Hidrogenaza

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

O hidrogenază este o enzimă care catalizează oxidarea reversibilă a hidrogenului molecular (H 2 ), după cum se arată mai jos:

  1. H 2 + A bou → 2H + + A roșu
  2. 2H + + D roșu → H 2 + D ox

Consumul de hidrogen (1) este cuplat cu reducerea acceptorilor de electroni precum oxigenul , azotatul , sulfatul , dioxidul de carbon și fumaratul . Pe de altă parte, reducerea protonilor (2) este cuplată la oxidarea donatorilor de electroni precum feredoxina (FNR) și servește la eliminarea excesului de electroni în celule (esențial în fermentarea piruvatului ). Ambii compuși cu greutate moleculară mică și proteine , cum ar fi FNR, citocrom c 3 și c citocromului 6 poate acționa ca donori de electroni fiziologice sau acceptori pentru hydrogenase. [1]

Clasificare structurală

Structura siturilor active ale celor trei tipuri de hidrogenaze, reprezentate de proiecția pană și eclozare .

Hidrogenazele sunt clasificate în funcție de care dintre următoarele trei tipuri de atomi metalici alcătuiesc situsul activ : [NiFe], [FeFe] și [Fe] - numai . Până în 2004 se credea că [Fe] - numai hidrogenaza nu conține atomi de metal (fără metal ). Apoi, Thauer și colegii săi au arătat că hidrogenazele fără metal conțin de fapt un atom de fier în situl lor activ. [2] Aceste proteine conțin doar un sit activ [Fe] și nu au centri fier-sulf , spre deosebire de hidrogenazele [FeFe]. [NiFe] și [FeFe] hidrogenazele au unele caracteristici comune în structura lor: fiecare enzimă are un situs activ și câțiva centri Fe-S care sunt cuprinși în proteină. Situl activ, care este locul unde are loc cataliza, este, de asemenea, un metalocluster și fiecare metal este coordonat de liganzi de monoxid de carbon (CO) și cianură (CN - ). [3]

Hidrogenaza [NiFe]

Structura cristalină a hidrogenazei [NiFe]

[NiFe] hidrogenazele sunt proteine ​​heterodimerice constând dintr-o subunitate mică (S) și o subunitate mare (L). Subunitatea S conține trei grupuri de fier-sulf, în timp ce subunitatea L conține situl activ: un centru de nichel-fier care este conectat la solvent printr-un tunel molecular. [4] În unele hidrogenaze [NiFe] unul dintre reziduurile de cisteină care coordonează în mod normal nichelul este înlocuit cu selenocisteină . Pe baza similarității secvenței, totuși, hidrogenazele [NiFe] și [NiFeSe] trebuie considerate o singură superfamilie. Până în prezent s-au găsit hidrogenaze periplasmice, citoplasmatice și citoplasmatice legate de membrană. The hidrogenază [NiFe], atunci când sunt izolate, se constată că catalizează atât evoluția și absorbția de H2, prin acțiunea potențial scăzut multi- hem citocromilor , cum ar fi c citocromului 3, care acționează atât ca donatori și ca acceptori de electroni, în funcție de starea lor de oxidare. În general, cu toate acestea, [NiFe] hidrogenază sunt mai active în oxidarea H2. La fel ca hidrogenazele [FeFe], [NiFe] este cunoscut a fi inactivat de oxigen molecular (O 2 ). În 2005 s-a descoperit că o nouă hidrogenază derivată din Ralstonia eutropha pare să fie tolerantă la oxigen. [5] Această descoperire a sporit speranța că hidrogenazele pot fi utilizate în producția de hidrogen molecular prin divizarea apei, într-un proces de fotosinteză artificială .

Hidrogenaza [FeFe]

Structura cristalină a hidrogenazei [FeFe]

Hidrogenazele care conțin clustere Fe-S sau nici un alt atom de metal în afară de fier se numesc hidrogenaze [FeFe]. [6] Se cunosc trei familii ale acestui tip de hidrogenază:

  • hidrogenaze citoplasmatice, solubile și monomerice găsite în organisme anaerobe stricte precum Clostridium pasteurianum și Megasphaera elsdenii . Acestea sunt extrem de supuse inactivării prin oxigen molecular și catalizează atât evoluția, cât și absorbția hidrogenului molecular.
  • hidrogenază periplasmic și heterodimere prezente în diferite Desulfovibrio specii, care pot fi purificate în prezența oxigenului și în principal catalizează oxidarea H2.
  • hidrogenază solubili și monomere, găsite în cloroplaste de verde alga Scenedesmus obliquus și care catalizează evoluția H2. Ferredoxina Fe 2 S 2 ] acționează ca un donator natural de electroni, acționând ca o punte între enzimă și lanțul fotosintetic de transport al electronilor .

