
3 .1 磺酰胺类及其衍生物
60 多年前就已经发现磺酰胺类化合物对 CAs
有抑制作用 , 其结构中的 ( R ) SO2 NH2 基团是发
挥作用的主要官能团。大量磺酰胺类抑制剂与碳
酸酐酶复合物的晶体结构表明 , 磺酰胺类对 CAs
的抑制作用类似于阴离子 HSO3 - : 未取代的磺酰
胺基团以阴离子的形式 ( R-SO2 NH - 或 R-SO2 N-
OH
- ) 通过其基团中的 N 与酶活性中心的 Zn2 +
相连接 , 取代与 Zn2 + 相连的水分子与 Thr-199 的
OH-形成氢键。基团中的一个氧原子与 Thr-199
的 NH 形成氢键 , 另一个氧原子朝向 Zn2 + 位置
( Lindskog, 1997; Casini 等 , 2003b; Arslan 等 ,
1997) (图 3)。
图 3 磺酰胺类化合物与 CA Ⅱ活性位点的结合
Fig . 3 Sulfonamides and its derivatives bound to
the active site of hCA Ⅱ
-SO2 NH2 是磺酰胺类碳酸酐酶抑制剂的主要
官能团 , 只有含有未取代的-SO2 NH2 或-SO2 NH
(OH) 基团的磺酰胺类化合物才是该酶的有效抑
制剂。改变与其相连的 R 基团的结构可以得到
一系列 活性不 同的该 类型 抑制 剂 ( Lindskog,
1997)。研究发现 , RSO2 NH2 中 R 基团为芳环或
杂环时其对 CA Ⅱ的抑制作用较强 , 如乙酰唑胺
(1) 、醋甲唑胺 ( 2) 、双氯非那胺 ( dichlorophen-
amide, 3) 等 , 它们用于青光眼临床治疗已经有
40 多年的历史。作为用于青光眼治疗的第一代
碳酸酐酶抑制剂 , 它们多为口服制剂 , 对眼组织
外的 CAs 有抑制作用 , 副作用较多 ( Kaur 等 ,
2002; Arslan等 , 1997; Casini 等 , 2003a)。针对
R 基团改造 , 人们合成得到了许多活性好、选择
性强的新芳环?杂环磺酰胺类抑制剂 , 它们除了
可以用于青光眼治疗外 , 还可用于其它与 CA Ⅱ
代谢相关的疾病。如对 CA Ⅱ选择性较强的多佐
胺 ( 4) 及布林唑胺 ( 5) 等 , 它们是最先得到美
国 FDA 认可 , 局部给药用于治疗开角型青光眼
的药物 , 属于青光眼治疗中的第二代碳酸酐酶抑
制剂 ( Casini 等 , 2003b; Kaur 等 , 2002 ) 。第二
代抑制剂通过局部给药 , 减少了全身不良反应 ;
但其对眼有刺激性 , 且作用时间短 , 所以人们又
开展了第三代无刺激性长效碳酸酐酶抑制剂的研
究。苯唑拉胺 ( benzolamide, 6 ) 为对青光眼有
效的碳酸酐酶的强效抑制剂 , Abbate等 (2004a)
以其为先导分子 , 合成了一系列活性强、膜穿透
845 云 南 植 物 研 究 28 卷
性高的化合物 , 其中一个化合物 ( 7) 对 CA Ⅱ
的抑制活性强 , 且在动物体内试验中也显示出有
效的降低眼内压的活性 , 具有很好的开发前景。
带 1 , 3 , 4-噻二唑环的杂环磺酰胺类物质对 CAs
有较好的抑制活性 , 如其经典抑制剂乙酰唑胺、
醋甲唑胺等 ( Bulbul 等 , 2002 ) 。它们除了用于
治疗青光眼外 , 近年来也用于癫痫病的治疗。有
人认为它们通过抑制 CAs能产生抗惊厥作用 , 至
少对某些类型的癫痫发作有效 ( Ilies等 , 2004 )。
除此之外 , 氨基磺酸盐及其衍生物也具有很强的
CA Ⅱ抑制作用 , 如化合物 8 (Winum等 , 2005)、
抗癫痫药物托吡酯 (9 ) (Abbate等 , 2004b) 及
