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微藻碳酸酐酶生物地球化学作用
	曾用价	79.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2015年10月
	开本	16
	作者	吴沿友，李海涛，谢腾祥 等
	装帧	平装
	页数	268
	字数	338
	ISBN编码	9787030433268

内容介绍
本书以微藻的碳酸酐酶为研究对象，通过添加和未添加乙酰唑胺到实验系统， 研究了微藻的几种碳酸酐酶同工酶基因表达对碳酸氢根离子和pH的响应，阐明了微 藻碳酸酐酶胞外酶在环境响应中的开关作用。通过对微藻利用无机碳途径的定量， 研究了重碳酸盐、pH以及直接碳酸氢根离子途径对微藻碳汇的影响，阐明了微藻碳 酸酐酶对碳源、碳汇的调节作用。通过对碳酸盐岩的微藻生物溶蚀作用的定量以及 微藻对碳酸钙碳源利用份额的定量，研究了二氧化碳的供给、酸碱度以及无机碳利 用途径对微藻碳酸盐岩溶蚀和碳酸盐碳源的利用影响，阐明了微藻碳酸酐酶在碳酸 盐岩的溶蚀过程中的“催化”作用。通过大量元素、微量元素以及几种污染物对微 藻碳酸酐酶影响的研究，阐明了无机元素对微藻碳酸酐酶影响的“激素”效应。*后，以岩溶湖泊微藻为例，研究了岩溶湖泊微藻种类组成、岩溶湖泊无机碳变化与 碳酸酐酶的关系，估算了不同湖泊微藻无机碳碳源份额和无机碳利用途径份额，评 价了岩溶湖泊微藻的碳汇能力，阐明了岩溶湖泊微藻碳酸酐酶对碳汇的制约能力。

目录
序 前言 **章碳酸酐酶的生物学作用1 **节碳酸酐酶简介2 一？碳酸酐酶的结构和性质2 二？碳酸酐酶的分布2 三？碳酸酐酶的多样性2 第二节碳酸酐酶的作用与意义4 一？碳酸酐酶的生理生化作用4 二？影响碳酸酐酶活力的主要因素5 第三节碳酸酐酶的抑制剂及应用7 一？碳酸酐酶抑制剂的种类7 二？乙酰唑胺对碳酸酐酶的抑制作用原理7 三？碳酸酐酶抑制剂的应用7 第四节碳酸酐酶活力的常规测定方法8 一？放射免疫分析法8 二？pH计法8 三？同位素二氧化碳质谱分析法8 四？mRN.A测定法8 五？比色法9 参考文献9 第二章微藻的碳酸酐酶基因表达及其对环境的响应15 **节莱茵衣藻碳酸酐酶基因的生物信息学17 一？莱茵衣藻是碳酸酐酶基因的生物信息学研究的模式生物17 二？莱茵衣藻碳酸酐酶基因的生物信息学18 第二节莱茵衣藻与蛋白核小球藻碳酸酐酶基因表达20 一？实验材料与方法20 二？常规PCR扩增结果27 三？莱茵衣藻与蛋白核小球藻碳酸酐酶基因的同源性27 四？碳酸酐酶同工酶基因的亲缘关系及基因表达的差舁性28 第三节微藻碳酸酐酶基因表达对碳酸氢根离子的响应29 一？碳酸氢钠对碳酸酐酶基因表达的影响30 二？乙酰唑胺对碳酸酐酶基因表达的影响33 三？乙酰唑胺与碳酸氢钠共同作用下的碳酸酐酶基因表达35 第四节微藻碳酸酐酶基因表达对pH的响应39 一？pH对碳酸酐酶基因表达的影响39 二？乙酰唑胺与pH共同作用下的碳酸酐酶基因表达41 第五节微藻碳酸酐酶基因表达对氟的响应45 参考文献47 第三章胞外碳酸酐酶对稳定碳同位素分馏的影响50 **节碳酸酐酶胞外酶对稳定碳同位素分馏作用及其识别基础52 第二节pH对微藻稳定碳同位素分馏的影响55 一？研究材料和测定方法55 二？pH对微藻生长的影响56 三？pH对微藻碳酸酐酶胞外酶活力的影响57 四？pH对微藻稳定碳同位素分馏的影响58 第三节乙酰唑胺作用下重碳酸盐对微藻稳定碳同位素分馏的影响60 一？培养条件和处理方法60 二？乙酰唑胺作用下重碳酸盐对微藻生长的影响61 三？乙酰唑胺作用下重碳酸盐对微藻碳酸酐酶胞外酶活力的影响63 四？乙酰唑胺作用下重碳酸盐对微藻稳定碳同位素分馏的影响64 第四节乙酰唑胺对微藻稳定碳同位素分馏的影响67 一？培养条件和处理方法67 二？乙酰唑胺对微藻生长的影响68 三？乙酰唑胺对微藻碳酸酐酶胞外酶活力的影响69 四？乙酰唑胺对微藻稳定碳同位素分馏的影响69 参考文献71 第四章微藻碳酸酐酶对碳源？碳汇的调节作用75 **节碳酸酐酶在无机碳代谢中的作用77 一？碳酸酐酶与无机碳的转运77 二？碳酸酐酶与光合作用79 第二节微藻无机碳利用途径的定量方法79 一？微藻碳同位素测定方法及碳同位素修正模型79 二？微藻利用不同碳源的份额计算方法80 三？微藻利用不同形态无机碳的途径份额计算方法82 四？直接碳汇和间接碳汇的计算方法83 第三节无机碳利用途径对微藻碳汇的影响84 一？重碳酸盐对微藻碳汇的影响84 二？碳酸酐酶胞外酶对微藻碳汇的影响89 三？直接碳酸氢根离子利用途径对微藻碳汇的影响97 四？碳酸酐酶胞外酶和直接碳酸氢根离子利用途径对微藻碳汇的复合影响102 第四节微藻碳汇组成与“遗失的碳汇” 105 参考文献107 第五章微藻碳酸酐酶与生物岩溶作用 **节碳酸酐酶对碳酸盐岩的溶蚀作用 一？碳酸酐酶与碳酸盐岩的溶蚀 二？碳酸酐酶与碳酸钙的沉积 三？碳酸酐酶与生物成矿作用 第二节微藻与碳酸盐岩交互作用的定量方法 一？碳酸盐岩的微藻生物溶蚀作用定量方法 二？微藻对碳酸钙碳源利用份额的定量方法 三？方解石生物溶蚀所释放的无机碳在各介质中分配的定量方法 四？岩溶碳汇和光合碳汇计算方法120 第三节碳酸酐酶在微藻生物溶蚀中的作用120 一？微藻生物溶蚀作用的种类特征120 二？pH与微藻生物溶蚀作用122 三？碳酸酐酶胞外酶在微藻生物溶蚀中的作用129 四？阴离子通道在微藻生物溶蚀中的作用137 第四节碳酸酐酶影响下的微藻对碳酸钙碳源的利用144 一？酸碱度对微藻利用碳酸钙碳源的影响145 二？胞外碳酸酐酶对微藻利用碳酸钙碳源的影响147 三？阴离子通道对微藻利用碳酸钙碳源的影响151 第五节碳酸酐酶影响下的生物岩溶碳汇作用153 一？酸碱度对生物岩溶碳汇的作用153 二？胞外碳酸酐酶对岩溶碳汇的作用156 三？阴离子通道对岩溶碳汇的作用158 参考文献160 第六章无机元素与微藻碳酸酐酶的相互作用165 **节无机元素对碳酸酐酶影响的“激素”效应168 一？