NiFeヒドロゲナーゼ – 日本語百科事典辞書

NiFe_hydrogenase
ヒドロゲナーゼはヒドロゲナーゼの一種で、バクテリアや古細菌などの原核生物で水素分子を可逆的に変換する酸化酵素です。酵素の触媒部位は、単純な水素代謝微生物に、図 1 に示す反応を介してエネルギーを貯蔵および利用するためのレドックス機構を提供します。 Desulfovibrio属および病原性生物であるEscherichia coliおよびヘリコバクター・ピロリ。ヒドロゲナーゼのメカニズム、成熟、および機能は、水素経済への応用および潜在的な抗生物質の標的として積極的に研究されています。 2 ↽ −
− H + + 2 e −
{ {ce {H2 <=> {2H+}+ 2e^-}}}
図 1. 水素の酸化と還元

コンテンツ
1 構造
1.1 Fe-Sクラスター 1.2 Mg 金属イオンとプロトン経路 1.3 ガスアクセスチャネル
2 機構
2.1 非アクティブな酸化還元状態 2.2 アクティブな酸化還元状態
2.2.1 CO阻害状態
3 成熟と遺伝的配置
4 応用
5 こちらもご覧ください
6 参考文献

構造

図 2. D. vulgaris Miyazaki F の構造は、大きなサブユニット (青) と小さなサブユニット (マゼンタ) の 2 つのサブユニットで構成されていました。この図は、Jmol と 1H2A.pdb の座標を使用して作成されました。
ヒドロゲナーゼの構造は、5 つの異なる硫酸塩還元細菌のX 線結晶解析研究から得られました: D. vulgaris Miyazaki F、 D. gigas、 D. frutosovorans、 D . desulfuricans およびDesulfomicrobium baculatum。 D. vulgaris Miyazaki Fから分離されたヒドロゲナーゼを図 2 に示します。大きなサブユニットは青色で、分子量は 62.5 kDa で、Ni-Fe活性部位を収容しています。小さい方のサブユニットはマゼンタ色で、分子量は 28.8 kDa で、Fe-S クラスターを含んでいます (鉄-硫黄クラスターを参照)。

図 3. 酸化型のヒドロゲナーゼの活性部位。L は、非タンパク質リガンド (1 C≡O および 2 − C≡N) を指します。X は、酸化物、硫黄、ヒドロペルオキシド、または水酸化物であることができます。
赤外線スペクトルとX 線結晶構造解析の研究から、ヒドロゲナーゼ活性部位は (S-Cys) 4 Ni(μ-X)Fe(CO)(CN) 2 であることがわかりました。ここで、一般的な配位子 X は酸化された状態でのみ見られる酸化物、硫黄、ヒドロペルオキシド、または水酸化物のいずれかです (図 3)。ニッケル原子は酸化還元反応に関与しているが、鉄原子は一貫して Fe(II) 酸化状態にある。 Fe 金属イオンに配位する3 つの非タンパク質配位子(L として示される) の正確な配置は不明です。しかし、それらは 1 つの一酸化炭素(C≡O) 分子と 2 つのシアン化物( – C≡N) 分子として同定されました。

Fe-Sクラスター
ほとんどすべてのヒドロゲナーゼには、少なくとも 1 つの鉄硫黄クラスター(Fe-S クラスター) が含まれています。前述のように、これらの Fe-S クラスターは、Ni-Fe レドックス部位から電子受容体シトクロム c 3への電子伝達チェーンとして機能するため、酵素のニッケル活性部位をタンパク質の表面に接続します (シトクロム c ファミリーを参照)。）。これらの電子は、Ni-Fe 活性部位での水素分子のヘテロリティック切断から生成されます。ヒドロゲナーゼの結晶構造は、鎖の中心にFe 3 S 4を示し、分子表面にFe 4 S 4クラスターを示す。内部 Fe 4 S 4クラスターと活性部位の間の距離は約 12 Å です (図 4)。
およびヒドロゲナーゼは非常に類似した構造を持っており、Fe-S クラスター上の 1 つの硫黄がセレン原子に置き換えられたことが示唆されていますが、これらのヒドロゲナーゼは触媒反応性と酵素阻害剤に対する感受性が異なります。

図 4. ヒドロゲナーゼ酵素の図で、小サブユニットに 3 つの Fe-S クラスターがあり、大サブユニットに Mg 2+と Ni-Fe 二金属活性部位が図は、Jmol と 1H2A.pdb の座標を使用して作成されました。Mg イオン = ネオングリーン; Ni イオン = 濃い緑色。Fe イオン = オレンジ; 硫黄=黄色; 酸素 = 赤; カーボン＝ダークグレー

