Carbonic anhydrases (CAs, EC 4.2.1.1) are a family of metalloenzymes that catalyze the reversible interconversion of CO2 and HCO3−. Of the 15 isoforms of human (h) α-CA, 12 are catalytic (hCAs I-IV, VA, VB, VI, VII, IX, XII-XIV). The remaining three acatalytic isoforms (hCAs VIII, X and XI) lack the active site Zn2+ and are referred to as CA-related proteins (CA-RPs); however, their function remains elusive. Overall these isoforms are very similar to each other in structure but they differ in their expression and distribution. The favourable properties of hCA II such as fast kinetics, easy expression and purification, high solubility and intermediate heat resistance have made it an attractive candidate for numerous industrial applications. This review highlights the structural similarity and stability comparison among hCAs.

Significance The diverse environment of cellular membranes presents unique challenges in deciphering the roles that lipids play in modulating membrane protein structure and function. Here, we developed a native mass spectrometry approach to monitor binding of different lipid types to membrane proteins. We discovered that specific lipid−protein interactions can allosterically modulate the binding of lipids of different types. We also determined the structure of AmtB bound to cardiolipin, and mutation of residues involved in binding this lipid abolishes the observed allosteric effect. Our findings are of particular significance as they contribute to our general knowledge of how lipids modulate protein structure and function and how membrane proteins may recruit, through allostery, their own lipid microenvironment.

The carbonic anhydrases (CAs; EC 4.2.1.1) are a family of metalloenzymes that catalyze the reversible hydration of carbon dioxide (CO2) and dehydration of bicarbonate (HCO3 −) in a two-step ping-pong mechanism: $$ \mathrm{C}{{\mathrm{O}}_2} + {{\mathrm{H}}_2}\mathrm{O}\leftrightarrow \mathrm{HC}{{\mathrm{O}}_3}^{-} + {{\mathrm{H}}^{+}} $$ CAs are ubiquitous enzymes and are categorized into five distinct classes (α, β, γ, δ and ζ). The α-class is found primarily in vertebrates (and the only class of CA in mammals), β is observed in higher plants and some prokaryotes, γ is present only in archaebacteria whereas the δ and ζ classes have only been observed in diatoms. The focus of this chapter is on α-CAs as the structure-function relationship is best understood for this class, in particular for humans. The reader is referred to other reviews for an overview of the structure and catalytic mechanism of the other CA classes. The overall catalytic site structure and geometry of α-CAs are described in the first section of this chapter followed by the kinetic studies, binding of CO2, and the proton shuttle network.

Botulinum neurotoxin B is a Food and Drug Administration-approved therapeutic toxin. However, it has lower binding affinity toward the human version of its major receptor, synaptotagmin II (h-Syt II), compared to mouse Syt II, because of a residue difference. Increasing the binding affinity to h-Syt II may improve botulinum neurotoxin B's therapeutic efficacy and reduce adverse effects. Here we utilized the bacterial adenylate cyclase two-hybrid method and carried out a saturation mutagenesis screen in the Syt II-binding pocket of botulinum neurotoxin B. The screen identifies E1191 as a key residue: replacing it with M/C/V/Q enhances botulinum neurotoxin B binding to human synaptotagmin II. Adding S1199Y/W or W1178Q as a secondary mutation further increases binding affinity. Mutant botulinum neurotoxin B containing E1191M/S1199Y exhibits ~11-fold higher efficacy in blocking neurotransmission than wild-type botulinum neurotoxin B in neurons expressing human synaptotagmin II, demonstrating that enhancing receptor binding increases the overall efficacy at functional levels. The engineered botulinum neurotoxin B provides a platform to develop therapeutic toxins with improved efficacy.Humans are less sensitive to the therapeutic effects of botulinum neurotoxin B (BoNT/B) than the animal models it is tested on due to differences between the human and the mouse receptors. Here, the authors engineer BoNT/B to improve its affinity to human receptors and enhance its therapeutic efficacy.

HIV-1 protease is an essential enzyme for viral particle maturation and is a target in the fight against HIV-1 infection worldwide. Several natural polymorphisms are also associated with drug resistance. Here, we utilized both pulsed electron double resonance, also called double electron-electron resonance, and NMR (15)N relaxation measurements to characterize equilibrium conformational sampling and backbone dynamics of an HIV-1 protease construct containing four specific natural polymorphisms commonly found in subtypes A, F, and CRF_01 A/E. Results show enhanced backbone dynamics, particularly in the flap region, and the persistence of a novel conformational ensemble that we hypothesize is an alternative flap orientation of a curled open state or an asymmetric configuration when interacting with inhibitors.

As the global atmospheric emissions of carbon dioxide (CO 2 ) and other greenhouse gases continue to grow to record-setting levels, so do the demands for an efficient and inexpensive carbon sequestration system. Concurrently, the first-world dependence on crude oil and natural gas provokes concerns for long-term availability and emphasizes the need for alternative fuel sources. At the forefront of both of these research areas are a family of enzymes known as the carbonic anhydrases (CAs), which reversibly catalyze the hydration of CO 2 into bicarbonate. CAs are among the fastest enzymes known, which have a maximum catalytic efficiency approaching the diffusion limit of 10 8 M −1 s −1 . As such, CAs are being utilized in various industrial and research settings to help lower CO 2 atmospheric emissions and promote biofuel production. This review will highlight some of the recent accomplishments in these areas along with a discussion on their current limitations.

The carbonic anhydrases (CAs) are mostly zinc-containing metalloenzymes which catalyze the reversible hydration/dehydration of carbon dioxide/bicarbonate. The CAs have been extensively studied because of their broad physiological importance in all kingdoms of life and clinical relevance as drug targets. In particular, human CA isoform II (HCA II) has a catalytic efficiency of 108 M−1 s−1, approaching the diffusion limit. The high catalytic rate, relatively simple procedure of expression and purification, relative stability and extensive biophysical studies of HCA II has made it an exciting candidate to be incorporated into various biomedical applications such as artificial lungs, biosensors and CO2 sequestration systems, among others. This review highlights the current state of these applications, lists their advantages and limitations, and discusses their future development.

The carbonic anhydrases (CAs) are a family of mostly zinc metalloenzymes that catalyze the reversible hydration of CO2 to bicarbonate and a proton. Recently, there has been industrial interest in utilizing CAs as biocatalysts for carbon sequestration and biofuel production. The conditions used in these processes, however, result in high temperatures and acidic pH. This unfavorable environment results in rapid destabilization and loss of catalytic activity in CAs, ultimately resulting in cost-inefficient high-maintenance operation of the system. In order to negate these detrimental industrial conditions, cysteines at residues 23 (Ala23Cys) and 203 (Leu203Cys) were engineered into a wild-type variant of human CA II (HCAII) containing the mutation Cys206Ser. The X-ray crystallographic structure of the disulfide-containing HCAII (dsHCAII) was solved to 1.77 Å resolution and revealed that successful oxidation of the cysteine bond was achieved while also retaining desirable active-site geometry. Kinetic studies utilizing the measurement of 18O-labeled CO2 by mass spectrometry revealed that dsHCAII retained high catalytic efficiency, and differential scanning calorimetry showed acid stability and thermal stability that was enhanced by up to 14 K compared with native HCAII. Together, these studies have shown that dsHCAII has properties that could be used in an industrial setting to help to lower costs and improve the overall reaction efficiency.