无机元素对碳酸酐酶影响的剂量效应168 二？“激素”对碳酸酐酶的影响169 三？无机元素对碳酸酐酶作用的“激素”效应的可能机制170 第二节微藻碳酸酐酶对氮磷钾吸收的影响171 一？植物离子吸收动力学171 二？胞外碳酸酐酶抑制剂对微藻氮磷钾吸收的影响171 三？微藻碳酸酐酶影响无机元素吸收的可能机制175 第三节无机元素对微藻碳酸酐酶的影响176 一？氟对微藻碳酸酐酶的影响176 二？重金属污染物对微藻碳酸酐酶的影响185 参考文献190 第七章岩溶湖泊中微藻碳酸酐酶的生物地球化学作用198 **节碳酸酐酶与岩溶水环境中的碳循环200 第二节岩溶湖泊水环境特征204 一？岩溶湖泊水文及物理特征205 二？岩溶湖泊水化学特征206 三？岩溶湖泊微藻的生长特征211 第三节岩溶湖泊微藻种类组成与碳酸酐酶——以2002？2003年为例 214 一？微藻种群组成和碳酸酐酶变化特征214 二？碳酸酐酶活力与微藻的组成和种类的相关性216 三？岩溶湖泊微藻种类与碳酸酐酶协同变化特征217 第四节岩溶湖泊无机碳的变化和微藻碳酸酐酶222 一？岩溶湖泊无机碳浓度及碳同位素组成的变化特征222 二？湖泊水体中的碳酸氢根离子浓度与藻体V3C的关系224 第五节岩溶湖泊微藻碳汇能力227 一？岩溶湖泊微藻的生物量的变化227 二？岩溶湖泊微藻无机碳碳源份额和无机碳利用途径228 三？乙酰唑胺与碳酸氢钠共同作用下的岩溶湖泊微藻碳汇230 四？岩溶湖泊微藻碳汇能力的评价233 参考文献237 第八章展望246 Contents Preface Foreword Chapter 1 Biological function of carbonic anhydrase 1 1.1 Introduction to carbonic anhydrase 2 1.1.1Structure and properties of carbonic anhydrase 2 1.1.2Distribution of carbonic anhydrase 2 1.1.3Diversity of carbonic anhydrase 2 1.2Function and meaning of carbonic anhydrase 4 1.2.1Physiological and biochcmical function of carbonic anhydrase 4 1.2.2The main factors influencing the carbonic anhydrase activity 5 1.3Carbonic anhydrase tnhibitor and application 7 1.3.1Carbonic anhydrase inhibitor spccics 7 1.3.2Principle of the inhibition on carbonic anhydrasebyacctazolamidc 7 1.3.3Application of carbonic anhydrase inhibitor 7 1.4Determination on the activity of carbonic anhydrase 8 1.4.1Radioimmunoassay 8 1.4. 2pH meter method 8 1.4. 3Isotopes of carbon dioxide mass spcctromctry 8 1.4.4mRNA assay 8 1.4. 5Colorimetry 9 Reference 9 Chapter 2The gene expression of carbonic anhydrase in microalgae and their response to the environment 16 2. 1Bioinformatics of carbonic anhydrase genes in Chlamydomonas reinhardtH 17 2.1.1Chlamydomonas reinhardtH, a model for the rcscarch on bioinformatics of carbonic anhydrase genes 17 2.1.2Bioinformatics of carbonic anhydrase genes in ChlamydomonasreinhardtH 18 2.2 The gene expression of carbonic anhydrase in Chlamydomonas reinhardtH and Chlorella pyrenoidosa20 2. 2. 1Theexperimental materials and methods 20 2. 2. 2Theresults of conventional PCR amplification27 2. 2. 3T'hehomology of carbonic anhydrase gene in Chlamydomonas reinhardtH andChlorellapyrenoidosa 27 2.2. 4 The gcnctic relationship among carbonic anhydrase isozyme genes and the diffcrcnccsofgeneexpression 28 2.3 The gene expression of carbonic anhydrase in microalgae in response to bicarbonate 29 2.3. 1Thcinfluence of sodium bicarbonate on carbonicanhydrasegeneexpres-sion 30 2.3. 