Hydrogénase - Hydrogenase

Une hydrogénase est une enzyme qui catalyse l' oxydation réversible de l' hydrogène moléculaire (H ₂ ), comme indiqué ci-dessous :

H 2 + A ox → 2H + + A rouge

( 1 )

2H + + D rouge → H 2 + D ox

( 2 )

L' absorption d' hydrogène ( 1 ) est couplée à la réduction des accepteurs d' électrons tels que l' oxygène , le nitrate , le sulfate , le dioxyde de carbone ( CO .
2) et fumarate . D'autre part, la réduction protonique ( 2 ) est couplée à l'oxydation de donneurs d'électrons comme la ferredoxine (FNR), et sert à disposer les électrons en excès dans les cellules (indispensable à la fermentation du pyruvate ). Les composés de bas poids moléculaire et les protéines telles que les FNR, le cytochrome c ₃ et le cytochrome c ₆ peuvent agir en tant que donneurs ou accepteurs physiologiques d'électrons pour les hydrogénases.

Classification structurelle

Il a été estimé que 99% de tous les organismes utilisent de l' hydrogène , H ₂ . La plupart de ces espèces sont des microbes et leur capacité à utiliser H ₂ comme métabolite résulte de l'expression de métalloenzymes H ₂ connues sous le nom d'hydrogénases. Les hydrogénases sont sous-classées en trois types différents en fonction de la teneur en métal du site actif : fer-fer hydrogénase, nickel-fer hydrogénase et fer hydrogénase.

Toutes les hydrogénases catalysent l' absorption réversible de H ₂ , mais alors que les hydrogénases [FeFe] et [NiFe] sont de véritables catalyseurs redox, entraînant l' oxydation de H ₂ et la réduction des protons (H ⁺ ) (équation 3 ), les hydrogénases [Fe] catalysent le clivage hétérolytique réversible de H ₂ montré par la réaction ( 4 ).

H 2 2 H + + 2 e −

( 3 )

H 2 H + + H −

( 4 )

Jusqu'en 2004, l'hydrogénase [Fe]-seulement était considérée comme « sans métal ». Ensuite, Thauer et al. ont montré que les hydrogénases sans métal contiennent en fait un atome de fer dans son site actif. En conséquence, ces enzymes précédemment classées comme « sans métal » sont désormais appelées hydrogénases [Fe] uniquement. Cette protéine ne contient qu'un site actif Fe mononucléaire et aucun amas fer-soufre, contrairement aux hydrogénases [FeFe]. Les hydrogénases [NiFe] et [FeFe] ont des caractéristiques communes dans leurs structures : chaque enzyme a un site actif et quelques amas Fe-S qui sont enfouis dans la protéine. Le site actif, ce qui est considéré comme étant l'endroit où a lieu la catalyse, est également un metallocluster, et chaque fer est coordonné par le monoxyde de carbone (CO) et de cyanure (CN ^- ) ligands.

[NiFe] hydrogénase

Les hydrogénases [NiFe] sont des protéines hétérodimères constituées de petites (S) et de grandes (L) sous-unités. La petite sous-unité contient trois amas fer-soufre tandis que la grande sous-unité contient le site actif, un centre nickel-fer qui est relié au solvant par un tunnel moléculaire. Dans certaines hydrogénases [NiFe], l'un des résidus cystéine liés au Ni est remplacé par la sélénocystéine . Sur la base de la similarité de séquence, cependant, les hydrogénases [NiFe] et [NiFeSe] devraient être considérées comme une seule superfamille. A ce jour, des hydrogénases périplasmiques, cytoplasmiques et cytoplasmiques liées à la membrane ont été trouvées. Les hydrogénases [NiFe], lorsqu'elles sont isolées, s'avèrent catalyser à la fois l' évolution et l'absorption de H ₂ , avec des cytochromes multihémogènes à faible potentiel tels que le cytochrome c ₃ agissant comme donneurs ou accepteurs d'électrons, en fonction de leur état d'oxydation. De manière générale, cependant, les hydrogénases [NiFe] sont plus actives dans l'oxydation de H ₂ . Un large spectre d' affinités pour H ₂ a également été observé dans les hydrogénases oxydantes H ₂ .

