Hidrogenase - Hydrogenase

A hidrogenase é uma enzima que catalisa a oxidação reversível do hidrogênio molecular (H 2 ), conforme mostrado abaixo:

H 2 + Um boi → 2H + + A vermelho

 

 

 

 

( 1 )

2H + + D vermelho → H 2 + D boi

 

 

 

 

( 2 )

A captação de hidrogênio ( 1 ) é acoplada à redução de aceptores de elétrons , como oxigênio , nitrato , sulfato , dióxido de carbono ( CO
2
) e fumarato . Por outro lado, a redução de prótons ( 2 ) está acoplada à oxidação de doadores de elétrons, como a ferredoxina (FNR), e serve para descartar elétrons em excesso nas células (essencial na fermentação do piruvato ). Tanto os compostos de baixo peso molecular quanto as proteínas, como FNRs, citocromo c 3 e citocromo c 6, podem atuar como doadores ou aceitadores de elétrons fisiológicos para as hidrogenases.

Classificação estrutural

Estima-se que 99% de todos os organismos utilizam hidrogênio , H 2 . A maioria dessas espécies são micróbios e sua capacidade de usar H 2 como metabólito surge da expressão de metaloenzimas H 2 conhecidas como hidrogenases. As hidrogenases são subclassificadas em três tipos diferentes com base no conteúdo de metal do sítio ativo: ferro-ferro hidrogenase, níquel-ferro hidrogenase e ferro hidrogenase.

As estruturas dos sítios ativos dos três tipos de enzimas hidrogenase.

Todas as hidrogenases catalisam a absorção reversível de H 2 , mas enquanto as [FeFe] e [NiFe] hidrogenases são verdadeiros catalisadores redox, conduzindo a oxidação de H 2 e a redução de prótons (H + ) (equação 3 ), as [Fe] hidrogenases catalisam a clivagem heterolítica reversível de H 2 mostrado pela reacção ( 4 ).

H 2 ⇌ 2 H + + 2 e -

 

 

 

 

( 3 )

H 2 ⇌ H + + H -

 

 

 

 

( 4 )

Até 2004, acreditava-se que a hidrogenase apenas [Fe] era "livre de metais". Em seguida, Thauer et al. mostraram que as hidrogenases livres de metal de fato contêm átomo de ferro em seu sítio ativo. Como resultado, essas enzimas anteriormente classificadas como "livres de metal" agora são chamadas de hidrogenases somente [Fe]. Esta proteína contém apenas um sítio ativo mononuclear de Fe e nenhum aglomerado de ferro-enxofre, em contraste com as [FeFe] hidrogenases. As hidrogenases [NiFe] e [FeFe] têm algumas características comuns em suas estruturas: Cada enzima tem um sítio ativo e alguns aglomerados de Fe-S que estão enterrados nas proteínas. O local activo, que se crê ser o local onde ocorre a catálise, é também um metallocluster, e cada ferro é coordenado por monóxido de carbono (CO) e cianeto (CN - ) ligandos.

[NiFe] hidrogenase

Estrutura cristalina da [NiFe] hidrogenase

As [NiFe] hidrogenases são proteínas heterodiméricas que consistem em subunidades pequenas (S) e grandes (L). A subunidade pequena contém três aglomerados de ferro-enxofre, enquanto a subunidade grande contém o sítio ativo, um centro de níquel-ferro que está conectado ao solvente por um túnel molecular. Em algumas [NiFe] hidrogenases, um dos resíduos de cisteína ligada ao Ni é substituído por selenocisteína . Com base na similaridade de sequência, no entanto, as hidrogenases [NiFe] e [NiFeSe] devem ser consideradas uma única superfamília. Até o momento, foram encontradas hidrogenases ligadas à membrana periplasmática, citoplasmática e citoplasmática. As [NiFe] hidrogenases, quando isoladas, catalisam tanto a evolução quanto a absorção de H 2 , com citocromos multihaem de baixo potencial, como o citocromo c 3, agindo como doadores ou aceitadores de elétrons, dependendo de seu estado de oxidação. De modo geral, entretanto, as [NiFe] hidrogenases são mais ativas na oxidação de H 2 . Um largo espectro de H 2 afinidades também têm sido observadas em H 2 hidrogenases -oxidizing.