2 Thc influence of acctazolamidc on carbonic anhydrase gene expression 33 2.3. 3Carbonicanhydrasegeneexpressionundertheactionofacctazolamidcin com bination with sodium bicarbonate 35 2.4 The gene expression of carbonic anhydrase in microalgae in response to pH 39 2.4. 1 Thc influence of pH on carbonicanhydrase geneexpression 39 2.4. 2Carbonicanhydrasegeneexpressionundertheactionofacctazolamidcin combination with pH 41 2. 5 The gene expression of carbonic anhydrase in microalgae in response to fluoride 45 References 47 Chapter 3The effect of extracellular carbonic anhydrase on stable carbon isotope fraction 51 3. 1 The role and fundamental of extracellular carbonic anhydrase on stable carbon isotope fraction 52 3.2 The influence of pH on stable carbon isotope fraction 55 3.2. 1Materials and methods55 3.2. 2Thcinflucncc of pHonmicroalgal growth56 3.2. 3Thcinflucncc of pHonthc activity of cxtraccllularcarbonic anhydrasein microalgal 57 3.2. 4Thcinflucncc of pHonstable carbon isotopefractioninmicroalgal…58 3.3 The effect of bicarbonate on microalgal stable carbon isotope fraction under acetazolamide 60 3.3. 1Culture conditions and methods 60 3.3. 2The cffcct of bicarbonate on miicroalgal growth under acctazolamiidc …61 3.3. 3The cffcct of bicarbonate on the activity of extracellular carbon anhydrase under acctazolamiidc 63 3.3.4Thc cffcct of bicarbonate on miicroalgal stable carbon isotope fraction underacctazolamiidc 64 3. 4 The influence of acetazolamide on microalgae stable carbon isotope fraction 67 3.4. 1Culture conditions and micthods 67 3.4. 2Thc influcncc of acctazolamiidc on miicroalgal growth 68 3.4. 3Thc influcncc of acctazolamiidc on thc activity of cxtraccllular carbonic anhydrasc 69 3.4. 4Thc influcncc of acctazolamiidc on miicroalgal stable carbon isotope fraction69 References 71 Chapter 4The regulation on carbon source and carbon sequestration by microa-lgal carbonic anhydrase 76 4.1The role of carbonic anhydrase ininorganic carbon metabolism 77 4.1. 1Carbonic anhydrasc versus inorganic carbon transport 77 4. . 2Carbonic anhydrasc versus photosynthesis 79 4. 2Quantitative method of inorganic carbon utilization pathways in microalgae 79 4. 2. 1Thc determination on stable carbon isotope and thc corrcction miodll of stable carbon isotope in miicroalgac 79 4. 2. 2Thc calculation on thc proportion of inorganic carbon sourccs used by miicroalgac 80 4.2. 3Thc calculation on thc proportion of inorganic carbon utilization pathways by miicroalgac 82 4.2. 