Кіріспе

Гидрогеназа – молекулалық сутегінің (H2) қайтымды тотығуын катализдейтін фермент. Сутегіні сіңіру оттегі, нитрат, сульфат, көмірқышқыл газы және фумарат сияқты электрон қабылдағыштардың тотығуын төмендетумен байланысты. Ал, протонды тотығу ферредоксин (FNR) сияқты электрон донорларының тотығуымен байланысты және жасушалардағы артық электрондарды шығаруға қызмет етеді (пируват ферментациясында маңызды). Төмен молекулалық салмақты қосылыстар да, FNR, цитохром c3 және цитохром c6 сияқты белоктар да гидрогеназалар үшін физиологиялық электрон доноры немесе қабылдағыш ретінде әрекет ете алады.

Құрылымдық жіктеу

Барлық организмдердің 99% сутегін, H2 пайдаланады деп есептеледі. Бұл түрлердің көпшілігі микроорганизмдер, және олардың H2-ні метаболит ретінде пайдалану қабілеті гидрогеназалар деп аталатын металлоферменттердің экспрессиясынан туындайды. Гидрогеназалар белсенді орындағы металл құрамына сәйкес үш түрге бөлінеді: темір-темір гидрогеназасы, никель-темір гидрогеназасы және темір гидрогеназасы. Гидрогеназалар H2 сіңіруді катализдейді, кейде кері процесте. [FeFe] және [NiFe] гидрогеназалары нағыз редокс катализаторлары болып табылады, H2 тотығуын және протонның (H+) тотығуын қамтамасыз етеді (теңдеу). [Fe] гидрогеназалары реакция арқылы көрсетілген H2-нің кері гетеролиттік ыдырауын катализдейді. Бастапқыда "металлсыз" деп есептелгенімен, [Fe] ғана гидрогеназалары белсенді орында темірді және темір-күкірт кластерлерін қамтымайды. [NiFe] және [FeFe] гидрогеназаларының құрылымында ортақ белгілер бар: әр ферментте белсенді орын және ақуыздың ішіне енген бірнеше FeS кластерлері болады. Катализ жүретін орын деп саналатын белсенді орын да металл кластері болып табылады, және әрбір темір көміртек оксиді (CO) және цианид (CN−) лигандтарымен байланысқан.

[NiFe] гидрогеназа

[NiFe] гидрогеназалары кіші (S) және үлкен (L) субъединиктерден тұратын гетеродимерлі ақуыздар болып табылады. Кіші субъединикте үш темір-күкірт кластері бар, ал үлкен субъединикте белсенді орын – никель-темір орталығы орналасқан, ол молекулалық туннель арқылы ортаға байланысқан. [FeFe] гидрогеназалары сияқты, [NiFe] гидрогеназалары да әдетте молекулалық оттегімен (O2) деактивацияланады. Ralstonia eutropha және басқа да Knallgas бактерияларынан алынған гидрогеназалар оттегіге төзімді екені анықталды. Ralstonia eutropha H16-дан алынған ерітілген [NiFe] гидрогеназасын гетеротрофты ортада өндіруге болады. Бұл жағдай суды бөлу арқылы молекулалық сутегінің фотосинтездік өндірісінде гидрогеназаларды қолдануға үміттерді арттырды. Тағы бір [NiFe] гидрогеназасы, Huc немесе Hyd1 немесе цианобактериялық типтегі сіңіру гидрогеназасы деп аталады, ол оттегіге сезімтал емес, бірақ сутекке өте жоғары сәйкестікке ие. Сутек ферменттің оттегі молекулалары өте алмайтын тар каналдары арқылы өте алады. Бұл Mycobacterium smegmatis сияқты бактерияларға басқа энергия көздері жетіспеген кезде атмосферадағы сутектің аз мөлшерін энергия көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік береді.

