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Hidrogenasa NiFe

La [NiFe] hidrogenasa es un tipo de hidrogenasa , que es una enzima oxidativa que convierte reversiblemente el hidrógeno molecular en procariotas , incluidas las bacterias y las...

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La [NiFe] hidrogenasa es un tipo de hidrogenasa , que es una enzima oxidativa que convierte reversiblemente el hidrógeno molecular en procariotas , incluidas las bacterias y las arqueas . [1] [2] El sitio catalítico de la enzima proporciona a los microorganismos metabolizadores de hidrógeno simples un mecanismo redox mediante el cual almacenar y utilizar energía a través de la reacción.

yo 2 ↽ − − ⇀ 2 yo + + 2 mi − {\displaystyle {\ce {H2 <=> 2H+ + 2e^-}}}

Esto es particularmente esencial para las bacterias anaeróbicas reductoras de sulfato del género Desulfovibrio [3] [4] así como para los organismos patógenos Escherichia coli y Helicobacter pylori [2] . Los mecanismos, la maduración y la función de las hidrogenasas [NiFe] se están investigando activamente para aplicaciones en la economía del hidrógeno y como posibles objetivos antibióticos.

Estructura

La estructura de la hidrogenasa [NiFe] aislada de D. vulgaris Miyazaki F consta de dos subunidades: la subunidad grande ( azul ) y la subunidad pequeña ( magenta ). La figura se preparó utilizando Jmol [5] y las coordenadas de PDB : 1H2A ​.
El sitio activo de la hidrogenasa [NiFe] en la forma oxidada. L se refiere al ligando no proteico (1 C≡O y 2 − C≡N). X puede ser un óxido , azufre , hidroperóxido o hidróxido .

La estructura de la hidrogenasa [NiFe] se obtuvo a partir de estudios de cristalografía de rayos X de cinco bacterias reductoras de sulfato diferentes: Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F, [6] D. gigas , [7] D. frutosovorans , [8] [9] D. desulfuricans, [10] y Desulfomicrobium baculatum . [11] La hidrogenasa [NiFe] aislada de D. vulgaris Miyazaki F se muestra a la derecha. La subunidad más grande está en azul, tiene una masa molecular de 62,5 kDa y alberga el sitio activo Ni-Fe . La subunidad más pequeña está en magenta, tiene una masa molecular de 28,8 kDa y contiene los grupos Fe-S .

A partir de los estudios de espectros infrarrojos y cristalografía de rayos X , se encontró que el sitio activo de la hidrogenasa [NiFe] es (S-Cys) 4 Ni(μ-X)Fe(CO)(CN) 2 , en el que el ligando genérico X es un óxido , azufre , hidroperóxido o un hidróxido que se encuentra solo en estado oxidado . [12] Mientras que el átomo de níquel participa en reacciones redox, el átomo de hierro está constantemente en un estado de oxidación Fe(II). [12] No se conoce la geometría exacta de los tres ligandos no proteicos (denominados como L) que se coordinan con el ion Fe; sin embargo, se identificaron como una molécula de monóxido de carbono (C≡O) y dos moléculas de cianuro ( − C≡N). [13]

Cúmulos de Fe-S

Casi todas las hidrogenasas contienen al menos un grupo de hierro-azufre (grupo Fe-S). Como se mencionó anteriormente, estos grupos Fe-S conectan el sitio activo de níquel de la enzima a la superficie de la proteína porque sirven como una cadena de transporte de electrones desde el sitio redox Ni-Fe hasta el aceptor de electrones citocromo c 3 (ver familia de citocromo c ). [13] Estos electrones se producen a partir de la escisión heterolítica de la molécula de hidrógeno en el sitio activo Ni-Fe. Las estructuras cristalinas de la hidrogenasa muestran un Fe 3 S 4 en el centro de la cadena y un grupo Fe 4 S 4 en la superficie molecular. La distancia entre el grupo interno Fe 4 S 4 y el sitio activo es de aproximadamente 12 Å. [13]

