Una hidrogenasa es una enzima que cataliza la oxidación reversible del hidrógeno molecular (H 2 ), como se muestra a continuación:
La absorción de hidrógeno ( 1 ) está acoplada a la reducción de aceptores de electrones como oxígeno , nitrato , sulfato , dióxido de carbono (CO 2 ) y fumarato . Por otro lado, la reducción de protones ( 2 ) está acoplada a la oxidación de donadores de electrones como la ferredoxina (FNR), y sirve para eliminar el exceso de electrones en las células (esencial en la fermentación del piruvato ). Tanto los compuestos de bajo peso molecular como las proteínas como los FNR, el citocromo c 3 y el citocromo c 6 pueden actuar como donadores o aceptores fisiológicos de electrones para las hidrogenasas. [1]
Se ha estimado que el 99% de todos los organismos utilizan hidrógeno , H2 . La mayoría de estas especies son microbios y su capacidad para utilizar H 2 como metabolito surge de la expresión de metaloenzimas conocidas como hidrogenasas. [2] Las hidrogenasas se subclasifican en tres tipos diferentes según el contenido de metal del sitio activo: hierro-hierro hidrogenasa, níquel-hierro hidrogenasa y hierro hidrogenasa.
Las hidrogenasas catalizan, a veces de forma reversible, la absorción de H2 . Las hidrogenasas [FeFe] y [NiFe] son verdaderos catalizadores redox, que impulsan la oxidación del H 2 y la reducción de protones (H + ) (ecuación 3 ); las hidrogenasas [Fe] catalizan la escisión heterolítica reversible del H 2 que se muestra en la reacción ( 4 ).
Aunque originalmente se creía que estaban "libres de metales", las hidrogenasas [Fe] solamente contienen Fe en el sitio activo y no contienen grupos de hierro-azufre. Las hidrogenasas [NiFe] y [FeFe] tienen algunas características comunes en sus estructuras: cada enzima tiene un sitio activo y algunos grupos de Fe-S que están enterrados en proteínas. El sitio activo, que se cree que es el lugar donde tiene lugar la catálisis, también es un metalocluster, y cada hierro está coordinado por ligandos de monóxido de carbono (CO) y cianuro (CN- ) . [3]
Las hidrogenasas [NiFe] son proteínas heterodiméricas que constan de subunidades pequeñas (S) y grandes (L). La subunidad pequeña contiene tres grupos de hierro y azufre, mientras que la subunidad grande contiene el sitio activo, un centro de níquel-hierro que está conectado al disolvente mediante un túnel molecular. [4] [5] En algunas hidrogenasas [NiFe], uno de los residuos de cisteína unidos a Ni se reemplaza por selenocisteína . Sin embargo, basándose en la similitud de secuencia, las hidrogenasas [NiFe] y [NiFeSe] deben considerarse una única superfamilia. Hasta la fecha se han encontrado hidrogenasas periplásmicas, citoplasmáticas y unidas a membrana citoplasmática. Se ha descubierto que las hidrogenasas [NiFe], cuando se aíslan, catalizan tanto la evolución como la absorción de H2 , con citocromos multihemáticos de bajo potencial, como el citocromo c3 , que actúan como donadores o aceptores de electrones, dependiendo de su estado de oxidación. [4] Sin embargo, en términos generales, las hidrogenasas [NiFe] son más activas en la oxidación del H 2 . También se ha observado un amplio espectro de afinidades por H2 en hidrogenasas oxidantes de H2 . [6]
Al igual que las hidrogenasas [FeFe], se sabe que las hidrogenasas [NiFe] suelen desactivarse mediante oxígeno molecular (O 2 ). Se descubrió que la hidrogenasa de Ralstonia eutropha y varias otras bacterias llamadas Knallgas son tolerantes al oxígeno. [4] [7] La [NiFe] hidrogenasa soluble de Ralstonia eutropha H16 se puede producir convenientemente en medios de crecimiento heterótrofos . [8] [9] Este hallazgo aumentó la esperanza de que las hidrogenasas puedan usarse en la producción fotosintética de hidrógeno molecular mediante la división del agua. Se ha descubierto que otro [NiFe], llamado Huc o Hyd1 o hidrogenasa de absorción de tipo cianobacteriano, [10] es insensible al oxígeno y tiene una afinidad muy alta por el hidrógeno. El hidrógeno es capaz de penetrar canales estrechos en la enzima a los que las moléculas de oxígeno no pueden entrar. Esto permite que bacterias como Mycobacterium smegmatis utilicen la pequeña cantidad de hidrógeno de la atmósfera como fuente de energía cuando faltan otras fuentes. [11] [12]
Las hidrogenasas que contienen un centro de di-hierro con un cofactor de ditiolato puente se denominan hidrogenasas [FeFe]. [13] Se reconocen tres familias de hidrogenasas [FeFe]:
A diferencia de las hidrogenasas [NiFe], las hidrogenasas [FeFe] son generalmente más activas en la producción de hidrógeno molecular. En la literatura se ha informado una frecuencia de rotación (TOF) del orden de 10.000 s −1 para las hidrogenasas [FeFe] de Clostridium pasturianum . [14] Esto ha llevado a una intensa investigación centrada en el uso de [FeFe] hidrogenasa para la producción sostenible de H 2 . [15]
El sitio activo de la diiron hidrogenasa se conoce como grupo H. El grupo H consta de una estructura de forma cubana [4Fe4S], acoplada al cofactor dihierro de baja valencia mediante un tiol derivado de cisteína. El cofactor dihierro incluye dos átomos de hierro, conectados por un ligando puente aza-ditiolato (-SCH 2 -NH-CH 2 S-, adt), los átomos de hierro están coordinados por ligandos carbonilo y cianuro. [dieciséis]
Las [FeFe]-hidrogenasas se pueden separar en cuatro grupos filogenéticos distintos A-D. [17] El grupo A está formado por hidrogenasas [FeFe] prototípicas y bifurcadas . En la naturaleza, las hidrogenasas [FeFe] prototípicas realizan el recambio de hidrógeno utilizando ferredoxina como socio redox, mientras que los tipos bifurcados realizan la misma reacción utilizando ferredoxina y NAD(H) como donador o aceptor de electrones. [18] Para conservar energía, las bacterias anaeróbicas utilizan la bifurcación de electrones donde se acoplan reacciones redox exergónicas y endergónicas para eludir las barreras termodinámicas . El grupo A comprende las enzimas mejor caracterizadas y catalíticamente más activas, como la [FeFe]-hidrogenasa de Chlamydomonas reinhardtii ( Cr HydA1), [19] Desulfovibrio desulfuricans ( Dd HydAB o Dd H), [20] y Clostridium pasturianum y Clostridium acetobutylicum ( Cp HydA1 y Ca HydA1, denominados Cp I y Ca I). [21] Aún no se han caracterizado ejemplos representativos del Grupo B, pero es filogenéticamente distinto incluso cuando comparte motivos de aminoácidos similares alrededor del grupo H como las [FeFe]-hidrogenasas del Grupo A. El grupo C ha sido clasificado como "sensorial" basándose en la presencia de un dominio Per-Arnt-Sim . [22] [23] Un ejemplo de una [FeFe]-hidrogenasa del Grupo C es la de Thermotoga maritima ( Tm HydS), que muestra sólo tasas catalíticas modestas en comparación con las enzimas del Grupo A y una aparente alta sensibilidad hacia el hidrógeno (H 2 ). [24] Una subclase estrechamente relacionada del Grupo D tiene una ubicación similar en el gen bacteriano y comparte una estructura de dominio similar a una subclase del Grupo E, pero carece del dominio PAS. [17] [22] Dentro del Grupo D, se ha caracterizado la [FeFe]-hidrogenasa de Thermoanaerobacter mathranii (denominada Tam HydS). [25]
La 5,10-meteniltetrahidrometanopterina hidrogenasa (EC 1.12.98.2) encontrada en Archaea metanogénica no contiene ni níquel ni grupos de hierro-azufre, sino un cofactor que contiene hierro que se caracterizó recientemente por difracción de rayos X. [26]
A diferencia de los otros dos tipos, las hidrogenasas de [Fe] únicamente se encuentran únicamente en algunas arqueas metanogénicas hidrogenotróficas. También presentan un mecanismo enzimático fundamentalmente diferente en términos de socios redox y cómo se entregan los electrones al sitio activo. En las hidrogenasas [NiFe] y [FeFe], los electrones viajan a través de una serie de grupos metalorgánicos que comprenden una gran distancia; Las estructuras del sitio activo permanecen sin cambios durante todo el proceso. Sin embargo, en las hidrogenasas de solo [Fe], los electrones se entregan directamente al sitio activo a través de una distancia corta. Metenil-H4MPT + , un cofactor, acepta directamente el hidruro del H2 en el proceso. La hidrogenasa sólo de [Fe] también se conoce como metilenetetrahidrometanopterina (metilen-H4MPT) deshidrogenasa formadora de H2, porque su función es la reducción reversible de metenil-H4MPT + a metileno-H4MPT. [27] La hidrogenación de un metenil-H4MPT+ ocurre en lugar de la oxidación/producción de H2 , que es el caso de los otros dos tipos de hidrogenasas. Si bien el mecanismo exacto de la catálisis aún está en estudio, un hallazgo reciente sugiere que el hidrógeno molecular es escindido primero heterolíticamente por Fe(II), seguido de la transferencia de hidruro al carbocatión del aceptor. [28]