Como as [FeFe] hidrogenases, as [NiFe] hidrogenases são normalmente desativadas pelo oxigênio molecular (O 2 ). A hidrogenase de Ralstonia eutropha e várias outras bactérias chamadas de Knallgas são tolerantes ao oxigênio. A [NiFe] hidrogenase solúvel de Ralstonia eutropha H16 pode ser produzida convenientemente em meio de crescimento heterotrófico . Essa descoberta aumentou a esperança de que as hidrogenases possam ser usadas na produção fotossintética de hidrogênio molecular por meio da divisão da água.

[FeFe] hidrogenase

Estrutura cristalina da [FeFe] hidrogenase

As hidrogenases contendo um centro di-ferro com um co-fator ditiolato em ponte são chamadas de [FeFe] hidrogenases. Três famílias de [FeFe] hidrogenases são reconhecidas:

  • hidrogenases monoméricas citoplasmáticas, solúveis, encontradas em anaeróbios estritos, como Clostridium pasteurianum e Megasphaera elsdenii . Eles catalisam a evolução e a absorção de H 2 .
  • hidrogenases periplasmáticas heterodiméricas de Desulfovibrio spp., que podem ser purificadas aerobicamente.
  • hidrogenases monoméricas solúveis, encontradas em cloroplastos da alga verde Scenedesmus obliquus , catalisam a evolução de H 2 . A [Fe 2 S 2 ] ferredoxina funciona como doador natural de elétrons, ligando a enzima à cadeia de transporte de elétrons fotossintética .

Em contraste com as [NiFe] hidrogenases, as [FeFe] hidrogenases são geralmente mais ativas na produção de hidrogênio molecular. A freqüência de turnover (TOF) na ordem de 10.000 s −1 foi relatada na literatura para [FeFe] hidrogenases de Clostridium pasteurianum . Isso levou a uma intensa pesquisa com foco no uso de [FeFe] hidrogenase para a produção sustentável de H 2 .

O sítio ativo da diiron hidrogenase é conhecido como H-cluster. O grupo H consiste em uma estrutura em forma de cubano [4Fe4S], acoplada ao cofator diiron de baixa valência por um tiol derivado de cisteína. O cofator diiron inclui dois átomos de ferro, conectados por um ligante aza-ditiolato em ponte (-SCH 2 -NH-CH 2 S-, adt), os átomos de ferro são coordenados por ligantes carbonil e cianeto.

As [FeFe] -hidrogenases podem ser separadas em quatro grupos filogenéticos distintos A − D. O Grupo A consiste em [FeFe] -hidrogenases prototípicas e bifurcantes . Na natureza, as [FeFe] -hidrogenases prototípicas realizam o turnover do hidrogênio usando ferredoxina como parceiro redox, enquanto os tipos bifurcados realizam a mesma reação usando ferredoxina e NAD (H) como doador ou aceitador de elétrons. Para conservar energia, as bactérias anaeróbias usam a bifurcação de elétrons, onde as reações redox exergônicas e endergônicas são acopladas para contornar as barreiras termodinâmicas . Grupo A compreende as enzimas mais bem caracterizadas e cataliticamente mais ativas, como a [FeFe] -hidrogenase de Chlamydomonas reinhardtii ( Cr HydA1), Desulfovibrio desulfuricans ( Dd HydAB ou Dd H) e Clostridium pasteurianum e Clostridium acetobutylicum ( Cp HydA1 e Ca HydA1, referido como Cp I e Ca I). Nenhum exemplo representativo do Grupo B foi caracterizado ainda, mas é filogeneticamente distinto, mesmo quando compartilha motivos de aminoácidos semelhantes em torno do grupo H como grupo A [FeFe] -hidrogenases. O Grupo C foi classificado como "sensorial" com base na presença de um domínio Per-Arnt-Sim . Um exemplo de uma [FeFe] -hidrogenase do Grupo C é de Thermotoga maritima ( Tm HydS), que mostra apenas taxas catalíticas modestas em comparação com as enzimas do Grupo A e uma aparente alta sensibilidade ao hidrogênio (H 2 ). Uma subclasse intimamente relacionada do Grupo D tem uma localização semelhante no gene bacteriano e compartilha uma estrutura de domínio semelhante a uma subclasse do Grupo E, mas não possui o domínio PAS.

