NiFe гидрогеназа - NiFe hydrogenase

Рисунок 1. Окисление и восстановление водорода.

[NiFe] гидрогеназа это тип гидрогеназа, что является окислительный фермент которые обратимо превращают молекулярный водород в прокариоты включая Бактерии и Археи.[1][2] Каталитический сайт на ферменте обеспечивает простые водородные метаболизирующие микроорганизмы редокс механизм, с помощью которого можно хранить и использовать энергию посредством реакции, показанной на рисунке 1. Это особенно важно для анаэробный, сульфатредуцирующие бактерии рода Десульфовибрио[3][4] а также патогенные организмы кишечная палочка и Helicobacter pylori.[2] Механизмы, созревание и функция [NiFe] гидрогеназ активно исследуются для применения в водородная экономика и как потенциальные мишени для антибиотиков.

Структура

Рисунок 2. Структура D. vulgaris Миядзаки F состоял из двух субъединиц: большой субъединицы (синий) и малая субъединица (пурпурный). Рисунок был подготовлен с использованием Jmol [5] и координаты из 1H2A.pdb.

Структура [NiFe] гидрогеназы была получена из рентгеновская кристаллография исследования пяти различных сульфатредуцирующих бактерий: D. vulgaris Миядзаки Ф,[6] D. gigas,[7] D. frutosovorans,[8][9] D. desulfuricans[10] и Desulfomicrobium baculatum.[11] [NiFe] гидрогеназа, выделенная из D. vulgaris Миядзаки F показан на рисунке 2. Большая субъединица выделена синим цветом, имеет молекулярная масса 62,5 кДа, и вмещает Ni-Fe активный сайт. Субъединица меньшего размера имеет пурпурный цвет, имеет молекулярную массу 28,8 кДа и содержит кластеры Fe-S (см. Железно-серный кластер ).

Рис. 3. Активный центр [NiFe] гидрогеназы в окисленной форме. L относится к небелковому лиганду (1 C≡O и 2 −C≡N). X может быть окись, сера, гидропероксид, или гидроксид.

От инфракрасный спектры и Рентгеновская кристаллография исследования, активный центр [NiFe] гидрогеназы оказался (S-Cys)4Ni (μ-X) Fe (CO) (CN)2, в котором общий лиганд X является либо окись, сера, гидропероксид, или гидроксид найдено в окисленный только состояние (рисунок 3).[12] В то время как атом никеля участвует в окислительно-восстановительных реакциях, атом железа постоянно находится в координационном состоянии Fe (II).[12] Точная геометрия трех небелковых лиганды (обозначенный как L), координирующий ион металла Fe, неизвестен; однако они были идентифицированы как один монооксид углерода (C≡O) и две цианид (−C≡N) молекул.[13]

Кластеры Fe-S

Почти все гидрогеназы содержат хотя бы один железо-серный кластер (Fe-S кластер). Как упоминалось ранее, эти кластеры Fe-S соединяют никелевый активный центр фермента с поверхностью белка, поскольку они служат в качестве цепи переноса электронов от окислительно-восстановительного центра Ni-Fe к акцептору электронов цитохрому c.3 (видеть Семейство цитохрома с ).[13] Эти электроны образуются из гетеролитическое расщепление молекулы водорода в активном центре Ni-Fe. Кристаллические структуры гидрогеназы показывают Fe3S4 в центре цепочки, а Fe4S4 кластер на молекулярной поверхности. Расстояние между внутренним Fe4S4 кластер и активный сайт составляет примерно 12 Å (Рисунок 4).[13]

Гидрогеназы [NiFe] и [NiFeSe] имеют удивительно похожую структуру, что позволяет предположить, что одна сера на кластере Fe-S была заменена селен атома, но эти гидрогеназы различаются каталитической реакционной способностью и чувствительностью к ингибиторы ферментов.[4]

Рисунок 4. Иллюстрация фермента гидрогеназы [NiFe] с тремя кластерами Fe-S в малая единица с Mg2+ и активный центр диметалла Ni-Fe в большая субъединица. Рисунок был подготовлен с использованием Jmol и координат из 1H2A.pdb. Mg ion = неоново-зеленый; Ион Ni = темно-зеленый; Ион Fe = оранжевый; сера = желтый; кислород = красный; углерод = темно-серый

Ион металла Mg и пути протонов

[NiFe] гидрогеназа имеет Mg2+ катион, связанный в C-конец область большей субъединицы. Этот катион связан с тремя молекулами воды и тремя молекулами воды. аминокислоты, и это стабилизирует эту свободную от растворителя область. На расстоянии примерно 13 Å от фрагмента [NiFe] этот катион подключает активный сайт к водородная связь сеть и выполняет роль протона (H+) путь переноса.[13]