Mg 金属イオンとプロトン経路
ヒドロゲナーゼは、より大きなサブユニットのC 末端領域に結合した Mg 2+カチオンを持っています。この陽イオンは 3 つの水分子と 3 つのアミノ酸に結合し、この無溶媒領域を安定化します。部分から約 13 Å 離れた位置にあるこのカチオンは、活性部位を水素結合ネットワークに接続し、プロトン (H + ) 移動経路として機能します。

ガスアクセスチャネル
キセノンがヒドロゲナーゼに結合した研究は、 H 2、CO、およびO 2ガスが酵素内の深く埋め込まれた活性部位に到達できる疎水性ガスチャネルを示唆しています。結晶構造は、表面にいくつかの小さなチャネルを明らかにし、活性部位に到達する 1 つの大きなチャネルに結合しました。
ヒドロゲナーゼは酸素感受性であることがよく知られているため、活性部位へのガスの拡散は、ガスアクセスチャネルのサイズと環境、活性部位での酸素分子 (O 2 ) の反応、および活性部位の回復に依存します。酸化後の活性部位。

機構
ヒドロゲナーゼの正確な反応機構は、大きな議論の的となっています。2009 年に、樋口らによって、 Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F.の X 線結晶構造解析と分光データに基づいてメカニズムが提案されました。 Ni 金属イオンは酸化還元化学に関与します。ヒドロゲナーゼが触媒作用中に通過する酸化還元状態には、1) 非活性な酸化還元状態と 2) 活性な酸化還元状態の 2 つの主なグループがあります (図 5)。

図 5. ヒドロゲナーゼの金属活性部位のさまざまな酸化還元状態。赤色の酸化還元状態は、非アクティブな酸化還元状態です。緑色の酸化還元状態はアクティブな酸化還元状態です。(参考文献 11 から適応)。

非アクティブな酸化還元状態
Ni-A (「準備ができていない」状態) とNi-B (「準備ができている」状態) は、金属中心の最も酸化された形態であり、プロトン移動による 1 電子還元によって活性化されます。Ni-AからNi-SUへの還元的活性化の速度は数時間かかる場合がありますが、 Ni-BからNi-SIrへの還元的活性化の速度は数秒で発生します。 Ni-AとNi-Bの間の活性化動力学におけるこの相違の理由は、2 つの異なる酸化還元状態間の架橋配位子の違いの結果であると提案されました。Ni-SIr状態では、水分子が放出されて、ヒドロゲナーゼの最初の触媒レドックス活性状態であるNi -SIa 状態が形成されました。

アクティブな酸化還元状態
ヒドロゲナーゼの 3 つの最も重要な触媒レドックス活性状態は、 Ni-SIa、Ni-CおよびNi-Rです (これらには 3 つの異なるバリエーションがあります:)。光に敏感なNi-C状態は、 Ni-SIaの一電子還元によって得ることができます。S=1/2の Ni 3+ ( Spin-1/2を参照) と、Ni と Fe の 2 つの金属を架橋する水素化物を含むNi-C状態の電子常磁性共鳴分光研究は、H 2は、ヒドロゲナーゼ活性部位で発生します。

CO阻害状態
Ni-SIa状態は CO によって阻害される可能性があり、CO は曲がった立体配座で Ni 金属イオンに直接結合してNi-SCOを形成します (下記参照)。 Ni-Cは光に敏感であるため、100K で照射するとNi-Lレドックス状態になります。COの存在下では、Ni-LはNi-CO状態を形成します。

図 6. CO によって阻害されるヒドロゲナーゼ活性部位の図。トップダウンビュー (左)。側面図（中央）。阻害された活性部位の Chemdraw 描写 (右)。この図は、Jmol と 1UBK.pdb の座標を使用して作成されました。Ni イオン = 緑; Fe イオン = オレンジ; 硫黄=黄色; 酸素 = 赤; カーボン = ダークグレー。窒素＝青。

成熟と遺伝的配置
ヒドロゲナーゼの成熟には、NiFe 活性部位 (図 2) を合成し、正しい構造と位置を持つように前駆体酵素を修飾する一連の付属タンパク質が必要です。通常、生物にとって有毒なシアン化物(CN) および一酸化炭素(CO) 金属配位子の合成のため、活性部位の成熟は特に興味深い。このステップは、タンパク質 HypC、HypD、HypE、および HypF によって完了します。鉄中心の合成後、メタロシャペロン HypA、HypB、および SlyD を使用してニッケルが挿入されます。触媒中心が完了すると、ヒドロゲナーゼ前駆体は C 末端切断を受け、その構造の再編成と小サブユニットとの結合が促進される。最後に、完成した酵素は細胞内の正しい位置に輸送されます。ヒドロゲナーゼプロモーター P SHは、緑色蛍光タンパク質 ( gfp)レポーター遺伝子を使用して P SHプロモーター- gfp 融合体を構築することで研究できます。