Hidrogenase apenas [Fe]

Estrutura cristalina da [Fe] hidrogenase

5,10-meteniltetrahidrometanopterina hidrogenase (EC 1.12.98.2 ) encontrada em Archaea metanogênica não contém níquel nem aglomerados de ferro-enxofre, mas um cofator contendo ferro que foi recentemente caracterizado por difração de raios-X.

Ao contrário dos outros dois tipos, as hidrogenases apenas com [Fe] são encontradas apenas em algumas arquéias metanogênicas hidrogenotróficas. Eles também apresentam um mecanismo enzimático fundamentalmente diferente em termos de parceiros redox e como os elétrons são entregues ao sítio ativo. Nas hidrogenases [NiFe] e [FeFe], os elétrons viajam através de uma série de aglomerados metalorgânicos que abrangem uma longa distância; as estruturas do site ativo permanecem inalteradas durante todo o processo. No entanto, nas hidrogenases apenas com [Fe], os elétrons são entregues diretamente ao sítio ativo por uma curta distância. Metenil-H4MPT + , um cofator, aceita diretamente o hidreto de H 2 no processo. [Fe] -apenas hidrogenase também é conhecido como H 2 -forming methylenetetrahydromethanopterin (metileno-H4MPT) desidrogenase, porque a sua função é a redução reversível de metenil-H4MPT + a metileno-H4MPT. A hidrogenação de uma metenil-H4MPT + ocorre em vez da oxidação / produção de H 2 , que é o caso dos outros dois tipos de hidrogenases. Enquanto o mecanismo exato da catálise ainda está em estudo, descobertas recentes sugerem que o hidrogênio molecular é primeiro clivado heteroliticamente pelo Fe (II), seguido pela transferência do hidreto para o carbocátion do aceptor.

Mecanismo

O mecanismo molecular pelo qual os prótons são convertidos em moléculas de hidrogênio dentro das hidrogenases ainda está sob extenso estudo. Uma abordagem popular emprega a mutagênese para elucidar os papéis dos aminoácidos e / ou ligantes em diferentes etapas da catálise, como o transporte intramolecular de substratos. Por exemplo, Cornish et al. conduziram estudos de mutagênese e descobriram que quatro aminoácidos localizados ao longo do canal putativo conectando o sítio ativo e a superfície da proteína são críticos para a função enzimática da [FeFe] hidrogenase de Clostridium pasteurianum (CpI). Por outro lado, também se pode contar com análises computacionais e simulações. Nilsson Lill e Siegbahn recentemente adotaram essa abordagem ao investigar o mecanismo pelo qual as [NiFe] hidrogenases catalisam a clivagem de H 2 . As duas abordagens são complementares e podem se beneficiar. Na verdade, Cao e Hall combinaram as duas abordagens no desenvolvimento do modelo que descreve como as moléculas de hidrogênio são oxidadas ou produzidas no sítio ativo das [FeFe] hidrogenases. Embora mais pesquisas e dados experimentais sejam necessários para completar nossa compreensão do mecanismo, essas descobertas permitiram que os cientistas aplicassem o conhecimento, por exemplo, na construção de catalisadores artificiais que imitam sítios ativos de hidrogenases.

Função biológica

Assumindo que a atmosfera da Terra era inicialmente rica em hidrogênio, os cientistas levantaram a hipótese de que as hidrogenases foram desenvolvidas para gerar energia a partir de / como H 2 molecular . Consequentemente, as hidrogenases podem ajudar os microrganismos a proliferar sob tais condições ou criar ecossistemas estimulados por H 2 . Comunidades microbianas impulsionadas pelo hidrogênio molecular foram, de fato, encontradas em ambientes do fundo do mar, onde outras fontes de energia da fotossíntese não estão disponíveis. Com base nesses fundamentos, acredita-se que o papel principal das hidrogenases seja a geração de energia, e isso pode ser suficiente para sustentar um ecossistema.