4Thc calculation on thc dircct and indirect carbon sequestrations 83 4.3The impact on carbon sequestrations by inorganic carbon utiliza？tion pathways in microalgae 84 4.3. 1Thc influcncc of bicarbonate on carbon sequestrations in miicroalgac …84 4.3. 2Thc influcncc of cxtraccllular carbonic anhydrasc on carbon sequestrations in miicroalgac 89 4. 3. 3Thc influcncc of dircct bicarbonatc utilization pathway on carbon scqucs- 4. 3. 4 Thc compound influcncc of cxtraccllular carbonic anhydrase and dircct bicarbonate utilization pathwayon carbon sequestrations in microalgac 102 4. 4 The composition of microalgal carbon sequestrations versus “missing carbon sink” 105 References 1 Chapter 5 Microalgal carbonic anhydrase versus the Bio-Karst 1 5. 1 The role of carbonic anhydrase in the dissolution of carbonate rock1 5.1.1Carbonic anhydrase versus thc dissolution of carbonatc rock 1 5.1. 2Carbonic anhydrase versus thc precipitation of calcium carbonatc 1 5.1.3Carbonic anhydrase versus bio-mineralization 1 5. 2 The methods of quantifying the interactive action between micro？algae and carbonate rock 1 5. 2. 1Thc methods of quantifying thc bio-dissolution of carbonatc rock 1 5. 2. 2Thc methods of quantifying thc utilization on thc carbon in calciumcarb？onatc by microalgac 1 5. 2. 3Thc methods of quantifying thc distribution in thc inorganic carbonrele-asing from calcitc’s bio-dissolution in different mediums 1 5. 2. 4Thc methods of calculation on thc karst carbon sink and photosynthctic carbon sink 120 5. 3 The role of carbonic anhydrase in the microalgal bio-dissolution of carbonate rock 120 5. 3. 1Thctype of microalgal bio-dissolution120 5. 3. 2ThcpH versus microalgal bio-dissolution 122 5. 3. 3Thcrole of cxtraccllular carbonic anhydrase onmicroalgalbio-dissolution129 5. 3. 4Thcrole of anion channcl system on microalgac'sbio-dissolution 137 5. 4 The utilization on the carbon in calcium carbonate by microalgae under the influence of carbonicanhydrase 144 5. 4. 1 Thc cffcct of pH on thc utilization of thc carbon in calcium carbonatc by microalgac 145 5. 4. 2 Thc cffcct of cxtraccllular carbonic anhydrase upon thc utilization on thc carbon in calcium carbonatc bymicroalgac 147 5.4. 3Thc cffcct of anion channcl system upon thc utilization on thc carbon in calcium carbonatc by microalgac 151 5.5The bio-karstic carbon sink under the influence of carbonic anhydrase 153 5. 5. 1 Thc roleof pHonthc bio-karsticcarbonsink 153 5. 5. 2 Thc role of cxtraccllular carbonic anhydrase on thc bio-karstic carbon sink156 5. 5. 