[FeFe] гидрогеназа

Дижелі орталығында дитиолат кофакторы бар гидрогеназалар [FeFe] гидрогеназалар деп аталады. [FeFe] гидрогеназаларының үш отбасы белгілі: цитоплазмалық, ерігіш, мономерлік гидрогеназалар, Clostridium pasteurianum және Megasphaera elsdenii сияқты қатаң анаэробтарда кездеседі. Олар H2 эволюциясын да, сіңіруін де катализдейді. Desulfovibrio spp. түрінен алынған, аэробты жағдайда тазартылатын периплазмалық, гетеродимерлік гидрогеназалар. Scenedesmus obliquus жасыл балдырының хлоропластарында кездесетін ерігіш, мономерлік гидрогеназалар H2 эволюциясын катализдейді. [Fe2S2] ферредоксин ферментті фотосинтездік электрон тасымалдау тізбегімен байланыстыратын табиғи электрон доноры болып табылады. [NiFe] гидрогеназаларынан айырмашылығы, [FeFe] гидрогеназалары молекулалық сутегін өндіруде көбірек активті. Clostridium pasteurianum-нан алынған [FeFe] гидрогеназалары үшін әдебиетте 10 000 с⁻¹ шамасындағы айналым жиілігі (TOF) көрсетілген. Бұл [FeFe] гидрогеназаны H2 тұрақты өндірісі үшін пайдалануға бағытталған қарқынды зерттеулерге әкелді. Дижелі гидрогеназаның активті орны H кластері деп аталады. H кластері цистеиннен туындаған тиолмен байланысқан төмен валентті дижелі кофактормен қосылған [4Fe4S] куба тәрізді құрылымнан тұрады. Дижелі кофактор екі темір атомынан тұрады, олар дитиолат лиганд (SCH2 NH CH2S, adt) арқылы байланысқан, темір атомдары карбонил және цианид лигандтарымен координацияланған. [FeFe] гидрогеназаларын төрт ерекше филогенетикалық топқа бөлуге болады: A–D. А тобы прототиптік және екіге бөлінетін [FeFe] гидрогеназаларынан тұрады. Табиғатта прототиптік [FeFe] гидрогеназалары ферредоксинді редокс серіктес ретінде пайдалана отырып сутегінің айналуын катализдейді, ал екіге бөлінетін түрлері ферредоксин мен NAD(H) электрон доноры немесе акцепторы ретінде бірдей реакцияны катализдейді. Энергияны сақтау үшін анаэробты бактериялар электронның екіге бөлінуін пайдаланады, онда эксергониялық және эндогониялық редокс реакциялары термодинамикалық тосқауларды жеңу үшін біріктіріледі. А тобы ең жақсы сипатталған және каталитикалық ең активті ферменттерді қамтиды, мысалы Chlamydomonas reinhardtii (CrHydA1), Desulfovibrio desulfuricans (DdHydAB немесе DdH) және Clostridium pasteurianum және Clostridium acetobutylicum (CpHydA1 және CaHydA1, CpI және CaI деп аталады). B тобының өкілді мысалдары әлі сипатталмаған, бірақ ол H кластерінің маңындағы А тобының [FeFe] гидрогеназаларымен ұқсас аминқышқылдық мотивтерді бөліскен кезде де филогенетикалық жағынан ерекшеленеді. C тобы Per Arnt Sim доменінің болуына байланысты «сенсорлық» деп жіктеледі. C тобының [FeFe] гидрогеназасының бір мысалы Thermotoga maritima (TmHydS) түрінен алынған, ол А тобының ферменттерімен салыстырғанда қарапайым каталитикалық жылдамдықтарды көрсетеді және сутегіге (H2) жоғары сезімталдық танытады. D тобындағы жақын туысқан субкласс бактериялық генде ұқсас орналасқан және E тобының субклассымен ұқсас домендік құрылымға ие, бірақ оған PAS домені тән емес.

[Fe]-тек гидрогеназа

Метаногенді археяларда кездесетін 5,10 метенилтетрагидрометаноптерин гидрогеназасы (EC 1.12.98.2) никель немесе темір-күкірт кластерлерін емес, темір құрамындағы кофакторды қамтиды, ол жақында рентгендік дифракция арқылы сипатталды. Басқа екі түрден айырмашылығы, [Fe] ғана гидрогеназалар кейбір гидрогенотропты метаногенді археяларда ғана кездеседі. Сондай-ақ, олардың ферменттік механизмі редокс-серіктестер және электрондардың белсенді орынға жеткізілу жолдары тұрғысынан мүлдем өзгеше. [NiFe] және [FeFe] гидрогеназдарында электрондар ұзақ қашықтықты қамтитын металлорганикалық кластерлер тізбегі арқылы өтеді; белсенді орынның құрылымы бүкіл процесс бойында өзгермейді. Дегенмен, [Fe] ғана гидрогеназаларда электрондар белсенді орынға қысқа қашықтық арқылы тікелей жеткізіледі. Метенил H4MPT+, кофактор, процесте H2-ден гидридті тікелей қабылдайды. [Fe] ғана гидрогеназа H2 түзетін метилентетрагидрометаноптерин (метилен H4MPT) дегидрогеназасы деп те аталады, себебі оның функциясы метилен H4MPT+ метилен H4MPT-ға кері қайтымды редукциялануы болып табылады. Басқа екі гидрогеназа түріне тән H2-нің тотығуы/өндірілуі орнына, метилен H4MPT+ гидрогеназының тотығуы болады. Катализдің нақты механизмі әлі зерттелуде, бірақ соңғы зерттеулер молекулалық сутегінің алдымен Fe(II) арқылы гетеролиттік бөлінуін, содан кейін гидридтің акцептордың карбокатионына берілуін көрсетеді.