Spre deosebire de hidrogenazele [NiFe], [FeFe] sunt în general mai active în producția de hidrogen molecular. În literatură, ratele de rotație (TOF) sunt raportate în ordinea a 10.000 s -1 pentru [FeFe] d Clostridium pasteurianum hidrogenază. [7] Aceasta a condus la cercetări intense cu o atenție deosebită utilizării hydrogenase [FeFe] pentru producția durabilă de H2. [8]

Hidrogenază [Fe] - numai

Structura cristalină a hidrogenazei [Fe]

Hidrogenaza [Fe] - numită doar 5,10-meteniltetrahidrometanopterină hidrogenază ( CE 1.12.98.2), găsită în metanogenul Archaea , nu include clustere de nichel sau fier-sulf, ci un cofactor (5,10-meteniltetrahidrometanopterină sau 5,10 - metenil-THMPT) care conține fier care a fost caracterizat prin difracție cu raze X. [9]

Spre deosebire de celelalte două tipuri, aceste hidrogenaze se găsesc doar în unele arhee metanogene hidrogenotrofe. Ei au, de asemenea, un mecanism enzimatic fundamental diferit în ceea ce privește partenerii redox și modul în care electronii sunt conduși la locul activ. În hidrogenaze [NiFe] și [FeFe] electronii călătoresc printr-o serie de clustere organometalice care acoperă o distanță relativ mare; pe tot parcursul procesului, structurile sitului activ rămân neschimbate. În [Fe] - numai hidrogenaze, cu toate acestea, electronii sunt livrați direct la locul activ de-a lungul unei căi care acoperă o distanță scurtă. Cofactorul metenil-THMPT + acceptă direct hidrura (H - ) în proces. Aceste hidrogenază sunt cunoscute ca H 2 -forming dehidrogenaze metilen-THMPT, deoarece funcția sa este reducerea reversibilă a methenyl-THMPT + pentru metilen-THMPT. [10] Hidrogenarea unui metenil-THMPT + are loc în sens invers față de producerea de hidrogen, care este cazul celorlalte două tipuri de hidrogenaze. Deși mecanismul exact al catalizei este încă în curs de studiu, pare evident că mai întâi are loc scindarea heterolitică a hidrogenului molecular de către Fe (II), apoi are loc transferul hidrurii către carbocația acceptorului . [11]

Mecanism de acțiune

Mecanismul molecular prin care protonii sunt transformați în molecule de hidrogen de către hidrogenază este încă în studiu. O abordare comună a studierii mecanismului molecular utilizează mutageneză pentru a elucida rolul anumitor aminoacizi și liganzi în diferite etape ale catalizei, de exemplu în timpul transportului intramolecular al substraturilor. De exemplu, Cornish și colegii săi au descoperit, prin mutageneză, că patru aminoacizi, localizați de-a lungul canalului putativ care leagă situsul activ de suprafața enzimei, sunt critici pentru funcția enzimatică a hidrogenazelor Clostridium pasteurianum [FeFe]. [12] Pe de altă parte, se poate conta și pe analize și simulări computaționale: Nilsson și Lill Siegbahn au adoptat această abordare pentru a investiga mecanismul prin care hidrogenazele [NiFe] catalizează clivajul hidrogenului molecular. [13] Cele două abordări sunt complementare și pot beneficia reciproc. Într-adevăr, Cao și Hall au combinat ambele abordări pentru a dezvolta modelul care descrie modul în care moleculele de hidrogen sunt oxidate sau produse în situsul activ al hidrogenazelor [FeFe]. [14] Deși sunt necesare mai multe date experimentale până în prezent pentru a elucida mecanismul de bază al catalizei, aceste rezultate au permis oamenilor de știință să aplice aceste cunoștințe, de exemplu, la construirea catalizatorilor artificiali care imită siturile active ale hidrogenazelor. [15]