3 Thc References of anionchannfl systemonthcbio-karstic carbon sink 158 Chapter 6 The interaction between inorganic elements and carbonic anhydrase in microalgae 166 6. 1The hormone effect of inorganic elements on carbonic anhydrase 168 6.1.1Thcdosage cffcct of inorganic elements on carbonicanhydrase 168 6. 1.2Thcinflucncc of hormone on carbonic anhydrase 169 6. 1. 3 Thc possible mcchanism on thc hormone cffcct of inorganic elements on carbonic anhydrase 170 6. 2 Influence of carbonic anhydrase on nitrogen, phosphorus and pota？ssium uptake by microalgae 171 6. 2.1Ion uptake kinctics in plants 171 6. 2.2Thcinflucncc of cxtraccllular carbonic anhydraseinhibitoron nitrogen, phosphorus and potassium uptake by microalgac 171 6. 2. 3 Thc possible mcchanism on thc influcncc of carbonic anhydrase upon ino？rganic elements uptake by microalgac 175 6.3 Influence of inorganic elements on carbonic anhydrase 176 6. 3. 1 Influcncc of fluorine on carbonic anhydrase in microalgac 176 6. 3. 2 Influcncc of heavy metal pollutant on carbonic anhydrase in microalgac185 References 190 Chapter 7 Biogeochemical action of microalgal carbonic anhydrase in karst lakes 199 7. 1Carbonic anhydrase versus carbon cycle in karst water environment200 7. 2 Water environment characteristics in karst lakes 204 7.2. 1 Hydrological and physical characteristics in karst lakes 205 7. 2. 2Hydrochcmical characteristics in karst lakes206 7. 3Microalgal Compositionand carbonicanhydrasc in karstlakes 214 7. 3.1Characteristics of the microalgaespccicscompositionandcarbonicanhydrase 214 7. 3. 2 Correlation between carbonic anhydrase activity and the microalgal composition and spccics 216 7. 3. 3 Covariance relations between microalgal spccics and carbonic anhyd- rase 2002？2003 as an example 217 7. 4 Variation of jnorganic carbon versus microalgal carbonic anhydrase jn karst lakes 222 7. 4. 1 Variation characteristics of concentration and carbon isotopic composition of inorganic carbon inkarst lakes 222 7. 4. 2 Relationship between the concentration of bicarbonatc and microalgal S13C of in karst lakes 224 7. 5 Carbon sink ability of microalgaetn karst lakes 227 7. 5. 1Variation of microalgae biomassin karst lakes 227 7. 5. 2 Proportion and pathway of the utilization of inorganic carbon by microalgae in karst lakes 228 7. 5. 3 Carbon sink of microalgae in karst lakes under the treatment with acct-azolamidc and sodium carbonate 230 7. 5. 4Evaluation on the carbon sink ofmicroalgac in karstlakes 233 References 237 Chapter 8 Prospects249