Канал доступа к газу

Исследования, в которых ксенон был связан с гидрогеназой, предполагают гидрофобный газовый канал, через который H2, CO и O2 газы могут достичь глубоко скрытого активного центра фермента. Кристаллическая структура выявила несколько небольших каналов на поверхности, которые объединились в один больший канал, достигающий активного центра [Ni-Fe].[13]

Поскольку хорошо известно, что гидрогеназы кислород чувствительный, диффузия газа к активному центру зависит от размера и окружающей среды газового канала, реакция молекулярного кислорода (O2) на активном центре и восстановление активного центра после окисления.[13]

Механизм

Точный механизм реакции [NiFe] гидрогеназ был предметом больших споров. В 2009 году Хигучи и его коллеги предложили механизм, основанный на рентгеновской кристаллографии и спектроскопических данных Desulfovibrio vulgaris Миядзаки Ф.[13] Во время каталитического процесса ион металла Fe в активном центре не меняет своего степень окисления в то время как ион металла Ni участвует в окислительно-восстановительной химии. Есть две основные группы окислительно-восстановительных состояний, через которые [NiFe] гидрогеназы проходят во время катализа: 1) неактивные окислительно-восстановительные состояния и 2) активные окислительно-восстановительные состояния (рис. 5).

Рисунок 5. Различные окислительно-восстановительные состояния металлического активного центра [NiFe] гидрогеназы. Редокс-состояния в красный являются неактивные окислительно-восстановительные состояния. Редокс-состояния в зеленый являются активные окислительно-восстановительные состояния. (Адаптировано из работы 11).

Неактивные окислительно-восстановительные состояния

Ni-A (состояние «неготовность») и Ni-B (состояние «готово») являются наиболее окисленными формами металлического центра [NiFe] и активируются через одноэлектронное восстановление с переносом протона. Скорость восстановительной активации Ni-A к Ni-SU может занять несколько часов, пока скорость восстановительной активации Ni-B к Ni-SIr происходит за секунды.[14] Причина такого расхождения в кинетике активации между Ni-A и Ni-B было предложено быть результатом разницы в мостиковых лигандах между двумя разными окислительно-восстановительными состояниями. На Ni-SIr состоянии, молекула воды высвободилась, чтобы сформировать Ni-SIa состояние, первое каталитическое окислительно-восстановительное активное состояние [NiFe] гидрогеназ.

Активные окислительно-восстановительные состояния

Три наиболее важных каталитических окислительно-восстановительных активных состояния [NiFe] гидрогеназ: Ni-SIa, Ni-C и Ni-R (у которых есть три разных варианта :).[13] Светочувствительный Ni-C состояние может быть получено за счет одноэлектронного восстановления Ni-SIa. В электронный парамагнитный резонанс спектроскопические исследования Ni-C состояние, содержащее Ni3+ с S = 1/2 (см. Спин-1/2 ) и гидрид, соединяющий два металла Ni и Fe, показали, что гетеролитическое расщепление H2 происходит в активном центре [NiFe] гидрогеназы.

СО-ингибированные состояния

Ni-SIa состояние может быть ингибировано CO, который непосредственно связывается с ионом металла Ni в изогнутой конформации с образованием Ni-SCO (Смотри ниже).[15] С Ni-C светочувствителен, при освещении 100К приводит к Ni-L окислительно-восстановительное состояние. В присутствии CO, Ni-L формы Ni-CO государственный.

Рисунок 6. Иллюстрация активного сайта гидрогеназы [NiFe], ингибируемого CO. Вид сверху вниз (слева). Вид сбоку (в центре). Изображение ингибированного активного сайта Chemdraw (справа). Рисунок был подготовлен с помощью Jmol[5] и координаты из 1UBK.pdb. Ион Ni = зеленый; Ион Fe = оранжевый; сера = желтый; кислород = красный; углерод = темно-серый; азот = синий.

Созревание и генетическое расположение

Для созревания [NiFe] гидрогеназ требуется набор дополнительных белков, которые синтезируют активный сайт NiFe, рис. 2, и модифицируют фермент-предшественник, чтобы он имел правильный структура и расположение.[2][16][17] Созревание активного центра представляет особый интерес из-за синтеза цианид (CN) и монооксид углерода (CO) металлические лиганды, которые обычно токсичны для живого организма.[16] Этот шаг завершается белками HypC, HypD, HypE и HypF.[17][18] После синтеза железного центра никель вводится с помощью металло-шапероны HypA, HypB и SlyD.[17][18] Как только каталитический центр сформирован, предшественник гидрогеназы подвергается C-концевому расщеплению, что вызывает перестройку его структуры и ассоциацию с небольшой субъединицей.[16][17][18] Наконец, готовый фермент транспортируется в правильное положение внутри клетки.[16][17][18] Промотор гидрогеназы, PSH, можно изучить, построив PSH промоутер-gfp слияние используя зеленый флуоресцентный белок (gfp) репортерный ген.[19]