Funcția biologică

Presupunând că Pământul e atmosfera a fost inițial bogat în hidrogen, oamenii de știință speculează că hidrogenază evoluat pentru energie produse de la (sau sub formă de) hidrogen molecular. În consecință, hidrogenazele ar fi putut favoriza proliferarea microorganismelor în condiții de mediu similare sau chiar au permis ecosistemelor întregi să se bazeze pe hidrogen. [16] În adâncurile mării, unde alte forme de energie precum lumina soarelui nu sunt disponibile, au fost identificate comunități de microorganisme al căror metabolism se bazează pe sinteza hidrogenului molecular. Pe baza acestor observații, se pare că rolul principal al hidrogenazelor este generarea de energie, atât pentru ei înșiși, cât și pentru alte organisme din cadrul unei comunități.

Hidrogenazele au și alte funcții descoperite mai recent: hidrogenazele bidirecționale pot acționa și ca „valve” pentru a regla excesul de echivalenți reducători, în special în microorganismele fotosintetice. Acest rol investește hidrogenazele unui rol fundamental în metabolismul anaerob . [17] [18] Mai mult, hidrogenazele pot fi, de asemenea, implicate în stocarea de energie mediată de membrană prin generarea unei forțe motrice transmembranare . [16] Există, de asemenea, posibilitatea ca hidrogenazele să fie responsabile pentru bioremedierea compușilor clorurați. Hidrogenază capabile să îndepărteze H2 poate ajuta la recuperarea Metalele în forme non-toxice. Este interesant de observat că aceste hidrogenaze capabile să absoarbă hidrogenul au fost identificate și în bacteriile și paraziții patogeni, în care se crede că acești antici sunt implicați în virulența lor. [16]

Aplicații

Hidrogenazele au fost descoperite în 1930, [19] și de atunci au atras interesul multor cercetători, inclusiv ale chimiștilor anorganici care au sintetizat o serie de hidrogenaze naturale similare din punct de vedere structural. Înțelegerea mecanismului catalitic al hidrogenazelor ar putea ajuta oamenii de știință să proiecteze surse de energie curate de origine biologică (de exemplu pe bază de alge ) care produc hidrogen. [20]

Producția biologică de hidrogen

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Producția biologică de hidrogen .

Diferite sisteme sunt capabile să împartă apa în O 2 și H + de la lumina soarelui incidentă. De asemenea, numeroși catalizatori, fie chimică sau biologică, sunt capabile să reducă H + produsă la H2. Catalizatori diferiți necesită potențiale exagerate diferite pentru ca reacția să aibă loc. Hidrogenază sunt interesante prin aceea că ele necesită un nivel relativ scăzut suprapotențial: activitatea catalitică este de fapt mai eficace decât platina , care este cel mai bun catalizator cunoscut pentru reacțiile care dezvoltă H2. [21] Dintre cele trei tipuri diferite de hidrogenaze, [FeFe] hidrogenazele sunt considerate a fi cele mai bune candidate pentru a juca un rol în sistemele de producție H 2 din lumina soarelui deoarece oferă un avantaj suplimentar datorită cifrei de afaceri ridicate (mai mare de 9000 s -1 ). [7] Activitatea catalitică scăzută și suprapotențialul scăzut tipic hidrogenazelor [FeFe] sunt însoțite de o sensibilitate ridicată la oxigenul molecular. Pentru a utiliza acest tip de hidrogenază în producția solară de H2 este necesară proiectarea hidrogenazelor tolerante la oxigen, deoarece O 2 este un produs secundar al reacției de scindare a apei. Inițial, eforturile de cercetare ale diferitelor grupuri din întreaga lume s-au concentrat pe înțelegerea mecanismelor implicate în inactivarea hidrogenazelor de către oxigen. [22] [23] De exemplu, Stripp și colegii săi s-au concentrat pe studierea filmelor electrochimice de proteine, constatând că oxigenul este mai întâi transformat într-o specie reactivă la locul activ al hidrogenazei [FeFe], deteriorând domeniul [4Fe-4S]. [24] Cohen și colegii săi au studiat modul în care oxigenul poate ajunge la locul activ (care este îngropat în corpul proteinei) printr-o abordare de simulare a dinamicii moleculare. Rezultatele lor indică faptul că , în principal O 2 difuzează prin două căi care sunt formate prin extinderea și interconectarea între cavitățile enzimatice în timpul mișcărilor dinamice care suferă de enzime în timpul activității sale. [25] Aceste studii, în combinație cu alte rezultate, sugerează că inactivarea este reglementată de două fenomene: difuzia de O 2 la locul activ și modificarea distructivă consecventă a sitului activ în sine.