Comme les hydrogénases [FeFe], les hydrogénases [NiFe] sont généralement désactivées par l'oxygène moléculaire (O ₂ ). L'hydrogénase de Ralstonia eutropha et plusieurs autres bactéries dites de Knallgas se sont révélées tolérantes à l'oxygène. L'hydrogénase [NiFe] soluble de Ralstonia eutropha H16 peut être produite de manière pratique sur des milieux de croissance hétérotrophes . Cette découverte a accru l'espoir que les hydrogénases puissent être utilisées dans la production photosynthétique d'hydrogène moléculaire via la division de l'eau.

[FeFe] hydrogénase

Les hydrogénases contenant un centre di-fer avec un cofacteur dithiolate de pontage sont appelées hydrogénases [FeFe]. Trois familles d'hydrogénases [FeFe] sont reconnues :

• les hydrogénases monomériques cytoplasmiques, solubles, trouvées chez les anaérobies stricts tels que Clostridium pasteurianum et Megasphaera elsdenii . Ils catalysent à la fois l' évolution et l'absorption de H ₂ .
• les hydrogénases hétérodimères périplasmiques de Desulfovibrio spp., qui peuvent être purifiées par voie aérobie.
• des hydrogénases monomères solubles, trouvées dans les chloroplastes de l'algue verte Scenedesmus obliquus , catalyse le dégagement de H ₂ . La [Fe ₂ S ₂ ] ferredoxine fonctionne comme un donneur naturel d'électrons reliant l'enzyme à la chaîne de transport d'électrons photosynthétique .

Contrairement aux hydrogénases [NiFe], les hydrogénases [FeFe] sont généralement plus actives dans la production d'hydrogène moléculaire. Des fréquences de renouvellement (TOF) de l'ordre de 10 000 s ^-1 ont été rapportées dans la littérature pour les hydrogénases [FeFe] de Clostridium pasteurianum . Cela a conduit à des recherches intenses axées sur l'utilisation de l'hydrogénase [FeFe] pour la production durable de H ₂ .

Le site actif de la diiron hydrogénase est connu sous le nom de cluster H. Le cluster H est constitué d'une structure en forme de [4Fe4S] cubane, couplée au cofacteur diiron à faible valence par un thiol dérivé de la cystéine. Le cofacteur diiron comprend deux atomes de fer, reliés par un ligand aza-dithiolate de pontage (-SCH ₂ -NH-CH ₂ S-, adt), les atomes de fer sont coordonnés par des ligands carbonyle et cyanure.

Les [FeFe]-hydrogénases peuvent être séparées en quatre groupes phylogénétiques distincts A−D. Le groupe A est constitué d' hydrogénases [FeFe] prototypiques et bifurquantes . Dans la nature, les hydrogénases [FeFe] prototypiques effectuent le renouvellement de l' hydrogène en utilisant la ferredoxine comme partenaire redox, tandis que les types bifurquants effectuent la même réaction en utilisant à la fois la ferredoxine et la NAD(H) comme donneur ou accepteur d'électrons. Afin de conserver l'énergie, les bactéries anaérobies utilisent la bifurcation des électrons où des réactions redox exergoniques et endergoniques sont couplées pour contourner les barrières thermodynamiques . Le groupe A comprend les enzymes les mieux caractérisées et les plus actives sur le plan catalytique telles que la [FeFe]-hydrogénase de Chlamydomonas reinhardtii ( Cr HydA1), Desulfovibrio desulfuricans ( Dd HydAB ou Dd H), et Clostridium pasteurianum et Clostridium acetobutylicum ( Cp HydA1 et Ca HydA appelés Cp I et Ca I). Aucun exemple représentatif du groupe B n'a encore été caractérisé, mais il est phylogénétiquement distinct même lorsqu'il partage des motifs d' acides aminés similaires autour de l'amas H en tant que groupe A [FeFe]-hydrogénases. Le groupe C a été classé comme "sensoriel" sur la base de la présence d'un domaine Per-Arnt-Sim . Un exemple d'une hydrogénase du groupe C [FeFe] provient de Thermotoga maritima ( Tm HydS) qui ne montre que des taux catalytiques modestes par rapport aux enzymes du groupe A et une sensibilité élevée apparente envers l'hydrogène (H ₂ ). Une sous-classe étroitement liée du groupe D a un emplacement similaire sur le gène bactérien et partage une structure de domaine similaire à une sous-classe du groupe E, mais il lui manque le domaine PAS.

