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Articulo de referencia

hidrogenasa de NiFe

No confundir con la hidrogenasa [NiFeSe] [ 1 ] que se encuentra en muchas bacterias , una subclase de hidrogenasa NiFe . La hidrogenasa [NiFe] es un tipo de hidrogenasa , que es...

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No confundir con la hidrogenasa [NiFeSe] [ 1 ] que se encuentra en muchas bacterias , una subclase de hidrogenasa NiFe . La hidrogenasa [NiFe] es un tipo de hidrogenasa , que es una enzima oxidativa que convierte reversiblemente el hidrógeno molecular en procariotas , incluidas bacterias y arqueas . [ 2 ] [ 3 ] El sitio catalítico en la enzima proporciona a los microorganismos simples que metabolizan hidrógeno un mecanismo redox mediante el cual almacenar y utilizar energía a través de la reacción.

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

Esto es particularmente esencial para las bacterias anaeróbicas reductoras de sulfato del género Desulfovibrio [ 4 ] [ 5 ] así como para los organismos patógenos Escherichia coli y Helicobacter pylori . [ 3 ] 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 de 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 [ 6 ] y las coordenadas de PDB : 1H2A .
El sitio activo de la hidrogenasa [NiFe] en su 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, [ 7 ] D. gigas , [ 8 ] D. frutosovorans , [ 9 ] [ 10 ] D. desulfuricans, [ 11 ] y Desulfomicrobium baculatum . [ 12 ] 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 clústeres Fe-S .

A partir de los espectros infrarrojos y los estudios de cristalografía de rayos X , se encontró que el sitio activo de la hidrogenasa [NiFe] era (S-Cys) 4 Ni(μ-X)Fe(CO)(CN) 2 , en el que el ligando genérico X es un óxido , azufre , hidroperóxido o hidróxido que se encuentra solo en estado oxidado . [ 13 ] Mientras que el átomo de níquel participa en reacciones redox, el átomo de hierro se encuentra consistentemente en un estado de oxidación Fe(II). [ 13 ] No se conoce la geometría exacta de los tres ligandos no proteicos (denominados 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). [ 14 ]

cúmulos de Fe-S

Casi todas las hidrogenasas contienen al menos un clúster de hierro-azufre (clúster Fe-S). Como se mencionó anteriormente, estos clústeres Fe-S conectan el sitio activo de níquel de la enzima con la superficie de la proteína, ya que actúan como una cadena de transporte de electrones desde el sitio redox Ni-Fe hasta el aceptor de electrones citocromo c3 ( véase la familia del citocromo c ). [ 14 ] Estos electrones se producen a partir de la ruptura heterolítica de la molécula de hidrógeno en el sitio activo Ni-Fe. Las estructuras cristalinas de la hidrogenasa muestran un Fe3S4 en el centro de la cadena y un clúster Fe4S4 en la superficie molecular. La distancia entre el clúster Fe4S4 interno y el sitio activo es de aproximadamente 12 Å. [ 14 ]

Las hidrogenasas [NiFe] y [NiFeSe] tienen estructuras notablemente similares, lo que sugiere que un átomo de azufre en un clúster Fe-S fue reemplazado por un átomo de selenio , pero estas hidrogenasas difieren en reactividad catalítica y sensibilidad a los inhibidores enzimáticos . [ 5 ]

Ilustración de la enzima hidrogenasa [NiFe] con tres clústeres Fe-S en la subunidad pequeña y con un sitio activo de Mg²⁺ y dimetal Ni-Fe en la subunidad grande . La figura se preparó utilizando Jmol [ 6 ] y las coordenadas de PDB : 1H2A . Ion Mg = verde neón; ion Ni = verde oscuro; ion Fe = naranja; azufre = amarillo; oxígeno = rojo; carbono = gris oscuro

Iones de magnesio y vías de protones

La hidrogenasa [NiFe] posee un catión Mg²⁺ unido a la región C-terminal de la subunidad mayor. Este catión se une a tres moléculas de agua y tres aminoácidos , y estabiliza esta región libre de disolvente. A aproximadamente 13 Å de la fracción [NiFe], este catión conecta el sitio activo a una red de enlaces de hidrógeno y sirve como vía de transferencia de protones (H⁺ ) . [ 14 ]

El canal de acceso al gas

Estudios en los que se unió xenón a la hidrogenasa sugieren un canal de gas hidrofóbico a través del cual los gases H₂ , CO y O₂ podrían alcanzar el sitio activo profundamente enterrado dentro de la enzima. La estructura cristalina reveló varios canales pequeños en la superficie, que se combinaron en un canal más grande que alcanzaba el sitio activo [Ni-Fe]. [ 14 ]

Dado que se sabe 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 (O₂ ) en el sitio activo y la recuperación del sitio activo después de la oxidación. [ 14 ]

Mecanismo

El mecanismo de reacción exacto de las hidrogenasas [NiFe] ha sido objeto de gran debate. En 2009, Higuchi y colaboradores propusieron un mecanismo basado en datos de cristalografía de rayos X y espectroscópicos de Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F. [ 14 ] 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. Existen 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 metálico 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 [ 14 ] ).