Заявление

Поскольку [NiFe] гидрогеназа является членом гидрогеназа семейства эти ферменты могут катализировать как потребление, так и производство водорода.[1] Изучая [NiFe] гидрогеназу, ученые могут оптимизировать условия, при которых белок будет производить только водород. Дополнительно небольшой имитатор ферментов [NiFe] гидрогеназы также можно синтезировать, чтобы действовать как генератор газообразного водорода. Растворимая [NiFe] гидрогеназа из Ralstonia eutropha H16 - многообещающий кандидат в фермент H2применение биотоплива на основе H2 окисление и относительно устойчив к кислороду. Может производиться на гетеротрофный ростовые среды [20] и очищен через анионный обмен и эксклюзионная хроматография матрицы.[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Югдер, Бат-Эрдене; Уэлч, Джеффри; Агей-Зинсу, Кондо-Франсуа; Маркиз, Кристофер П. (2013-05-14). «Основы и электрохимические применения [Ni – Fe] -поглощающих гидрогеназ». RSC Advances. 3 (22): 8142. Дои:10.1039 / c3ra22668a. ISSN  2046-2069.
  2. ^ а б c Vignais, Paulette M .; Биллу, Бернар (октябрь 2007 г.). «Возникновение, классификация и биологическая функция гидрогеназ: обзор». Химические обзоры. 107 (10): 4206–4272. Дои:10.1021 / cr050196r. PMID  17927159.
  3. ^ Volbeda, A .; Garcin, E .; Piras, C .; де Лейси, А. Л .; Фернандес, В. М .; Хатчикян, Э. С .; Frey, M .; Fontecilla-Camps, J. C. (1996). «Структура активного сайта [NiFe] гидрогеназы: данные о биологически необычных лигандах Fe». Варенье. Chem. Soc. 118 (51): 12989–12996. Дои:10.1021 / ja962270g.
  4. ^ а б Eidsness, M. K .; Scott, R.A .; Prickril, B.C .; DerVartanian, D. V .; Legall, J .; Moura, I .; Moura, J. J .; Пек, Х. Д. (1989). «Доказательства координации селеноцистеина с никелем в активном центре в гидрогеназах [NiFeSe] из Desulfovibrio baculatus». Труды Национальной академии наук. 86 (1): 147–151. Дои:10.1073 / pnas.86.1.147. ЧВК  286421. PMID  2521386.
  5. ^ а б Jmol: программа для просмотра химических структур в 3D с открытым исходным кодом. http://www.jmol.org/
  6. ^ Higuchi, Y .; Яги, Т .; Ясуока, Н. (1997). «Необычная структура лиганда в активном центре Ni-Fe и дополнительный сайт Mg в гидрогеназе, выявленный с помощью рентгеноструктурного анализа с высоким разрешением». Структура. 5 (12): 1671–1680. Дои:10.1016 / s0969-2126 (97) 00313-4. PMID  9438867.
  7. ^ Volbeda, A .; Charon, M.-H .; Piras, C .; Хатчикян, Э. С .; Frey, M .; Fontecilla-Camps, J.C. (1995). «Кристаллическая структура никель-железной гидрогеназы из Desulfovibrio gigas». Природа. 373 (6515): 580–587. Дои:10.1038 / 373580a0. PMID  7854413.
  8. ^ Volbeda, A .; Martin, L .; Cavazza, C .; Matho, M .; Faber, B.W .; Roseboom, W .; Albracht, S.P.J .; Garcin, E .; Rousset, M .; Fontecilla-Camps, Дж. К. (2005). «Структурные различия между готовым и неготовым окисленными состояниями [NiFe] гидрогеназ». Журнал биологической неорганической химии. 10 (3): 239–249. Дои:10.1007 / s00775-005-0632-х. PMID  15803334.
  9. ^ Montet, Y .; Amara, P .; Volbeda, A .; Vernede, X .; Хатчикян Э. Ц .; Филд, М. Дж .; Frey, M .; Fontecilla-Camps, J. C. (1997). «Доступ газа к активному центру гидрогеназ Ni-Fe исследован методами рентгеновской кристаллографии и молекулярной динамики». Структурная и молекулярная биология природы. 4 (7): 523–526. Дои:10.1038 / nsb0797-523. PMID  9228943.
  10. ^ Matias, P.M .; Soares, C.M .; Saraiva, L.M .; Coelho, R .; Morais, J .; Le Gall, J .; Каррондо, М. А. (2001). «[NiFe] гидрогеназа из Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774: секвенирование гена, определение трехмерной структуры и уточнение при 1,8 Å и моделирование исследований ее взаимодействия с тетрагемом цитохромом c3». Журнал биологической неорганической химии. 6 (1): 63–81. Дои:10.1007 / s007750000167. PMID  11191224.