Estudos recentes revelaram outras funções biológicas das hidrogenases. Para começar, as hidrogenases bidirecionais também podem atuar como "válvulas" para controlar o excesso de equivalentes redutores, especialmente em microrganismos fotossintéticos. Tal papel faz com que as hidrogenases desempenhem um papel vital no metabolismo anaeróbico . Além disso, as hidrogenases também podem estar envolvidas na conservação de energia ligada à membrana por meio da geração de uma força protonmotora transmembrana. [15] Existe a possibilidade de que as hidrogenases tenham sido responsáveis ​​pela biorremediação de compostos clorados. Hidrogenases proficientes na captação de H 2 podem ajudar os contaminantes de metais pesados ​​a serem recuperados em formas intoxicadas. Essas hidrogenases de captação foram recentemente descobertas em bactérias patogênicas e parasitas e acredita-se que estejam envolvidas em sua virulência. [15]

Formulários

As hidrogenases foram descobertas pela primeira vez na década de 1930 e, desde então, atraíram o interesse de muitos pesquisadores, incluindo químicos inorgânicos que sintetizaram uma variedade de miméticos da hidrogenase . A [NiFe] hidrogenase solúvel de Ralstonia eutropha H16 é uma enzima candidata promissora para aplicação de biocombustível à base de H 2 , pois favorece a oxidação de H 2 e é relativamente tolerante ao oxigênio. Pode ser produzido em meio de crescimento heterotrófico e purificado por meio de matrizes de cromatografia de troca aniônica e exclusão de tamanho . Compreender o mecanismo catalítico da hidrogenase pode ajudar os cientistas a projetar fontes de energia biológica limpa, como algas, que produzem hidrogênio.

Produção biológica de hidrogênio

Vários sistemas são capazes de dividir a água em O 2 e H + a partir da luz solar incidente. Da mesma forma, vários catalisadores, químicos ou biológicos, podem reduzir o H + produzido em H 2 . Diferentes catalisadores requerem sobrepotencial desigual para que essa reação de redução ocorra. As hidrogenases são atraentes, pois requerem um sobrepotencial relativamente baixo . Na verdade, sua atividade catalítica é mais eficaz do que a platina, que é o catalisador mais conhecido para a reação de evolução de H 2 . Entre três tipos diferentes de hidrogenases, [FeFe] hidrogenases é considerada como um forte candidato para uma parte integrante do sistema de produção de H 2 solar , uma vez que oferecem uma vantagem adicional de TOF alto (acima de 9000 s -1 ) [6] .

O baixo potencial excessivo e a alta atividade catalítica das [FeFe] hidrogenases são acompanhados por alta sensibilidade ao O 2 . É necessário projetá- los com tolerância ao O 2 para uso na produção de H 2 solar, uma vez que o O 2 é um subproduto da reação de divisão da água. Esforços de pesquisa anteriores por vários grupos ao redor do mundo se concentraram na compreensão dos mecanismos envolvidos na O 2 -inativação das hidrogenases. Por exemplo, Stripp et al. confiou na eletroquímica do filme de proteína e descobriu que o O 2 primeiro se converte em uma espécie reativa no sítio ativo das [FeFe] hidrogenases e, em seguida, danifica seu domínio [4Fe-4S]. Cohen et al. investigou como o oxigênio pode atingir o sítio ativo que está enterrado dentro do corpo da proteína por abordagem de simulação de dinâmica molecular; seus resultados indicam que o O 2 se difunde principalmente por duas vias que são formadas pelo alargamento e interconexão entre as cavidades durante o movimento dinâmico. Esses trabalhos, em combinação com outros relatórios, sugerem que a inativação é governada por dois fenômenos: difusão de O 2 para o sítio ativo e modificação destrutiva do sítio ativo.