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**章碳酸酐酶的生物学作用 摘 要 碳酸酐酶（carbonic anhydrase, CA , EC 4. 2. 1.1)是一种含锌的金属酶,催 化CO2与HCD32间的可逆转化。碳酸酐酶在生物界分布广泛，种类众多，它 的活性受环境条件的影响很大，主要影响因素有：水分、光照、环境pH、CO2 浓度、HCO3浓度等环境条件。碳酸酐酶在光合作用、呼吸作用、维持生物体内 酸碱平衡及离子交换等方面都具有非常重要的生理功能。 碳酸酐酶的分析方法主要有：pH计法、放射免疫分析法、同位素二氧化碳 质谱分析法、mRNA测定法、比色法等，其中，以改进的pH计法*常用。 碳酸酐酶的抑制剂主要有乙酰唑胺（acetazolamide, AZ)和乙氧苯并噻唑磺胺 (ethoxyzolamide, EZ)，它们在碳酸酐酶的研究中具有非常重要的意义。本书中 我们利用乙酰唑胺来研究碳酸酐酶胞外酶的一些生物地球化学过程。 Chapter 1Biological function of carbonic anhydrase Abstract Carbonic anhydrase ( CA， EC4. 2.1.1)， a zinc-containing metalloenzyme， catalyzes the reversible interconversion between bicarbonate (HCO3 ) and carbon dioxide (CO2 ). CA is ubiquitously found in all kindoms of life and it has multiple isoforms. The activities of CAs are varied largely at different conditions，such as moisture，light，pH, CO2 concentration and HCO3 concentration etc. CA plays many physiological functions in photosynthesis, respiration, pH homeostasis, and ion transport etc. The main methods to determine CA activity are as follows： pH meter meth？od ,radioimmunoassay, isotopes of carbon dioxide mass spectrometry, mRNA assay, colorimetry. Among these methods, the pH meter method with slight modifications was used commonly. The acetazolamide (AZ) and ethoxyzolamide (EZ) are two inhibitors, which have very important significance in the study of CA. In this book, AZ was used to study some biogeochemical process of extracellular carbonic anhydrase. **节碳酸酐酶简介 一、碳酸酐酶的结构和性质 碳酸酐酶（carbonic anhydrase, CA) (EC4. 2. 1. 1)是一种含 Zn 的金属酶，分 子质量约为30000Da。它的结构含一条卷曲的蛋白质链和一个Zn2，其中， Zn2处于变形四面体的配位环境。 CA广泛存在于动物和植物中，甚至在有些微生物中也含有该酶（Smith and Ferry, 2000)，到目前为止，已报道出80多种含锌的金属酶，位居各种金属酶 的首位。它可以催化C()2和HCD3之间的相互转化（方程（1-1))。在无CA的条 件下，平衡需要1min;而在有CA催化的条件下，平衡只需要10 6s(Khalifah, 1971)。 碳酸酐酶在光合作用、离子交换、钙化作用、维持生物体内酸碱平衡、无机 碳转运等一系列的生理过程中都有十分重要的生理功能（Badger and Price, 1994; Gilmour and Perry, 2009)。 二、碳酸酐酶的分布 自从1933年首次从牛红细胞中纯化得到**个碳酸酐酶以来（Meldmm and Roughton, 1933),碳酸酐酶的研究就受到了生物学家的广泛关注，陆续在包括 人类在内的哺乳动物、植物和单细胞绿藻中发现了多种多样的碳酸酐酶，而且在 有些微生物中也含有该酶，甚至在古细菌界和细菌界等原核生物中也发现了碳酸 酐酶（Smith and Ferry, 2000)。 三、碳酸酐酶的多样性 碳酸酐酶分布广泛，种类多样，根据其在细胞中的位置，碳酸酐酶可分为质 膜上和质膜内两大类，据此可以分为胞外碳酸酐酶和胞内碳酸酐酶。胞外碳酸酐 酶分布在质膜上及细胞周质空间；胞内碳酸酐酶分布在质膜内，根据其在各个细 胞器中的功能又可分为叶绿体碳酸酐酶、线粒体碳酸酐酶、细胞质碳酸酐酶等。 胞外碳酸酐酶（也称碳酸酐酶胞外酶，CAex)通过金属离子与细胞外表面相 连接，催化细胞扩散层中的HCO3迅速水解生成游离的CO2,从而保证了 CO2 的快速供应。在微藻中，CAex还能直接引起无机碳的浓缩（CCM机制）并具 有区室化特征。在生物的碳代谢过程中，碳酸酐酶胞外酶的存在与否能够显著影 响生物体的生化反应速率，一般情况下，CAex的活性是不足的，而且在不同微 藻中的差异悬殊，相差可达几十倍、甚至几百倍（Colman et al. , 2002)。 