  11. ^ Garcin, E .; Vernede, X .; Хатчикян, Э. С .; Volbeda, A .; Frey, M .; Fontecilla-Camps, J.C. (1999). «Кристаллическая структура восстановленной гидрогеназы [NiFeSe] дает изображение активированного каталитического центра». Структура. 7 (5): 557–566. Дои:10.1016 / s0969-2126 (99) 80072-0. PMID  10378275.
  12. ^ а б Chiou, T.-W .; Liaw, W.-F. (2008). «Цианокарбонильные комплексы никель – тиолат и железо – тиолат: моделирование никелевых и железных участков [NiFe] гидрогеназы». Comptes Rendus Chimie. 11 (8): 818–833. Дои:10.1016 / j.crci.2008.04.003.
  13. ^ а б c d е ж грамм час Ogata, H .; Lubitz, W .; Хигучи, Ю. (2009). «[NiFe] гидрогеназы: структурные и спектроскопические исследования механизма реакции». Дальтон Транс. 37 (37): 7577–7587. Дои:10.1039 / b903840j. PMID  19759926.
  14. ^ Lamele, S.E .; Albracht, S.P.J .; Армстронг, Ф. А. (2004). «Электрохимические поэтапные исследования аэробных взаимопревращений [NiFe] -гидрогеназы из Allochromatium vinosum: понимание загадочной разницы между неготовыми и готовыми окисленными неактивными состояниями». Журнал Американского химического общества. 126 (45): 14899–14909. Дои:10.1021 / ja047939v. PMID  15535717.
  15. ^ Ogata, H .; Mizoguchi, Y .; Mizuno, N .; Мики, К .; Adachi, S.-i .; Yasuoka, N .; Яги, Т .; Yamauchi, O .; Hirota, S .; Хигучи, Ю. (2002). «Структурные исследования комплекса окиси углерода [NiFe] гидрогеназы из Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F: Предложение по сайту начальной активации для дигидрогена». Журнал Американского химического общества. 124 (39): 11628–11635. Дои:10.1021 / ja012645k. PMID  12296727.
  16. ^ а б c d Любиц, Вольфганг; Огата, Хидеаки; Рюдигер, Олаф; Рейджерс, Эдвард (23 апреля 2014 г.). «Гидрогеназы». Химические обзоры. 114 (8): 4081–4148. Дои:10.1021 / cr4005814. PMID  24655035.
  17. ^ а б c d е Лакасс, Майкл Дж .; Замбл, Дебора Б. (29 марта 2016 г.). «Созревание [NiFe] -гидрогеназы». Биохимия. 55 (12): 1689–1701. Дои:10.1021 / acs.biochem.5b01328. PMID  26919691.
  18. ^ а б c d Питерс, Джон В .; Schut, Gerrit J .; Бойд, Эрик С .; Малдер, Дэвид В .; Шепард, Эрик М .; Бродерик, Джоан Б.; Кинг, Пол В .; Адамс, Майкл В.В. (Июнь 2015 г.). «Разнообразие, механизм и созревание [FeFe] - и [NiFe] -гидрогеназ». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1853 (6): 1350–1369. Дои:10.1016 / j.bbamcr.2014.11.021. PMID  25461840.
  19. ^ Югдер, Бат-Эрдене; Уэлч, Джеффри; Брейди, Нади; Маркиз, Кристофер П. (26.07.2016). «Создание и использование слияния промотора растворимой гидрогеназы (PSH) aCupriavidus necatorH16 с togfp (зеленый флуоресцентный белок)». PeerJ. 4: e2269. Дои:10.7717 / peerj.2269. ISSN  2167-8359. ЧВК  4974937. PMID  27547572.
  20. ^ Югдер, Бат-Эрдене; Чен, Чжилян; Пинг, Даррен Тан Тек; Лебхар, Элен; Уэлч, Джеффри; Маркиз, Кристофер П. (2015-03-25). «Анализ изменений растворимой гидрогеназы и глобальной экспрессии генов в Cupriavidus necator (Ralstonia eutropha) H16, выращенном в гетеротрофной диауксической периодической культуре». Фабрики микробных клеток. 14 (1): 42. Дои:10.1186 / s12934-015-0226-4. ISSN  1475-2859. ЧВК  4377017. PMID  25880663.
  21. ^ Югдер, Бат-Эрдене; Лебхар, Элен; Агей-Зинсу, Кондо-Франсуа; Маркиз, Кристофер П. (01.01.2016). «Производство и очистка растворимой гидрогеназы из Ralstonia eutropha H16 для потенциальных применений водородных топливных элементов». МетодыX. 3: 242–250. Дои:10.1016 / j.mex.2016.03.005. ЧВК  4816682. PMID  27077052.