応用
ヒドロゲナーゼはヒドロゲナーゼファミリーのメンバーであるため、これらの酵素は水素の消費と生成の両方を触媒できます。ヒドロゲナーゼを研究することで、科学者はタンパク質が水素のみを生成する条件を最適化することができます。さらに、ヒドロゲナーゼの小さな酵素模倣物を合成して、水素ガス発生器として機能させることもできます。Ralstonia eutropha H16由来の可溶性ヒドロゲナーゼは、H 2酸化を促進し、比較的酸素耐性があるため、H 2ベースのバイオ燃料用途の有望な候補酵素です。これは、従属栄養増殖培地で生成し、陰イオン交換およびサイズ排除クロマトグラフィーマトリックスを介して精製できます。

こちらもご覧ください
ヒドロゲナーゼ
Fe-Niクラスター
生物無機

参考文献
^ a b次の場所にジャンプ: Jugder、Bat-Erdene; ウェルチ、ジェフリー。Aguey-Zinsou、近藤フランソワ。マーキス、クリストファー P. （2013-05-14)。「取り込みヒドロゲナーゼの基礎と電気化学的応用」。RSC の進歩。3 (22): 8142. doi : 10.1039/c3ra22668a . ISSN 2046-2069 .
^ c次の場所にジャンプ:
Vignais、ポーレット M.; Billoud、Bernard 。「発生、分類、およびヒドロゲナーゼの生物学的機能: 概要」. 化学レビュー。107 (10): 4206–4272。ドイ: 10.1021/cr050196r . PMID 17927159。
^ ヴォルベダ、A。ガルシン、E。ピラス、Ｃ．アラバマ州デ・レイシー。フェルナンデス、VM; ハチキアン、EC; フレイ、M。Fontecilla-Camps、JC (1996)。「ヒドロゲナーゼ活性部位の構造: 生物学的に珍しい Fe 配位子の証拠」. 混雑する。化学。ソック。118 (51): 12989–12996. ドイ：10.1021/ja962270g . ^ a b次の場所にジャンプ:
Eidsness、MK。スコット、RA。ブリティッシュコロンビア州プリックリル。DerVartanian、DV; リーガル、J.; Moura， I.; モウラ、JJ。ペック、HD (1989)。「Desulfovibrio baculatus 由来のヒドロゲナーゼにおける活性部位ニッケルへのセレノシステイン配位の証拠」 . 米国科学アカデミーの議事録。86 (1): 147–151. ドイ: 10.1073/pnas.86.1.147 . PMC 286421 . PMID 2521386。
^ a b次の場所にジャンプ: Jmol: 3D の化学構造用のオープンソース Java ビューアー。http://www.jmol.org/
^ 樋口祐一八木拓実; 安岡宣明（1997）．「Ni-Fe 活性中心の異常な配位子構造とヒドロゲナーゼの追加の Mg サイトが高分解能 X 線構造解析によって明らかにされた」 . 構造。5 (12): 1671–1680。ドイ: 10.1016/s0969-2126(97)00313-4 . PMID 9438867。
^ ヴォルベダ、A。Charon、M.-H.; ピラス、Ｃ．ハチキアン、EC; フレイ、M。Fontecilla-Camps、JC (1995)。「デスルフォビブリオギガス由来のニッケル鉄ヒドロゲナーゼの結晶構造」. 自然。373 (6515): 580–587. ドイ: 10.1038/373580a0 . PMID 7854413。S2CID 4335445 .
^ ヴォルベダ、A。マーティン、L.; Cavazza、C。マト、M。フェイバー、BW。ローズブーム、W.; Albracht、SPJ。ガルシン、E。Rousset、M。Fontecilla-Camps、JC （2005)。「ヒドロゲナーゼの準備酸化状態と準備酸化状態の構造の違い」. 生物無機化学のジャーナル。10 (3): 239–249. ドイ: 10.1007/s00775-005-0632-x . PMID 15803334。S2CID 25953517 .
^ モンテット、Ｙ．アマラ、P。ヴォルベダ、A。Vernede、X。ハッチキアン EC; フィールド、MJ。フレイ、M。Fontecilla-Camps、JC (1997)。「X 線結晶構造解析と分子動力学によってプローブされた Ni-Fe ヒドロゲナーゼの活性部位へのガスアクセス」。自然の構造と分子生物学。4 (7): 523–526。ドイ: 10.1038/nsb0797-523 . PMID 9228943。S2CID 19356968 .
^ マティアス、PM。ソアレス、CM。サライバ、LM。コエーリョ、R.; モライス、J。Le Gall、J.; カロンド、マサチューセッツ州（2001)。「Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774 のヒドロゲナーゼ: 遺伝子配列決定、1.8 Å での三次元構造決定と精密化、およびテトラヘムシトクロム c3 との相互作用のモデリング研究」. 生物無機化学のジャーナル。6 (1): 63–81. ドイ: 10.1007/s007750000167 . PMID 11191224。S2CID 9661059 .