Las hidrogenasas [NiFe] y [NiFeSe] tienen estructuras notablemente similares, lo que lleva a sugerir que un azufre en un grupo Fe-S fue reemplazado por un átomo de selenio , pero estas hidrogenasas difieren en la reactividad catalítica y la sensibilidad a los inhibidores enzimáticos . [4]

Ilustración de la enzima hidrogenasa [NiFe] con tres grupos Fe-S en la subunidad pequeña y con el sitio activo de Mg 2+ y Ni-Fe en la subunidad grande . La figura se preparó utilizando Jmol [5] y las coordenadas de PDB : 1H2A . Ión Mg = verde neón; Ión Ni = verde oscuro; Ión Fe = naranja; azufre = amarillo; oxígeno = rojo; carbono = gris oscuro

El ion Mg y las vías de los protones

La hidrogenasa [NiFe] tiene un catión Mg 2+ unido en la región C-terminal de la subunidad más grande. Este catión está unido a tres moléculas de agua y tres aminoácidos , y estabiliza esta región libre de solvente. A aproximadamente 13 Å de distancia de la fracción [NiFe], este catión conecta el sitio activo a una red de enlaces de hidrógeno y sirve como una vía de transferencia de protones (H + ). [13]

El canal de acceso al gas

Los estudios en los que el xenón se unió a la hidrogenasa sugieren un canal de gas hidrofóbico a través del cual los gases H 2 , CO y O 2 podrían llegar al sitio activo enterrado profundamente dentro de la enzima. La estructura cristalina reveló varios canales pequeños en la superficie, que se combinaron en un canal más grande que alcanzó el sitio activo [Ni-Fe]. [13]

Como es bien sabido que las hidrogenasas son sensibles al oxígeno , la difusión del gas al sitio activo depende del tamaño y el entorno del canal de acceso al gas, la reacción del oxígeno molecular (O 2 ) en el sitio activo y la recuperación del sitio activo después de la oxidación. [13]

Mecanismo

El mecanismo de reacción exacto de las hidrogenasas [NiFe] ha sido un tema de gran debate. En 2009, Higuchi y colaboradores propusieron un mecanismo basado en datos espectroscópicos y cristalográficos de rayos X de Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F. [13] Durante el proceso catalítico, el ion Fe en el sitio activo no cambia su estado de oxidación mientras que el ion metálico Ni participa en la química redox. Hay dos grupos principales de estados redox por los que pasan las hidrogenasas [NiFe] durante la catálisis:

  1. Estados redox inactivos y
  2. Estados redox activos.
Figura 5. Diferentes estados redox del sitio activo del metal de la hidrogenasa [NiFe]. Los estados redox en rojo son los estados redox inactivos . Los estados redox en verde son los estados redox activos . (Adaptado de [13] ).

Estados redox inactivos

Ni-A (el estado “no preparado”) y Ni-B (el estado “preparado”) son las formas más oxidadas del centro metálico [NiFe] y se activan a través de la reducción de un electrón con transferencia de protones. La velocidad de activación reductora de Ni-A a Ni-SU puede tardar horas, mientras que la velocidad de activación reductora de Ni-B a Ni-SIr ocurre en segundos. [14] Se propuso que la razón de esta disparidad en la cinética de activación entre Ni-A y Ni-B era el resultado de la diferencia en los ligandos puente entre los dos estados redox diferentes. En el estado Ni-SIr , se liberó una molécula de agua para formar el estado Ni-SIa , el primer estado redox activo catalítico de las hidrogenasas [NiFe].

Estados redox activos

Los tres estados activos redox catalíticos más importantes de las hidrogenasas [NiFe] son ​​Ni-SIa , Ni-C y Ni-R (que tienen tres variaciones diferentes). [13] El estado Ni-C sensible a la luz se puede obtener mediante la reducción de un electrón de Ni-SIa . Los estudios espectroscópicos de resonancia paramagnética electrónica del estado Ni-C , que contenía un Ni 3+ con S = 1/2 y un hidruro que unía los dos metales, Ni y Fe, mostraron que la escisión heterolítica de H 2 tiene lugar en el sitio activo de la hidrogenasa [NiFe].