În ciuda acestor descoperiri, tehnicile de inginerie ale enzimei pentru a o face tolerantă la oxigen sunt încă studiate. Cercetătorii au identificat hidrogenaze tolerante la oxigen [NiFe], cu toate acestea aceste enzime sunt eficiente doar în absorbția hidrogenului și nu în producerea acestuia. [22]

Clasificare biochimică

EC 1.2.1.2 hidrogen dehidrogenază (hidrogen: NAD + oxidoreductază)

H 2 + NAD + = H + + NADH

EC 1.12.1.3 hidrogen dehidrogenază (NADP +) (hidrogen: NADPH + oxidoreductază)

H 2 + NADP + = H + + NADPH

CE 1.12.2.1 citocrom- c 3 hidrogenază (hidrogen: fericitocrom- c 3 oxidoreductază)

2H 2 + fericitocrom c 3 = 4H + + ferocitocrom c 3

CE 1.12.7.2 feredoxin hidrogenază (hidrogen: ferredoxin oxidoreductază)

H 2 + feredoxină oxidată = 2H + + feredoxină redusă

EC 1.12.98.1 coenzima F 420 hidrogenaza (hidrogen: coenzima F 420 oxidoreductaza)

H 2 + coenzima F 420 = coenzima redusă F 420

EC 1.12.99.6 hidrogenază (acceptor) (hidrogen: acceptor oxidoreductază)

H 2 + A = AH 2

EC 1.12.5.1 hidrogen: chinon oxidoreductaza

H 2 + menaquinonă = menaquinol

CE 1.12.98.2 5,10-meteniltetrahidrometanopterin hidrogenază (hidrogen: 5,10-meteniltetrahidrometanopterin oxidoreductază)

H 2 + 5,10-meteniltetrahidrometanopterină = H + + 5,10-metilenetetrahidrometanopterină

EC 1.12.98.3 metanosarcină - fenazin hidrogenază [hidrogen: 2- (2,3-dihidropentapreniloxi) fenazin oxidoreductază]