Apesar dessas descobertas, a pesquisa ainda está em andamento para projetar a tolerância ao oxigênio nas hidrogenases. Embora os pesquisadores tenham encontrado hidrogenases tolerantes ao oxigênio [NiFe], elas são eficientes apenas na captação de hidrogênio e não na produção [21] . O sucesso recente de Bingham et al. Na engenharia [FeFe] hidrogenase de Clostridium pasteurianum também foi limitado à atividade retida (durante a exposição ao oxigênio) apenas para consumo de H 2 .

Células de biocombustível à base de hidrogenase

As células de biocombustíveis enzimáticas típicas envolvem o uso de enzimas como eletrocatalisadores tanto no cátodo quanto no ânodo ou em um eletrodo. Em baseada hidrogenase biocombustíveis células, enzimas hidrogenase estão presentes no ânodo para a H 2 oxidação.

Princípio

A reação bidirecional ou reversível catalisada pela hidrogenase permite a captura e armazenamento de energia renovável como combustível com uso sob demanda. Isso pode ser demonstrado através do armazenamento químico de eletricidade obtida de uma fonte renovável (por exemplo, solar, eólica, hidrotérmica ) como H 2 durante os períodos de baixa demanda de energia. Quando a energia é desejada, o H 2 pode ser oxidado para produzir eletricidade.

Vantagens

Esta é uma solução para o desafio no desenvolvimento de tecnologias de captação e armazenamento de energia renovável como combustível com uso sob demanda. A geração de eletricidade a partir de H 2 é comparável à funcionalidade semelhante dos catalisadores de Platina sem o envenenamento do catalisador e, portanto, é muito eficiente. No caso das células a combustível H 2 / O 2 , onde o produto é água, não há produção de gases de efeito estufa .

Classificação bioquímica

EC 1.12.1.2

hidrogênio desidrogenase (hidrogênio: NAD + oxidoredutase)

H 2 + NAD + ⇌ H + + NADH
EC 1.12.1.3

hidrogênio desidrogenase (NADP) (hidrogênio: NADPH + oxidoredutase)

H 2 + NADP + ⇌ H + + NADPH
EC 1.12.2.1

citocromo- c 3 hidrogenase (hidrogênio: ferricitocromo- c 3 oxidorredutase)

2H 2 + ferricitocromo c 3 ⇌ 4H + + ferrocitocromo c 3
EC 1.12.5.1

hidrogênio: quinona oxidoredutase

H 2 + menaquinona ⇌ menaquinol
EC 1.12.7.2

ferredoxina hidrogenase (hidrogênio: ferredoxina oxidoredutase)

H 2 + ferredoxina oxidada ⇌ 2H + + ferredoxina reduzida
EC 1.12.98.1

coenzima F 420 hidrogenase (hidrogênio: coenzima F 420 oxidorredutase)

H 2 + coenzima F 420 ⇌ coenzima reduzida F 420
EC 1.12.99.6

hidrogenase (aceptor) (hidrogênio: aceptor oxidoredutase)

H 2 + A ⇌ AH 2
EC 1.12.98.2

5,10-meteniltetrahidrometanopterina hidrogenase (hidrogênio: 5,10-meteniltetrahidrometanopterina oxidoredutase)

H 2 + 5,10-meteniltetrahidrometanopterina ⇌ H + + 5,10-metilenotetrahidrometanopterina
EC 1.12.98.3

Methanosarcina -phenazine hidrogenase [hidrogénio: 2- (2,3-dihydropentaprenyloxy) fenazina oxidorredutase]

H 2 + 2- (2,3-dihydropentaprenyloxy) fenazina ⇌ 2-dihydropentaprenyloxyphenazine

Referências

links externos

  • 2B0J - Estrutura do PDB da Apoenzima da hidrogenase livre de cluster Ferro-enxofre de Methanothermococcus jannaschii
  • Estrutura de 1HFE - PDB de [FeFe] -hidrogenase de Desulfovibrio desulfuricans
  • 1C4A - estrutura PDB de [FeFe] -hidrogenase de Clostridium pasteurianum
  • 1UBR - estrutura PDB de [NiFe] -hidrogenase de Desulfovibrio vulgaris
  • 1CC1 - estrutura PDB de [NiFeSe] -hidrogenase de Desulfomicrobium baculatum
  • Animação - Mecanismo de [NiFe] -hidrogenase