Estados redox inactivos

Ni-A (el estado “no listo”) y Ni-B (el estado “listo”) son las formas más oxidadas del centro metálico [NiFe] y se activan mediante reducción de un electrón con transferencia de protón. La velocidad de activación reductiva de Ni-A a Ni-SU puede tardar horas, mientras que la velocidad de activación reductiva de Ni-B a Ni-SIr ocurre en segundos. [ 15 ] Se propuso que la razón de esta disparidad en la cinética de activación entre Ni-A y Ni-B es 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 catalíticamente activo redox de las hidrogenasas [NiFe].

Estados redox activos

Los tres estados catalíticos redox activos más importantes de las hidrogenasas [NiFe] son ​​Ni-SIa , Ni-C y Ni-R (que tienen tres variaciones diferentes). [ 14 ] El estado Ni-C sensible a la luz se puede obtener mediante la reducción de un electrón de Ni-SIa . Los estudios de espectroscopia 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 ruptura 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 curvada para formar Ni-SCO (véase más abajo). [ 16 ] 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 superior (izquierda). Vista lateral (centro). Representación en Chemdraw del sitio activo inhibido (derecha). La figura se preparó con Jmol [ 6 ] y coordenadas de 1UBK.pdb. Ion Ni = verde; ion Fe = naranja; azufre = amarillo; oxígeno = rojo; carbono = gris oscuro; nitrógeno = azul.

Maduración y organización genética

La maduración de las hidrogenasas [NiFe] requiere un conjunto de proteínas accesorias que sintetizan el sitio activo NiFe y modifican la enzima precursora para que tenga la estructura y ubicación correctas. [ 3 ] [ 17 ] [ 18 ] La maduración del sitio activo es de especial interés debido a la síntesis de los ligandos metálicos cianuro (CN) y monóxido de carbono (CO) que suelen ser tóxicos para los organismos vivos. [ 17 ] Este paso lo completan las proteínas HypC, HypD, HypE y HypF. [ 18 ] [ 19 ] Después de la síntesis del centro de hierro, el níquel se inserta utilizando las metalochaperonas HypA, HypB y SlyD. [ 18 ] [ 19 ] Una vez que se completa el centro catalítico, el precursor de la hidrogenasa sufre una escisión C-terminal que provoca la reorganización de su estructura y la asociación con la subunidad pequeña. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Finalmente, la enzima completa es transportada a su posición correcta dentro de la célula. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] El promotor de la hidrogenasa, P SH , puede estudiarse construyendo una fusión del promotor P SH- gfp utilizando el gen reportero de la proteína fluorescente verde ( gfp) . [ 20 ]

Solicitud

Dado que la hidrogenasa [NiFe] pertenece a la familia de las hidrogenasas , estas enzimas pueden catalizar tanto el consumo como la producción de hidrógeno. [ 2 ] Al estudiar la hidrogenasa [NiFe], los científicos pueden optimizar las condiciones para que la proteína produzca únicamente hidrógeno. Además, se puede sintetizar una enzima pequeña que imita a la hidrogenasa [NiFe] para que actúe como generador de hidrógeno. La hidrogenasa [NiFe] soluble de Ralstonia eutropha H16 es una enzima prometedora para aplicaciones de biocombustibles a base de H₂, ya que favorece la oxidación de H₂ y es relativamente tolerante al oxígeno. Se puede producir en medios de cultivo heterótrofos [ 21 ] y purificar mediante cromatografía de intercambio aniónico y de exclusión por tamaño . [ 22 ]

Véase también

Referencias

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  2. 1 2 Jugder, Bat-Erdene; Welch, Jeffrey; Aguey-Zinsou, Kondo-Francois; Marquis, Christopher P. (2013-05-14). "Fundamentos y aplicaciones electroquímicas de las hidrogenasas de [Ni–Fe]". RSC Advances . 3 (22): 8142. Bibcode : 2013RSCAd...3.8142J . doi : 10.1039/c3ra22668a . ISSN 2046-2069 . 
  3. 1 2 3 Vignais, Paulette M.; Billoud, Bernard (octubre de 2007). "Ocurrencia, clasificación y función biológica de las hidrogenasas: una visión general". Chemical Reviews . 107 (10): 4206– 4272. doi : 10.1021/cr050196r . PMID 17927159 . 
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  5. 1 2 Eidsness, MK; Scott, RA; Prickril, BC; DerVartanian, DV; Legall, J.; Moura, I.; Moura, JJ; Peck, HD (1989). "Evidencia de coordinación de selenocisteína al níquel del sitio activo en las hidrogenasas [ NiFeSe ] de Desulfovibrio baculatus " . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 86 (1): 147– 151. Bibcode : 1989PNAS...86..147E . doi : 10.1073/pnas.86.1.147 . PMC 286421. PMID 2521386 .  
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