El mecanismo molecular por el cual los protones se convierten en moléculas de hidrógeno dentro de las hidrogenasas aún está bajo estudio exhaustivo. Un enfoque popular emplea la mutagénesis para dilucidar las funciones de los aminoácidos y/o ligandos en diferentes pasos de la catálisis, como el transporte intramolecular de sustratos. Por ejemplo, Cornish et al. realizaron estudios de mutagénesis y descubrieron que cuatro aminoácidos ubicados a lo largo del canal putativo que conecta el sitio activo y la superficie de la proteína son críticos para la función enzimática de la [FeFe] hidrogenasa de Clostridium pasturianum (CpI). [29] Por otro lado, también se puede confiar en análisis computacionales y simulaciones. Nilsson Lill y Siegbahn han adoptado recientemente este enfoque al investigar el mecanismo por el cual las hidrogenasas [NiFe] catalizan la escisión de H2 . [30] Los dos enfoques son complementarios y pueden beneficiarse mutuamente. De hecho, Cao y Hall combinaron ambos enfoques al desarrollar el modelo que describe cómo se oxidan o se producen las moléculas de hidrógeno dentro del sitio activo de las hidrogenasas [FeFe]. [31] Si bien se requieren más investigaciones y datos experimentales para completar nuestra comprensión del mecanismo, estos hallazgos han permitido a los científicos aplicar el conocimiento, por ejemplo, en la construcción de catalizadores artificiales que imitan los sitios activos de las hidrogenasas. [32]
Suponiendo que la atmósfera de la Tierra era inicialmente rica en hidrógeno, los científicos plantean la hipótesis de que las hidrogenasas evolucionaron para generar energía a partir de H 2 molecular . En consecuencia, las hidrogenasas pueden ayudar a que los microorganismos proliferen en tales condiciones o establecer ecosistemas potenciados por el H 2 . [33] De hecho, se han encontrado comunidades microbianas impulsadas por hidrógeno molecular en entornos de aguas profundas donde otras fuentes de energía provenientes de la fotosíntesis no están disponibles. Por estos motivos, se cree que la función principal de las hidrogenasas es la generación de energía, y esto puede ser suficiente para sostener un ecosistema.
Estudios recientes han revelado otras funciones biológicas de las hidrogenasas. Para empezar, las hidrogenasas bidireccionales también pueden actuar como "válvulas" para controlar el exceso de equivalentes reductores, especialmente en microorganismos fotosintéticos. Tal papel hace que las hidrogenasas desempeñen un papel vital en el metabolismo anaeróbico . [34] [35] Además, las hidrogenasas también pueden estar involucradas en la conservación de energía ligada a la membrana mediante la generación de una fuerza protonmotriz transmembrana. [15] Existe la posibilidad de que las hidrogenasas hayan sido responsables de la biorremediación de compuestos clorados. Las hidrogenasas competentes en la absorción de H 2 pueden ayudar a recuperar los contaminantes de metales pesados en formas intoxicadas. Estas hidrogenasas de absorción se han descubierto recientemente en bacterias y parásitos patógenos y se cree que están implicadas en su virulencia. [15]
Las hidrogenasas se descubrieron por primera vez en la década de 1930 [36] y desde entonces han atraído el interés de muchos investigadores, incluidos químicos inorgánicos , que han sintetizado una variedad de imitadores de hidrogenasas . La hidrogenasa soluble [NiFe] de Ralstonia eutropha H16 es una enzima candidata prometedora para la aplicación de biocombustibles a base de H2 , ya que favorece la oxidación del H2 y es relativamente tolerante al oxígeno. Puede producirse en medios de crecimiento heterótrofos [8] y purificarse mediante matrices de cromatografía de intercambio aniónico y de exclusión por tamaño . [9] Comprender el mecanismo catalítico de la hidrogenasa podría ayudar a los científicos a diseñar fuentes de energía biológica limpia, como las algas, que produzcan hidrógeno. [37]
Varios sistemas son capaces de dividir el agua en O 2 y H + a partir de la luz solar incidente. Asimismo, numerosos catalizadores, ya sean químicos o biológicos, pueden reducir el H + producido a H2 . Diferentes catalizadores requieren un sobrepotencial desigual para que se lleve a cabo esta reacción de reducción. Las hidrogenasas son atractivas porque requieren un sobrepotencial relativamente bajo . De hecho, su actividad catalítica es más eficaz que la del platino, que es el catalizador más conocido para la reacción de desprendimiento de H2 . [38] Entre los tres tipos diferentes de hidrogenasas, las hidrogenasas [FeFe] se consideran un fuerte candidato para una parte integral del sistema de producción solar de H 2 ya que ofrecen una ventaja adicional de alto TOF (más de 9000 s −1 ) [6] .