Los estados inhibidos por CO

El estado Ni-SIa puede ser inhibido por CO, que se une directamente al ion metálico Ni en una conformación doblada para formar Ni-SCO (ver más abajo). [15] Dado que Ni-C es sensible a la luz, la iluminación a 100 K da como resultado el estado redox Ni-L . Durante este proceso, el níquel se reduce. En presencia de CO, Ni-L forma el estado Ni-CO .

Figura 6. Ilustración del sitio activo de la hidrogenasa [NiFe] inhibido por CO. Vista de arriba hacia abajo (izquierda). Vista lateral (centro). Representación en Chemdraw del sitio activo inhibido (derecha). La figura se preparó con Jmol [5] y las coordenadas fueron extraídas de 1UBK.pdb. Ion Ni = verde; ion Fe = naranja; azufre = amarillo; oxígeno = rojo; carbono = gris oscuro; nitrógeno = azul.

Maduración y ordenamiento genético

La maduración de las hidrogenasas [NiFe] requiere un conjunto de proteínas accesorias que sintetizan el sitio activo de NiFe y modifican la enzima precursora para que tenga la estructura y ubicación correctas. [2] [16] [17] La ​​maduración del sitio activo es de especial interés debido a la síntesis de ligandos metálicos de cianuro (CN) y monóxido de carbono (CO) que suelen ser tóxicos para los organismos vivos. [16] Este paso se completa con las proteínas HypC, HypD, HypE e HypF. [17] [18] Después de la síntesis del centro de hierro, se inserta níquel utilizando las metalochaperonas HypA, HypB y SlyD. [17] [18] Una vez que se completa el centro catalítico, el precursor de la hidrogenasa sufre una escisión C-terminal que provoca el reordenamiento de su estructura y la asociación con la subunidad pequeña. [16] [17] [18] Finalmente, la enzima completada se transporta a su posición correcta dentro de la célula. [16] [17] [18] El promotor de la hidrogenasa, P SH , se puede estudiar construyendo una fusión promotor P SH- gfp utilizando el gen reportero de la proteína fluorescente verde ( gfp) . [19]

Solicitud

Dado que la [NiFe] hidrogenasa es un miembro de la familia de las hidrogenasas , estas enzimas pueden catalizar tanto el consumo como la producción de hidrógeno. [1] Al estudiar la [NiFe] hidrogenasa, los científicos pueden optimizar una condición en la que la proteína solo produzca hidrógeno. Además, también se puede sintetizar una pequeña enzima imitadora de la [NiFe] hidrogenasa para que actúe como generador de gas hidrógeno. La [NiFe] hidrogenasa soluble de Ralstonia eutropha H16 es una enzima candidata prometedora para la aplicación de biocombustibles basados ​​en H2, ya que favorece la oxidación de H2 y es relativamente tolerante al oxígeno. Se puede producir en medios de crecimiento heterotróficos [20] y purificar mediante matrices de cromatografía de exclusión por tamaño e intercambio aniónico . [21]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Jugder, Bat-Erdene; Welch, Jeffrey; Aguey-Zinsou, Kondo-Francois; Marquis, Christopher P. (14 de mayo de 2013). "Fundamentos y aplicaciones electroquímicas de las hidrogenasas de captación de [Ni–Fe]". RSC Advances . 3 (22): 8142. doi :10.1039/c3ra22668a. ISSN  2046-2069.
  2. ^ abc Vignais, Paulette M.; Billoud, Bernard (octubre de 2007). "Presencia, clasificación y función biológica de las hidrogenasas: una descripción general". Chemical Reviews . 107 (10): 4206– 4272. doi :10.1021/cr050196r. PMID  17927159.
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