[Fe]-seulement hydrogénase

La 5,10-méthényltétrahydrométhanotérine hydrogénase (EC 1.12.98.2 ) trouvée dans les archées méthanogènes ne contient ni nickel ni amas fer-soufre mais un cofacteur contenant du fer qui a été récemment caractérisé par diffraction des rayons X.

Contrairement aux deux autres types, les hydrogénases [Fe] seules ne se trouvent que dans certaines archées méthanogènes hydrogénotrophes. Ils présentent également un mécanisme enzymatique fondamentalement différent en termes de partenaires redox et de la manière dont les électrons sont délivrés au site actif. Dans les hydrogénases [NiFe] et [FeFe], les électrons traversent une série d'amas métallorganiques qui constituent une longue distance ; les structures du site actif restent inchangées pendant tout le processus. Dans les hydrogénases [Fe]-seulement, cependant, les électrons sont directement délivrés au site actif via une courte distance. Methenyl-H4MPT ⁺ , un cofacteur, accepte directement l'hydrure de H ₂ dans le processus. La [Fe]-seulement hydrogénase est également connue sous le nom de méthylènetétrahydrométhanoptérine (méthylène-H4MPT) déshydrogénase formant H ₂ , car sa fonction est la réduction réversible du méthényl-H4MPT ⁺ en méthylène-H4MPT. L'hydrogénation d'un méthényl-H4MPT+ se produit à la place de l' oxydation/production de H ₂ , ce qui est le cas pour les deux autres types d'hydrogénases. Alors que le mécanisme exact de la catalyse est encore à l'étude, une découverte récente suggère que l'hydrogène moléculaire est d'abord clivé par hétérolyse par Fe(II), suivi du transfert d'hydrure vers le carbocation de l'accepteur.

Mécanisme

Le mécanisme moléculaire par lequel les protons sont convertis en molécules d'hydrogène au sein des hydrogénases fait encore l'objet d'études approfondies. Une approche populaire utilise la mutagenèse pour élucider les rôles des acides aminés et/ou des ligands dans différentes étapes de la catalyse telles que le transport intramoléculaire de substrats. Par exemple, Cornish et al. ont mené des études de mutagenèse et ont découvert que quatre acides aminés situés le long du canal putatif reliant le site actif et la surface de la protéine sont essentiels à la fonction enzymatique de l'hydrogénase [FeFe] de Clostridium pasteurianum (CpI). D'autre part, on peut aussi s'appuyer sur l'analyse computationnelle et les simulations. Nilsson Lill et Siegbahn ont récemment adopté cette approche pour étudier le mécanisme par lequel les hydrogénases [NiFe] catalysent le clivage de H ₂ . Les deux approches sont complémentaires et peuvent s'enrichir mutuellement. En fait, Cao et Hall ont combiné les deux approches pour développer le modèle qui décrit comment les molécules d'hydrogène sont oxydées ou produites dans le site actif des hydrogénases [FeFe]. Bien que davantage de recherches et de données expérimentales soient nécessaires pour compléter notre compréhension du mécanisme, ces découvertes ont permis aux scientifiques d'appliquer leurs connaissances, par exemple, à la construction de catalyseurs artificiels imitant les sites actifs d'hydrogénases.

Fonction biologique

En supposant que l'atmosphère terrestre était initialement riche en hydrogène, les scientifiques émettent l'hypothèse que les hydrogénases ont évolué pour générer de l'énergie à partir de/sous forme de H ₂ moléculaire . En conséquence, les hydrogénases peuvent soit aider les micro-organismes à proliférer dans de telles conditions, soit mettre en place des écosystèmes renforcés par H ₂ . Des communautés microbiennes entraînées par l'hydrogène moléculaire ont en fait été trouvées dans des milieux marins profonds où d'autres sources d'énergie issues de la photosynthèse ne sont pas disponibles. Sur la base de ces motifs, on pense que le rôle principal des hydrogénases est la production d'énergie, ce qui peut être suffisant pour soutenir un écosystème.