El bajo sobrepotencial y la alta actividad catalítica de las hidrogenasas [FeFe] van acompañados de una alta sensibilidad al O2 . Es necesario diseñarlos tolerantes al O2 para su uso en la producción solar de H2, ya que el O2 es un subproducto de la reacción de división del agua . Los esfuerzos de investigación anteriores de varios grupos de todo el mundo se han centrado en comprender los mecanismos implicados en la inactivación de las hidrogenasas por O 2 . [5] [39] Por ejemplo, Stripp et al. se basó en la electroquímica de la película de proteínas y descubrió que el O 2 primero se convierte en una especie reactiva en el sitio activo de las hidrogenasas [FeFe] y luego daña su dominio [4Fe-4S]. [40] Cohen y cols. investigó cómo el oxígeno puede llegar al sitio activo que está enterrado dentro del cuerpo proteico mediante un enfoque de simulación de dinámica molecular; sus resultados indican que el O 2 se difunde principalmente a través de dos vías que se forman por el agrandamiento y la interconexión entre las cavidades durante el movimiento dinámico. [41] Estos trabajos, en combinación con otros informes, sugieren que la inactivación se rige por dos fenómenos: la difusión de O 2 al sitio activo y la modificación destructiva del sitio activo.
A pesar de estos hallazgos, todavía se están realizando investigaciones para diseñar la tolerancia al oxígeno en las hidrogenasas. Si bien los investigadores han encontrado hidrogenasas [NiFe] tolerantes al oxígeno, solo son eficientes en la absorción de hidrógeno y no en la producción [21] . El reciente éxito de Bingham et al. en la ingeniería de la hidrogenasa [FeFe] a partir de Clostridium pasturianum también se limitó a la actividad retenida (durante la exposición al oxígeno) únicamente para el consumo de H2 . [42]
Las celdas de biocombustible enzimáticas típicas implican el uso de enzimas como electrocatalizadores tanto en el cátodo como en el ánodo o en un electrodo. En las pilas de biocombustibles basadas en hidrogenasa , las enzimas hidrogenasa están presentes en el ánodo para la oxidación del H2 . [9] [4] [43]
La reacción bidireccional o reversible catalizada por la hidrogenasa permite la captura y almacenamiento de energía renovable como combustible con uso bajo demanda. Esto puede demostrarse mediante el almacenamiento químico de electricidad obtenida de una fuente renovable (por ejemplo, solar, eólica, hidrotermal ) en forma de H2 durante períodos de baja demanda energética. Cuando se desea energía, el H2 se puede oxidar para producir electricidad. [43]
Esta es una solución al desafío del desarrollo de tecnologías para la captura y almacenamiento de energía renovable como combustible con uso bajo demanda. La generación de electricidad a partir de H2 es comparable con la funcionalidad similar de los catalizadores de platino menos el envenenamiento del catalizador y, por lo tanto, es muy eficiente. En el caso de las pilas de combustible de H 2 /O 2 , donde el producto es agua, no se produce ninguna producción de gases de efecto invernadero . [43]
hidrógeno deshidrogenasa (hidrógeno:NAD + oxidorreductasa)
hidrógeno deshidrogenasa (NADP) (hidrógeno:NADPH + oxidorreductasa)
citocromo- c 3 hidrogenasa (hidrógeno: ferricitocromo- c 3 oxidorreductasa)
hidrógeno:quinona oxidorreductasa
ferredoxina hidrogenasa (hidrógeno:ferredoxina oxidorreductasa)
coenzima F 420 hidrogenasa (hidrógeno: coenzima F 420 oxidorreductasa)
hidrogenasa (aceptor) (hidrógeno:aceptor oxidorreductasa)
5,10-meteniltetrahidrometanopterina hidrogenasa (hidrógeno: 5,10-meteniltetrahidrometanopterina oxidorreductasa)
Metanosarcina -fenazina hidrogenasa [hidrógeno:2-(2,3-dihidropentapreniloxi)fenazina oxidorreductasa]