H 2 + 2- (2,3-dihidropentaprenil) fenazină = 2-dihidropentapreniloxifenazină

Notă

  1. ^ Vignais, PM, Billoud, B., Meyer, J., Clasificarea și filogenia hidrogenazelor , în FEMS Microbiol. Rev., voi. 25, nr. 4, 2001, pp. 455-501, PMID 11524134 .
  2. ^ Shima, S., Pilak, O., Vogt, S., Schick, M., Stagni, MS, Meyer-Klaucke, W., Warkentin, E., Thauer, RK, Ermler, U., Structura cristalină a [Fe] -hidrogenaza dezvăluie geometria sitului activ , în Știința , vol. 321, n. 5888, 2008, pp. 572-575, DOI : 10.1126 / science.1158978 , PMID 18653896 .
  3. ^ Fontecilla-Camps, JC, Volbeda, A., Cavazza, C., Nicolet Y., Relațiile structură / funcție ale [NiFe] - și [FeFe] -hidrogenazelor , în Chem Rev , vol. 107, nr. 10, 2007, pp. 4273-4303, DOI : 10.1021 / cr050195z , PMID 17850165 .
  4. ^ Liebgott PP, Leroux F, Burlat B, Dementin S, Baffert C, Lautier T, Fourmond V, Ceccaldi P, Cavazza C, Meynial-Salles I, Soucaille P, Fontecilla-Camps JC, Guigliarelli B, Bertrand P, Rousset M, Léger C., Relatarea difuziei de-a lungul tunelului substratului și sensibilitatea la oxigen în hidrogenază , în Nat. Chem. Biol. , vol. 6, nr. 1, 2010, pp. 63-70, DOI : 10.1038 / nchembio.276 , PMID 19966788 .
  5. ^ Burgdorf, T., Buhrke, T., van der Linden, E., Jones, A., Albracht, S. și Friedrich, B., [NiFe] -Hidrogenaze ale Ralstonia eutropha H16: Enzime modulare pentru biologice tolerante la oxigen Oxidarea hidrogenului , în J. Mol. Microbiol. Biotehnologie. , vol. 10, 2005, pp. 181–196, DOI : 10.1159 / 000091564 , PMID 16645314 .
  6. ^ Nicolet, Y., Lemon, BJ, Fontecilla-Camps, JC și Peters, JW, Un roman FeS cluster în hidrogenaze numai cu Fe , în Trends Biochem. Sci., Voi. 25, nr. 3, 2000, pp. 138–143, DOI : 10.1016 / S0968-0004 (99) 01536-4 , PMID 10694885 .
  7. ^ a b Madden, C., Vaughn, MD, Díez-Pérez, I., Brown, KA, King, PW, Gust, D., Moore, AL, Moore, TA, Cifra de afaceri catalitică a [FeFe] -Hidrogenazei pe baza Imagistica cu o singură moleculă , în J. Am. Chem. Soc., Voi. 134, 2012, pp. 1577–1582, DOI : 10.1021 / ja207461t , PMID 21916466 .
  8. ^ Smith, PR, Bingham, AS, Swartz, JR, Generarea hidrogenului din NADPH folosind o hidrogenază [FeFe] , în Int. J. Hydrogen Energy , vol. 37, 2012, pp. 2977–2983, DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2011.03.172 .
  9. ^ Shima, S., Pilak, O., Vogt, S., Schick, M., Stagni, MS, Meyer-Klaucke, W., Warkentin, E., Thauer, RK, Ermler, U., Structura cristalină a [Fe] -hidrogenaza dezvăluie geometria sitului activ , în Știința , vol. 321, n. 5888, 2008, pp. 572-575, DOI : 10.1126 / science.1158978 , PMID 18653896 .
  10. ^ Salomone-Stagnia, M., Stellatob, F., Whaleyc, CM, Vogtd, S., Moranteb, S., Shimad, S., Rauchfussc, TB, Meyer-Klaucke, W., The iron-site structure of [ Fe] -hidrogenază și sisteme model: un studiu de absorbție a razelor X în spectroscopie de margine , în Dalton Transactions , vol. 39, 2010, pp. 3057-3064, DOI : 10.1039 / b922557a , PMID 20221540 .
  11. ^ Hiromoto, T., Warkentin, E., Moll, J., Ermler, U., Shima, S., Iron-Chromophore Circular Dichroism of [Fe] -Hidrogenase: the Conformational Change Required for H2 Activation , în Angew. Chem. Int. , Vol. 48, 2009, pp. 6457–6460, DOI : 10.1002 / ange.201006255 , PMID 21105038 .
  12. ^ Cornish, AJ, Gärtner, K., Yang, H., Peters, JW, Hegg, EL, Mecanismul transferului de protoni în [FeFe] -Hidrogenaza din Clostridium Pasteurianum , în J. Biol. Chem. , vol. 286, 2011, pp. 38341–38347, DOI : 10.1074 / jbc.M111.254664 , PMID 21900241 .