叶绿体碳酸酐酶被认为是*重要的碳酸酐酶，进人生物体中的一部分 hco3在细胞内经叶绿体膜蛋白直接把hco3主动转运到叶绿体内，*后经叶 绿体碳酸酐酶转化为CO；；供核酮糖-1， 5 二磷酸羧化/加氧酶（rubisco)固定 (Badger and Price，1994; Park et al. ，1 999; Sultemeyer，1998)。 线粒体碳酸酐酶的催化代谢方向与叶绿体碳酸酐酶的相反，但对生物的生命 活动同样重要，它在生物呼吸代谢中具有重要意义。线粒体碳酸酐酶催化生物的 呼吸代谢，为生物提供充足的能量，并把呼吸代谢中生成的CO2催化为hco3 快速生成，并再次转运到叶绿体基质中，被叶绿体碳酸酐酶催化为CO2，再次 为光合作用提供原料。 根据氨基酸序列和晶体结构分析，碳酸酐酶可以分为以下a、卩、Y、S、￡、 ?六类。 a类碳酸酐酶的研究较多，同时它也是活性较大的一类碳酸酐酶，分子质量 约为30kDa，在Zn原子周围具有三个组氨酸（Moroney et al. ，2001)。它分布广 泛，在脊椎动物（Meldrum and Roughton， 1933)、藻类（Fjwara et al. ， 1990; Fukuzawa et al. ， 1990)、高等植物（Moroney et al. ， 2001; Tuskan et al.， 2006)、真菌（Li et al. ，2009; Elleuche and Poggeler， 2010)等都有发现。 P类碳酸酐酶的研究历史较短，直到1990年才陆续有所报道。*早是在高 等植物中发现的（Burnell et al. , 1990a; Fawcett et al. , 1990)，接下来在蓝细菌 中（Fukuzawa et al. ，1 992)、微藻（Eriksson et al. ， 1 996)以及细菌界和古细菌 界等原核生物中被发现（Gotz et al. ，1 999; Smith and Ferry，1 999，Supuran and Scozzafava，2007)。 P类碳酸酐酶分子质量较大，一般为1 00？200kDa，由23？ 25kDa亚基构成二聚体或多聚体。卩类碳酸酐酶的晶体结构显示Zn2与2个保守 的半胱氨酸和1个保守的组氨酸连接在一起（Braceyet al.，1 994 ; Rowlett et al.， 1994)。 Y类碳酸酐酶*早于1994年在古细菌Methanosarcina thermophila中发现 的（Alber and Ferry，1994)。接下来，在真菌和植物中发现了编码Y结构蛋白质 的碳酸酐酶基因（Newman，1994)。Y类碳酸酐酶具有左手平行的卩-螺旋折叠结 构，它是包含三个Zn原子的同型三聚体。目前认为：它是在30亿年至40亿年 前进化来的，分子质量约为69kDa。*新研究显示：1类碳酸酐酶在植物和微藻 中的线粒体电子传递链中起重要作用（Klodmann et al.，2010; Sunderhaus et al. ，2006)。 以上是三类常见的碳酸酐酶结构，此外，还有三种不常见的碳酸酐酶结构， 它们分别为：在硅藻中发现的8类碳酸酐酶（Roberts et al. , 1 997);在细菌中发 现的￡类碳酸酐酶（So and Espie, 2005; So et al. , 2004);在海洋原核生物中发 现的？类碳酸酐酶。￡类碳酸酐酶的活性中心与卩类碳酸酐酶的相似，也是由2 个半胱氨酸和1个组氨酸构成（Soetal. , 2004)。Z类碳酸酐酶也与卩类碳酸酐酶 相似（Lane and Morel, 2000; Park et al. , 2007),不同的是Zn金属中心可以由 Cd 或 Co 替换（Lane and Morel, 2000; lane et al. , 2005; Park et al. , 2007)。 目前，在莱茵衣藻中发现的碳酸酐酶有a类、P类和Y类（Lindskog, 1 997 ; Moroney et al. , 2011)。虽然所有的碳酸酐酶中都含有Zn离子，而且它们的催 化机制都是相似的（Moroney et al. , 2001 ),但是，不同结构的碳酸酐酶之间没 有显著的序列一致性，而且都是独立进化的。因此，碳酸酐酶是催化功能趋同进 化的极好例子。 第二节碳酸酐酶的作用与意义 一、碳酸酐酶的生理生化作用 碳酸酐酶催化CO2与HCO32间的可逆转化，在脱水作用时，HCO3在活 性中心与Zn-H2O反应，从而使反应快速向右进行（方程（1-1));而在水合作用 时，CO2在活性中心与Zn-OH反应，从而使反应快速向左进行（方程（1-1)),总 之，碳酸酐酶催化CO2与HCO32间的相互转化，*终促进生物的生长发育。 碳酸酐酶在光合作用、离子交换、钙化作用、维持生物体内酸碱平衡、无机 碳转运等一系列的生理过程中都有着十分重要的生理功能（Badger and Price, 1994; Gilmour and Perry, 2009)。 在光合作用过程中，碳酸酐酶通过催化CO2与hco3之间的相互转化来降 低CO2在叶肉细胞中的扩散阻力，加快CO2的供应，为羧化作用提供充足的底 物，并参与调节光合作用，*终加快光合作用的进程（Haglund et al. , 1992a)。 在无机碳的运移过程中，以微藻为代表的水生生物在碳酸酐酶的参与下形成了一种在细胞内提高CO；；浓度的机制无机碳浓缩机制（carbon-concentrating mechanisms, CCM 机制）（Badger et al. , 1998; Badger and Price, 1 992; Bozzo and Colman, 2000 ; Colman et al. , 2002 ; Giordano et al. , 2005)。一般来说，具 有CCM机制的微藻体内CO2浓度是环境中的5？75倍（Badger etal. , 1998)。依 靠CCM机制，微藻可以在水体CO2浓度较低的条件下达到较高的光合速率。 