Des études récentes ont révélé d'autres fonctions biologiques des hydrogénases. Pour commencer, les hydrogénases bidirectionnelles peuvent également agir comme des « vannes » pour contrôler les équivalents réducteurs en excès, en particulier dans les micro-organismes photosynthétiques. Un tel rôle fait que les hydrogénases jouent un rôle vital dans le métabolisme anaérobie . De plus, les hydrogénases peuvent également être impliquées dans la conservation de l'énergie liée à la membrane par la génération d'une force protonmotrice transmembranaire. ^[15] Il est possible que les hydrogénases aient été responsables de la bioremédiation des composés chlorés. Les hydrogénases capables d'absorber H ₂ peuvent aider à récupérer les contaminants de métaux lourds sous des formes intoxiquées. Ces hydrogénases d'absorption ont été récemment découvertes dans des bactéries pathogènes et des parasites et seraient impliquées dans leur virulence. ^[15]

Applications

Les hydrogénases ont été découvertes pour la première fois dans les années 1930, et elles ont depuis suscité l'intérêt de nombreux chercheurs, y compris des chimistes inorganiques qui ont synthétisé une variété d'imitateurs d'hydrogénases . L'hydrogénase [NiFe] soluble de Ralstonia eutropha H16 est une enzyme candidate prometteuse pour les applications de biocarburant à base de H ₂ car elle favorise l' oxydation de H ₂ et est relativement tolérante à l'oxygène. Il peut être produit sur des milieux de croissance hétérotrophes et purifié via des matrices de chromatographie d' échange d'anions et d' exclusion stérique . Comprendre le mécanisme catalytique de l'hydrogénase pourrait aider les scientifiques à concevoir des sources d'énergie biologiques propres, telles que les algues, qui produisent de l'hydrogène.

Production d'hydrogène biologique

Divers systèmes sont capables de diviser l'eau en O ₂ et H ^{+ à} partir de la lumière solaire incidente. De même, de nombreux catalyseurs, qu'ils soient chimiques ou biologiques, peuvent réduire le H ⁺ produit en H ₂ . Différents catalyseurs nécessitent une surtension inégale pour que cette réaction de réduction ait lieu. Les hydrogénases sont intéressantes car elles nécessitent un surpotentiel relativement faible . En effet, son activité catalytique est plus efficace que le platine, qui est le catalyseur le plus connu pour la réaction de dégagement de H ₂ . Parmi trois types différents d'hydrogénases, les hydrogénases [FeFe] sont considérées comme un candidat fort pour une partie intégrante du système de production solaire de H ₂ car elles offrent un avantage supplémentaire de TOF élevé (plus de 9000 s ⁻¹ ) ^[6] .

Une faible surtension et une activité catalytique élevée des hydrogénases [FeFe] s'accompagnent d'une sensibilité élevée à l'O ₂ . Il est nécessaire de les concevoir tolérants à l' O ₂ pour une utilisation dans la production solaire de H ₂ puisque l'O ₂ est un sous-produit de la réaction de fractionnement de l'eau. Les efforts de recherche antérieurs de divers groupes à travers le monde se sont concentrés sur la compréhension des mécanismes impliqués dans l' inactivation de l' O ₂ des hydrogénases. Par exemple, Stripp et al. s'est appuyé sur l'électrochimie des films protéiques et a découvert que l'O _{2 se} convertit d'abord en une espèce réactive sur le site actif des hydrogénases [FeFe], puis endommage son domaine [4Fe-4S]. Cohen et al. étudié comment l'oxygène peut atteindre le site actif qui est enfoui à l'intérieur du corps protéique par une approche de simulation de dynamique moléculaire ; leurs résultats indiquent que l'O ₂ diffuse principalement à travers deux voies qui sont formées par l'élargissement et l'interconnexion entre les cavités pendant le mouvement dynamique. Ces travaux, combinés à d'autres rapports, suggèrent que l'inactivation est régie par deux phénomènes : la diffusion de l'O ₂ vers le site actif et la modification destructive du site actif.

Malgré ces résultats, la recherche est toujours en cours pour l'ingénierie de la tolérance à l'oxygène dans les hydrogénases. Alors que les chercheurs ont trouvé des hydrogénases [NiFe] tolérantes à l'oxygène, elles ne sont efficaces que pour l'absorption d'hydrogène et non la production ^[21] . Le récent succès de Bingham et al. dans l'ingénierie de l'hydrogénase [FeFe] à partir de Clostridium pasteurianum était également limité à l'activité conservée (pendant l'exposition à l'oxygène) pour la consommation de H ₂ uniquement.