  13. ^ Lill, SON, Siegbahn, PEM, Un mecanism autocatalitic pentru NiFe-hidrogenaza: reducerea la Ni (I) urmată de adaos oxidativ , în Biochimie , vol. 48, 2009, pp. 1056-1066, DOI : 10.1021 / bi801218n , PMID 19138102 .
  14. ^ Cao, Z., Hall, MB, Modelarea siturilor active în metaloenzime. 3. Calcule funcționale ale densității pe modele pentru [Fe] -Hidrogenaza: structuri și frecvențe vibraționale ale formelor redox observate și mecanismul de reacție la Centrul activ Diiron , în J. Am. Chem. Soc., Voi. 123, 2001, pp. 3734–3742, DOI : 10.1021 / ja000116v , PMID 11457105 .
  15. ^ Tard, C., Liu, X., Ibrahim, SK, Bruschi, M., Gioia, LD, Davies, SC, Yang, X., Wang, LS, Sawers, G., Pickett, CJ, Sinteza H -cadrul de hidrogenază numai cu fier , în Nature , vol. 433, 2005, pp. 610-613, DOI : 10.1038 / nature03298 , PMID 15703741 .
  16. ^ a b c Vignais, PM, Billoud, B., Apariția, clasificarea și funcția biologică a hidrogenazelor: o privire de ansamblu , în Chem. Rev., voi. 107, 2007, pp. 4206–4272, DOI : 10.1021 / cr050196r , PMID 17927159 .
  17. ^ Adams, MWW și Stiefel, EI, Producția de hidrogen biologic: Nu este atât de elementar , în Știința , vol. 282, nr. 5395, 1998, pp. 1842–1843, DOI : 10.1126 / science.282.5395.1842 , PMID 9874636 .
  18. ^ Frey, M., <153 :: AID-CBIC153> 3.0.CO; 2-B Hidrogenaze: enzime activatoare de hidrogen , în ChemBioChem , vol. 3, nr. 2-3, 2002, pp. 153-160, DOI : 10.1002 / 1439-7633 (20020301) 3: 2/3 <153 :: AID-CBIC153> 3.0.CO; 2-B , PMID 11921392 .
  19. ^ Thauer, RK, Biochimia metanogenezei: un tribut adus lui Marjory Stephenson ( PDF ) [ link rupt ] , în Microbiologie , vol. 144, 1998, pp. 2377-2406. Accesat la 4 noiembrie 2013 .
  20. ^ Florin, L., Tsokoglou, A. și Happe, T., Un nou tip de fier hidrogenază în alga verde Scenedesmus obliquus este legat de lanțul fotosintetic de transport al electronilor , în J. Biol. Chem. , vol. 276, nr. 9, 2001, pp. 6125–6132, DOI : 10.1074 / jbc.M008470200 , PMID 11096090 .
  21. ^ Hinnemann, B., Moses, PG, Bonde, J., Jørgensen, KP, Nielsen, JH, Horch, S., Chorkendorff, I., Nørskov, JK, Evoluția hidrogenului biomimetic: nanoparticulele MoS2 ca catalizator pentru evoluția hidrogenului , în J. Am. Chem. Soc., Voi. 127, 2005, pp. 5308-5309, DOI : 10.1021 / ja0504690 , PMID 15826154 .
  22. ^ a b Goris, T., Wait, AF, Saggu, M., Fritsch, J., Heidary, N., Stein, M., Zebger, I., Lendzian, F., Armstrong, FA, Friedrich, B. , Lenz, O., Un grup unic de fier-sulf este crucial pentru toleranța la oxigen a unei [NiFe] -hidrogenază , în Nat. Chem. Biol. , vol. 7, 2011, pp. 310-318, DOI : 10.1038 / nchembio.555 , PMID 21390036 .
  23. ^ Liebgott, PP, Leroux, F., Burlat, B., Dementin, S., Baffert, C., Lautier, T., Fourmond, V., Ceccaldi, P., Cavazza, C., Meynial-Salles, I ., Soucaille, P., Fontecilla-Camps, JC, Guigliarelli, B., Bertrand, P., Rousset, M., Léger, C., Difuzând relația de-a lungul tunelului substratului și sensibilitatea la oxigen în hidrogenază , în Nat. Chem. Biol. , vol. 6, 2010, pp. 63-70, DOI : 10.1038 / nchembio.276 , PMID 19966788 .
  24. ^ Stripp, ST, Goldet, G., Brandmayr, C., Sanganas, O., Vincent, KA, Haumann, M., Armstrong, FA, Happe, T., Cum oxigenul atacă [FeFe] hidrogenazele din organismele fotosintetice , în Proc. Natl. Acad. Sci., Voi. 106, 2009, pp. 17331–17336, DOI : 10.1073 / pnas.0905343106 , PMID 19805068 .
  25. ^ Cohen, J., Kim, K., King, P., Seibert, M., Schulten, K., Găsirea căilor de difuzie a gazelor în proteine: aplicarea la transportul O2 și H2 în CpI [FeFe] -hidrogenază și rolul defecte de ambalare , în Structură , vol. 13, 2005, pp. 1321-1329, DOI : 10.1016 / j.str . 2005.05.013 , PMID 16154089 .