在离子交换方面，根据碳酸酐酶的催化方程（方程（1-1) ),它有两种关键的 离子，分别为阴离子（HCO3)和阳离子（H ),植物生长所需的K 、Na 、Ca2、Mg2等阳离子，很容易通过离子交换进人生物体；而PO/、NO3等阴 离子，也可以通过离子交换的方式而快速被生物利用。 在钙化作用方面，有碳酸酐酶参与的情况下，钙化沉积速度加快，如鸟蛋壳 的形成，软体动物的贝壳等。在禽类的产蛋过程中，碳酸酐酶在蛋壳的形成中具 有重要的催化作用，它能够加速蛋壳膜上碳酸钙晶体的生长和积聚（Fernandez et al. , 2004)。 在维持酸碱平衡方面，碳酸酐酶在HCO3的脱水过程中，释放OH ,有利 于抑制环境酸化；而在CO2的水合过程中，释放出H ,抑制环境的pH过高。 总之，在生物碳酸酐酶的参与下，有利于维持环境pH的稳定。 二、影响碳酸酐酶活力的主要因素 碳酸酐酶是一种诱导酶，其活性大小受环境影响很大，主要有：水分、pH、 光照、CO2浓度、HCO3浓度等因素，尤其是环境中CO2浓度的下降，诱导碳酸 酐酶活性升高的报道*多（Badger et a. , 2002 ； Burkhardt et aL , 2001 ； Moroney and Somanchi, 1 999；陈雄文和高坤山，2003; Price, 2011; Hofmann et a., 2013)。 1.水分与碳酸酐酶活性 水是光合作用的原料，没有水就不能进行光合作用。CA作为光合作用的重 要调节酶，也会因水分不同而表现出不同的活性，以适应不同的水环境，满足光 合作用的要求。在水分干旱逆境条件下，CA活性的变化与光合速率的变化保持 一致，CA可能影响整个光合作用过程（Downton andSlatyer, 1972)。水稍旗叶 在全展后可逆衰退阶段经历土壤干旱处理时，如干旱程度不十分严重，气孔导度 等光合参数都会相应下降，但CA活性却因为逆境诱导而有较大幅度的上升，这 促使了叶肉细胞气孔导度的上升和CO2有效供给的增加，在一定程度上补偿由于 气孔关闭而引起的光合速率下降。倒5叶期由于处于不可逆衰退阶段，其光合机 构已经衰退，干旱处理不能诱导CA活性增加，反而引起大幅度下降。说明在水 分逆境条件下CA活性对光合速率有调节作用，植物不同品种在水分逆境条件下 仍能维持较高的光合速率可能是其广适性的原因，因此CA活性对水分逆境的响 应程度可能是品种适应性强弱的指标之一（戴新宾等，2000)。脱水和聚乙二醇诱 导的渗透胁迫对拟南芥的碳酸酐酶基因表达具有显著影响（Wu et a. , 2012)。在 水分胁迫下，橄榄树的碳酸酐酶基因表达下调，复水后该基因表达上调（Perez- Martin et a. , 2014)。 2.pH与碳酸酐酶活性 pH对植物的酶促反应有调节作用。细胞中每一种酶都有*适的pH和*适 pH的微环境。即使是pH的微小变化也会导致酶促反应速度的改变。酸性条件 下生长的椭圆小球藻的CA的活力明显比在碱性条件下生长的CA的活力小（Ro- tatore and Colman， 1991); Janette和John认为造成酸性pH时CA活性明显低 于碱性pH时的原因，是pH影响无机碳存在形式：酸性条件下，无机碳主要以 CO2形式存在，它有足够的量进人细胞催化hco3迅速转化成ca，碱性条件下 无机碳主要以HCO3存在，必须依靠CA催化HCO3迅速转化成CO2，以满足机 体的需要(Janette and John，1994)。对莱氏衣藻在不同pH下胞外碳酸酐酶活性 变化的观测表明，在pH 7. 2时诱导的酶活性*高，而pH 5. 5时诱导的酶活性 明显低于pH 7. 2和pH 9. 0时诱导的酶活性（陈雄文和戴新宾，2000)。对甲藻 而言，pH 7. 5时对胞外碳酸酐酶的诱导效果*好（戴芳芳等，2011)。此外，碱性 条件还可能直接影响植物的生长，以致影响机体CA的表达（Williams and Col？man ，1996)。 3.光强对碳酸酐酶活性的影响 CA是参与CO2传导而进人羧化位点的重要光合酶，其活性高低对光合作用 有较大影响。光是影响光合作用的重要环境因子之一。在Q植物中，CA可通过 促进CO2的液相扩散调节光合作用(Burnell et al.，1990b)。CA催化CO2转变为 DIC及DIC转变为光合羧化部位所需的CO2。CA活性的变化受光强的调节，与 Rubisco羧化速率的变化相似，光诱导Rubisco活性和羧化速率增高的同时出现 CA活性相应增高（Haglund et al.，1 992b)。因为羧化作用增强使光合羧化位点 的CO〗分压下降，有利于促进CA催化反应进程（Rawat and Moroney， 1 995)。 生长在强光下的Gracilaria tenuistipitata的DIC传输速率增高（Mercado et al.， 2000)。同时，CA活性的增高又有利于增大Rubisco对CO2的亲和力。已证明 水稻CA活性增高可降低CO2固定的值，提高光合CO2固定能力；CA活性 增高也被视为水稻减轻在强光下出现光抑制的手段之一（季本华等，1 997)。植物 通过调节CA活性而适应光环境的变化。 4.无机、有机阴离子及其他因素与碳酸酐酶 活性CA作为一种含Zn金属酶，被Zn专性活化，Zn2对CA的活性具有调 节作用，金属离子如Cd2、Co2也影响CA的活力。Na也影响CA的活力：植 株缺Na，叶片中的CA的活力是对照的两倍（Brownell et al.，1991)。 无机和有机阴离子能强烈抑制CA活力（Hatch，1991; Johansson and Fors- man，1994);氮的缺乏会降低CA的活力，同时，可通过增加硝酸盐而慢慢恢复 到原活力（Burnell et al.，1990b); HCO3、醋酸盐能调节该酶的活力（Merrett et al.，1 996);甘氨酸、葡萄糖和其他有机碳对CA的诱导有抑制作用（Umino and