Vicker 等 ( 2003 ) 合成得到并已进入Ⅰ期临床试
验的抗癌药 667-COUMATE ( 10)。
表 1 合成的 CA Ⅱ抑制剂
Table 1 Synthetic inhibitors of hCA Ⅱ
9455 期 曾广智等 : 碳酸酐酶Ⅱ及其抑制剂研究进展
续表 1
3 .2 阴离子抑制剂
该类抑制剂主要是弱活性的单价阴离子 , 如
CN
- 、HS - 、NCO - 等。它们能与酶活性中心的
Zn2 + 结合 , 阻止酶催化活性中心发挥重要作用的
Zn
2 + 与 OH - 配位结构的形成 , 从而抑制酶的活
性。在由 Zn2 + 连接的 H2 O、Thr199 和 Glu106 组
成的氢键系统中 , Zn2 + -H2 O?HO - 除了与 Thr199
的羟基形成氢键以外 , 还与位于其旁边疏水袋中
的另一个 H2 O 分子 ( deep water) 形成氢键 , 该
水分子再与 Thr199 的 NH 形成氢键连接 , 从而构
成对抑制剂的结合有重要影响的氢键相互作用系
统 ( 图 4a)。根据抑制剂结合与该氢键系统的关
系 , CA Ⅱ的阴离子抑制剂主要可以分为以下三
种类型 : (1) 质子化的配体原子 ( protonated ligand
atom) 取代与 Zn2 + 连接的溶剂水分子参与氢键的
形成 , 而不改变与 Zn2 + 连接的四面体结构 , 如
HSO3
- 及 HS - (图 4b)。 (2) 由于缺少质子化的配
体原子 , 本类型抑制剂取代 deep water直接与金属
离子相连 , 然后再与 Thr199 的 NH 形成氢键连接 ,
如 SCN- 、HCOO- 、NCO- 等 ( 图 4c)。 (3 ) 本类
抑制剂取代与金属相连的水分子直接与 Zn2 + 相连 ,
但并不与 Thr199 的羟基形成氢键 , 因而使得 Zn2 +
四面体结构严重变形 , 卤素离子如 Br- 、I - , 另
外还有叠氮离子 等都属于 这一类型 ( 图 4d)
(Lindskog, 1997; Gruneberg等 , 2002)。
3 .3 其它抑制剂
图 4 阴离子类抑制剂与 CA 活性位点的结合
Fig . 4 Anion inhibitors bound to the active site of hCA Ⅱ
055 云 南 植 物 研 究 28 卷
到目前为止 , 人们所发现的碳酸酐酶抑制剂
类型较少 , 除了磺酰胺及其衍生物、阴离子抑制
剂、苯酚以及在人以外的一些哺乳动物及鱼类中
发现的一种分子量为 79 kDa的糖蛋白外 ( Linds-
kog, 1997 ) , 其它类型的该酶抑制剂鲜有报道。
为了发现新型的 CA Ⅱ抑制剂 , 我们实验室对大
量动植物来源的化合物、提取物或分离部位样品
进行了随机筛选 , 发现了一些活性较好的样品
(付祥等 , 2003) , 为我们进一步发现新型的 CA
Ⅱ抑制剂打下了基础。
4 展望
碳酸酐酶Ⅱ与人体多种生理及病理活动相关 ,
研究该酶的结构与功能 , 寻找其抑制剂用于疾病
治疗也越来越引起人们的关注。由于 CAⅡ在人体
内分布广、同工酶种类多、同工酶之间相似性高 ,
一般的抑制剂容易对其同工酶及其它组织中的 CA
Ⅱ也产生作用 , 因此临床应用副作用较多 (Arslan
等 , 1997) , 这限制了碳酸酐酶Ⅱ抑制剂作为新药
的研发。因此 , 根据 CA Ⅱ的作用特点 , 今后有
关该酶抑制剂的研究应该主要集中在寻找选择性
强、组织特异性高的 CA Ⅱ抑制剂上。
〔参 考 文 献〕
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