Piles à biocombustible à base d'hydrogénase

Les biopiles enzymatiques typiques impliquent l'utilisation d'enzymes comme électrocatalyseurs à la fois à la cathode et à l'anode ou à une électrode. Dans la base hydrogénase- biocarburants cellules, enzymes hydrogénases sont présents à l'anode pour H ₂ oxydation.

Principe

La réaction bidirectionnelle ou réversible catalysée par l'hydrogénase permet le captage et le stockage d'énergie renouvelable comme carburant avec une utilisation à la demande. Ceci peut être démontré par le stockage chimique de l'électricité obtenue à partir d'une source renouvelable (par exemple solaire, éolienne, hydrothermale ) sous forme de H ₂ pendant les périodes de faible demande énergétique. Lorsque l'énergie est souhaitée, H ₂ peut être oxydé pour produire de l'électricité.

Avantages

Il s'agit d'une solution au défi du développement de technologies pour la capture et le stockage d' énergies renouvelables en tant que carburant avec une utilisation à la demande. La production d'électricité à partir de H ₂ est comparable à la fonctionnalité similaire des catalyseurs au platine moins l'empoisonnement du catalyseur, et est donc très efficace. Dans le cas des piles à combustible H ₂ /O ₂ dont le produit est de l'eau, il n'y a pas de production de gaz à effet de serre .

Classification biochimique

CE 1.12.1.2

hydrogène déshydrogénase (hydrogène:NAD ⁺ oxydoréductase)

H ₂ + NAD ⁺ H ⁺ + NADH

CE 1.12.1.3

hydrogène déshydrogénase (NADP) (hydrogène:NADPH ⁺ oxydoréductase)

H ₂ + NADP ⁺ H ⁺ + NADPH

CE 1.12.2.1

cytochrome- c ₃ hydrogénase (hydrogène:ferricytochrome- c ₃ oxydoréductase)

2H ₂ + ferricytochrome c ₃ ⇌ 4H ⁺ + ferrocytochrome c ₃

CE 1.12.5.1

hydrogène:quinone oxydoréductase

H ₂ + ménaquinone ménaquinol

CE 1.12.7.2

ferredoxine hydrogénase (hydrogène:ferredoxine oxydoréductase)

H ₂ + ferredoxine oxydée ⇌ 2H ⁺ + ferredoxine réduite

CE 1.12.98.1

coenzyme F ₄₂₀ hydrogénase (hydrogène : coenzyme F ₄₂₀ oxydoréductase)

H ₂ + coenzyme F ₄₂₀ ⇌ coenzyme F ₄₂₀ réduite

CE 1.12.99.6

hydrogénase (accepteur) (hydrogène:accepteur oxydoréductase)

H ₂ + A AH ₂

CE 1.12.98.2

5,10-méthényltétrahydrométhanotérine hydrogénase (hydrogène : 5,10-méthényltétrahydrométhanotérine oxydoréductase)

H ₂ + 5,10-méthényltétrahydrométhanoptérine ⇌ H ⁺ + 5,10-méthylènetétrahydrométhanoptérine

CE 1.12.98.3

Methanosarcina -phenazine hydrogénase [hydrogène: 2- (2,3-dihydropentaprenyloxy) phénazine oxydoréductase]

H ₂ + 2-(2,3-dihydropentaprényloxy)phénazine ⇌ 2-dihydropentaprényloxyphénazine

Les références

Liens externes

• 2B0J - Structure PDB de l'apoenzyme de l'hydrogénase sans amas fer-soufre de Methanothermococcus jannaschii
• 1HFE - Structure PDB de [FeFe]-hydrogénase de Desulfovibrio desulfuricans
• 1C4A - Structure PDB de [FeFe]-hydrogénase de Clostridium pasteurianum
• 1UBR - Structure PDB de [NiFe]-hydrogénase de Desulfovibrio vulgaris
• 1CC1 - Structure PDB de [NiFeSe]-hydrogénase de Desulfomicrobium baculatum
• Animation - Mécanisme de [NiFe]-hydrogénase