Механизм

Протонның сутек молекуласына айналуының молекулалық механизмі әлі де жан-жақты зерттелуде. Бір танымал тәсіл – аминқышқылдарының және/немесе лигандтардың катализдің әртүрлі кезеңдеріндегі, мысалы, субстраттардың ішкі тасымалы сияқты рөлдерін анықтау үшін мутагенезді пайдалану. Мысалы, Корниш және авторлар тобы мутагенез зерттеулерін жүргізіп, белсенді орын мен белок бетін байланыстыратын шамамен арнада орналасқан төрт аминқышқылы Clostridium pasteurianum (CpI) гидрогеназасының [FeFe] ферментативтік функциясы үшін маңызды екенін анықтады. Екінші жағынан, есептеу талдауы мен модельдеуге де сүйенуге болады. Нильсон Лилл мен Зигбанн осы тәсілді қолданып, [NiFe] гидрогеназаларының H2-нің ыдырауын катализдейтін механизмін зерттеді. Бұл екі тәсіл бір-бірін толықтырады және өзара тиімді. Шындығында, Као мен Холл екі тәсілді біріктіріп, [FeFe] гидрогеназаларының белсенді орнында сутек молекулаларының тотығуының немесе түзілуінің қалай жүретінін сипаттайтын модельді жасады. Механизмді толық түсіну үшін қосымша зерттеулер мен тәжірибелік деректер қажет болғанымен, осы нәтижелер ғалымдарға білімді қолдануға мүмкіндік берді, мысалы, гидрогеназалардың белсенді орындарын имитациялайтын жасанды катализаторларды құруға.

Биологиялық қызметі

Жер атмосферасы бастапқыда сутегіге бай болды деген болжаммен, ғалымдар гидрогеназалар молекулалық H2-ден энергия өндіру үшін пайда болды деп санайды. Осыған сәйкес, гидрогеназалар микроорганизмдерге мұндай жағдайларда көбейуге немесе H2 арқылы қуаттандырылған экожүйелер құруға көмектесе алады. Шындығында, молекулалық сутегімен жұмыс істейтін микробтық қауымдастықтар фотосинтезден басқа энергия көздері жоқ терең теңіз жағдайларында табылды. Осы негіздерге сүйенсек, гидрогеназалардың басты рөлі энергия өндіру болып есептеледі, және бұл экожүйенің тұрақтылығын қамтамасыз етуге жеткілікті болуы мүмкін. Соңғы зерттеулер гидрогеназалардың басқа да биологиялық функцияларын көрсетті. Біріншіден, екі бағытты гидрогеназалар, әсіресе фотосинтездік микроорганизмдерде, артық тотығу-тотықсыздану эквиваленттерін реттеуге арналған "клапан" рөлін де атқара алады. Мұндай рөл гидрогеназаларды анаэробтық метаболизмде маңызды етеді. Сонымен қатар, гидрогеназалар мембрана арқылы протондық градиенттің қалыптасуы арқылы мембранаға байланысты энергияны сақтауға да қатысуы мүмкін. [15] Гидрогеназалар хлорланған қосылыстарды биоремедиациялауға жауапты болуы мүмкін. H2 сіңіруге бейім гидрогеназалар ауыр металл ластаушыларын залалсыздануға көмектеседі. Бұл сіңіру гидрогеназалары жақында патогенді бактериялар мен паразиттерде анықталды және олардың вируленттілігіне қатысы бар деп есептеледі. [15]

Қолданбалар

Гидрогеназалар алғаш рет 1930 жылдары ашылды және содан бері көптеген зерттеушілердің, оның ішінде әртүрлі гидрогеназа аналогтарын синтездеген бейорганикалық химиктердің қызығушылығын тудырды. Ralstonia eutropha H16 бактериясынан алынған ерітілетін [NiFe] гидрогеназа H2 тотығуын қалайтын және оттегіге салыстырмалы түрде төзімді болғандықтан, H2 негізіндегі биоотын қолдану үшін перспективті фермент болып табылады. Оны гетеротрофты ортада өсіру арқылы өндіруге болады.