^ ガルシン、E。Vernede、X。ハチキアン、EC; ヴォルベダ、A。フレイ、M。Fontecilla-Camps、JC (1999)。「還元ヒドロゲナーゼの結晶構造は、活性化された触媒中心のイメージを提供します」 . 構造。7 (5): 557–566. ドイ: 10.1016/s0969-2126(99)80072-0 . PMID 10378275。
^ a b次の場所にジャンプ:
Chiou， T.-W.; Liaw， W.-F. （2008）。「ニッケルチオラートおよび鉄チオラートシアノカルボニル錯体：ヒドロゲナーゼのニッケルおよび鉄部位のモデル化」. Comptes Rendus Chimie . 11 (8): 818–833. ドイ: 10.1016/j.crci.2008.04.003 . ^ g h次の場所にジャンプ:
尾形浩; ルビッツ、Ｗ．樋口祐一（2009). 「ヒドロゲナーゼ: 反応メカニズムの構造的および分光学的研究」. ダルトントランス。37 (37): 7577–7587. ドイ：10.1039/b903840j。PMID 19759926 .
^ ラメル、SE。Albracht、SPJ。アームストロング、FA （2004)。「Allochromatium vinosum からの – ヒドロゲナーゼの好気的相互変換の電気化学的電位ステップ調査: 準備ができていない酸化不活性状態と準備ができている酸化不活性状態の不可解な違いへの洞察」. アメリカ化学会誌。126 (45): 14899–14909。ドイ: 10.1021/ja047939v . PMID 15535717。
^ 尾形浩; 溝口優; 水野直樹三木健; 足立誠安岡直樹八木拓実; 山内理; 広田誠; 樋口祐一（2002). 「Desulfovibrio vulgaris 宮崎 F 由来のヒドロゲナーゼの一酸化炭素複合体の構造研究: 二水素の初期活性化部位の提案」. アメリカ化学会誌。124 (39): 11628–11635。doi : 10.1021/ja012645k . PMID 12296727。
^次の場所にジャンプ:a b c d
ルビッツ，ヴォルフガング; 尾形秀明; リュディガー、オラフ。Reijerse、エドワード（2014 年 4 月 23 日)。「ヒドロゲナーゼ」 . 化学レビュー。114 (8): 4081–4148. ドイ: 10.1021/cr4005814 . PMID 24655035。
^次の場所にジャンプ: abcde _
ラカス、マイケル J.; Zamble、Deborah B. （2016 年 3 月 29 日)。「-ヒドロゲナーゼ成熟」。生化学。55 (12): 1689–1701。ドイ: 10.1021/acs.biochem.5b01328 . PMID 26919691。
^次の場所にジャンプ:a b c d
ピーターズ、ジョンW。Schut、Gerrit J.; ボイド、エリック S.; モルダー、デビッド・W。シェパード、エリックM。Broderick、Joan B.; キング、ポール・W。Adams、Michael WW 。「-および-ヒドロゲナーゼの多様性、メカニズム、および成熟」 . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – 分子細胞研究。1853 (6): 1350–1369. ドイ: 10.1016/j.bbamcr.2014.11.021 . PMID 25461840。
^ ジャグダー、バットエルデン。ウェルチ、ジェフリー。ブレイディ、ナディ。マーキス、クリストファー P. （2016-07-26)。「aCupriavidus necatorH16 可溶性ヒドロゲナーゼプロモーター (PSH) 融合 togfp (緑色蛍光タンパク質) の構築と使用」 . PeerJ。4 : e2269。ドイ: 10.7717/peerj.2269 . ISSN 2167-8359。PMC 4974937 . PMID 27547572。
^ ジャグダー、バットエルデン。チェン、ジリアン。ピン、ダレン・タン・テック。レバー、ヘレン。ウェルチ、ジェフリー。マーキス、クリストファー P. （2015-03-25)。「従属栄養ダイオーキシンバッチ培養で増殖させたCupriavidus necator (Ralstonia eutropha) H16における可溶性ヒドロゲナーゼおよびグローバル遺伝子発現の変化の分析」 . 微生物細胞工場。14 (1): 42. doi : 10.1186/s12934-015-0226-4 . ISSN 1475-2859。PMC 4377017 . PMID 25880663。
^ ジャグダー、バットエルデン。レバー、ヘレン。Aguey-Zinsou、近藤フランソワ。マーキス、クリストファー P. （2016-01-01)。「潜在的な水素燃料電池アプリケーションのための Ralstonia eutropha H16 からの可溶性ヒドロゲナーゼの生産と精製」 . メソッド X . 3 : 242–250。ドイ: 10.1016/j.mex.2016.03.005 . PMC 4816682 . PMID 27077052。”