Биологиялық сутегі өндіру

Әртүрлі жүйелер күн сәулесінің әсерінен суды О2 және H+ иондарына бөлуге қабілді. Сол сияқты, көптеген катализаторлар – химиялық немесе биологиялық – түзілген H+ иондарын H2-ге дейін тотықтыра алады. Бұл тотығу реакциясының жүруі үшін әртүрлі катализаторларға әртүрлі артық потенциал қажет. Гидрогеназалар тартымды, себебі олар салыстырмалы түрде төмен артық потенциалды қажет етеді. Шындығында, олардың катализдік белсенділігі H2 эволюциялық реакциясының ең жақсы белгілі катализаторы – платинадан да жоғары. Гидрогеназалардың үш түрінің ішінде [FeFe] гидрогеназалары күн энергиясын пайдаланып H2 өндіру жүйесінің маңызды бөлігі болуға лайықты кандидат саналады, өйткені олар жоғары TOF (9000 с-1-ден астам) көрсеткішімен қосымша артықшылық ұсынады[6]. [FeFe] гидрогеназаларының төмен артық потенциалы және жоғары катализдік белсенділігімен қатар жоғары O2 сезімталдығы да байқалады. Суды бөлу реакциясының қосалқы өнімі болып табылатын O2-ге төзімді ету үшін оларды күн энергиясын пайдаланып H2 өндіруде қолдану үшін инженерлік тұрғыдан жетілдіру қажет. Әлемнің әртүрлі елдеріндегі ғалымдардың бұрынғы зерттеу жұмыстары гидрогеназалардың O2 әсерінен белсенділігін жою механизмдерін түсінуге бағытталған. Мысалы, Stripp және әріптестері белок қабықшасы электрохимиясын қолданып, O2-нің алдымен [FeFe] гидрогеназаларының белсенді орнында реактивті түзілімге айналатынын, содан кейін оның [4Fe 4S] доменін зақымдайтынын анықтады. Cohen және әріптестері молекулалық динамикалық модельдеу әдісімен O2-нің белоктың ішінде жасырылған белсенді орынға қалай жететінін зерттеді; олардың нәтижелері O2-нің динамикалық қозғалыс кезінде қуыстардың кеңеюі мен байланысуы арқылы қалыптасатын екі негізгі жол арқылы тарайтынын көрсетті. Бұл зерттеулер және басқа да мәліметтер инактивация процесіне екі фактор ықпал ететінін көрсетеді: белсенді орынға O2-нің таралуы және белсенді орынның бұзылуы. Осы нәтижелерге қарамастан, гидрогеназалардың O2-ге төзімділігін арттыру бойынша зерттеулер жалғасуда. Ғалымдар O2-ге төзімді [NiFe] гидрогеназаларын тапқанмен, олар сутегін өндіруде емес, тек сутегін сіңіруде тиімді[21]. Bingham және әріптестерінің Clostridium pasteurianum бактериясынан [FeFe] гидрогеназасын инженерлік тұрғыдан жетілдірудегі соңғы жетістіктері де тек H2 тұтыну кезінде белсенділікті сақтаумен шектелді.

Гидрогеназаға негізделген биоотын элементтері

Типик энзиматтық биоотын жасушаларында энзимдер электрокатализаторлар ретінде катод және анодтың екеуінде де немесе бір электродта қолданылады. Гидрогеназаға негізделген биоотын жасушаларында гидрогеназа ферменттері анодта H2 тотығу үшін орналасқан.

Принцип

Гидрогеназамен катализделген екі бағытты немесе қайтымды реакция жаңартылатын энергияны отын ретінде қажет болған кезде пайдалануға және сақтауға мүмкіндік береді. Бұл жаңартылатын көзден (мысалы, күн, жел, гидротермальдық) алынған электр энергиясын энергияға сұраныс төмен болған кезде H2 түрінде химиялық түрде сақтау арқылы көрсетілуі мүмкін. Энергия қажет болғанда, H2 тотығу арқылы электр энергиясын өндіруге болады.

Артықшылықтар

Бұл жаңартылатын энергияны талап бойынша пайдалану үшін отын ретінде жинау және сақтау технологияларын дамытудағы мәселенің бір шешімі. Күштік ток (электр энергиясын) H2-ден өндіру, катализатордың заластануын болдырмайтын платина катализаторларының ұқсас мүмкіндіктерімен салыстырылады, демек өте тиімді. H2/O2 отын жасушаларында, өнім су болғандықтан, парниктік газдардың шығарылуы болмайды.