氢化酶及其模拟物最新研究进展剖析

1、氢化酶及其最新研究进展1 氢化酶的定义及分类1.1 氢化酶的定义 微生物的能量代谢过程中常伴随着质子还原和氢气的氧化过程，经过研究人们发现，在这些微生物体内存在一种蛋白酶，能够催化氢气和质子之间可逆 的氧化还原过程， 这种酶被称为氢化酶 (Hydrogenases简, 称为 Hases);也称为氢酶， 是存在于微生物体内可逆催化氢气氧化还原反应 (反应为 H2 2H+2e-) 的一类 生物酶 1。1.2 氢化酶的分类目前人类已经发现并且提纯了多种氢化酶， 各种氢化酶在它们的蛋白结构和 所利用的电子载体的种类 (如铁氧化还原蛋白、 红素氧化蛋白等) 上有着很大的 差异1。据氢化酶活性中心所含金属

2、原子的不同，氢化酶主要分为三种类型 2：(1) FeFe氢化酶 ,存在于细菌和低等真核细胞中，如藻类和原生生物，可以可 逆地催化质子和氢气之间氧化还原过程， 但一般认为其主要功能是催化质子还原 产氢，对氧气较为敏感 2 。(2) NiFe 氢化酶，存在于大多数细菌，许多古生菌和藻氰菌中，最初的研究 认为这种酶的主要功能是催化氢气氧化，但后来发现有些 NiFe 氢化酶也是良好 的产氢催化剂；这类酶中有些含有 Se，被称为 NiFeSe氢化酶 2。(3) Fe氢化酶，这类酶只存在于产甲烷的古生菌中， 酶中不含 Ni 原子和 FeS 簇，它不能直接催化氢气和质子之间的氧化还原过程， 它的功能是在氢气

3、存在下 可逆地催化 methenyl-H4MPT +还原产生 methene-H4MPT 和质子，这一反应过程 是微生物体内二氧化碳转化成甲烷的一个中间步骤 2上述三种酶中， FeFe氢化酶的催化效率最高， 约为其他两种的 10-100 倍1。 NiFe 氢化酶在自然界中含量最丰富，人们对其研究最为广泛和深入而根据氢化 酶的催化特性，可将氢化酶分为吸氢酶放氢酶和双向氢酶等类型2 。2 氢化酶的活性中心2.1 NiFe 氢化酶的活性中心结构 31996年，Voldeba等人对 D.gigas菌中NiFe 氢化酶做了高分辨率的晶体解析， 活性中心的结构基本确定： NiFe 氢化酶活性中心是一个 N

4、i-Fe 异双核结构，与 Ni 配位的为四个半胱氨酸，其中两个通过半胱氨酸的 S 原子作为端基配位，另 外两个则通过半胱氨酸的 S 原子与 Fe相连， Fe周围不再有其他蛋白配体，而是 有一个 CO 和两个 CN-作为端基配位， Ni-Fe 间还有一个含氧配体参与成桥。这 样 Ni 为五配位的四方锥构型， Fe为六配位的变形八面体，两个 S 与两个 CN-在 赤道平面上， CO与 O处于轴向， Fe周围的强场可导致 Fe保持低自旋。图 2.1 不同氧化态的 NiFe 氢化酶的活性中心结构2.2 FeFe氢化酶的活性中心结构 31998年，Peters 课题组发表了巴氏梭菌 FeFe氢化酶（简称

5、 CpI）的晶体结构 8；1999年，Fontecilla-Camps课题组发表了脱硫脱硫弧菌 FeFe氢化酶（简称 DdH） 的晶体结构。研究发现， FeFe氢化酶的活性中心，也叫氢簇，深深嵌入蛋白质 内，在这两种氢化酶的蛋白质表面和氢簇之间都有一条疏水通道，由于氢化酶 CpI（催化质子产氢 ）和 DdH（ 催化氢气氧化 ）具有不同的催化功能， 这条疏水通道被 认为是氢气自活性中心传出或氢气由蛋白质外到达活性中心的重要通道。通过单晶解析 ,光谱和理论计算等研究，基本确定了 FeFe氢化酶的基本结构 特征：它的活性中心是由一个 4Fe4S立方烷和一个 2Fe2S子簇组成，这两个子 簇之间是通过

6、 4Fe4S的一个半胱氨酸残基的硫原子与 2Fe2S的一个 Fe 相连， 4Fe4S立方烷通过另外三个半胱氨酸与蛋白质骨架相连。两个 Fe 中心通过一个 双硫醇负离子配体桥连，两个双硫间的桥头原子可能为 CH2，O或 NH。此外， 2Fe2S子簇中的两个 Fe 中心都含有不寻常的双原子非蛋白配体 CO 和 CN-，而这两种配体对生物体有毒，在生物酶中较为罕见。对 DdH 活性中心的结构研究表明，它可以氧化态 （Hox） 和还原态 （Hred）两种形式存在，其活性中心结构见图 2.2图 1.2 DdH 氢化酶活性中心的结构CpI 和 DdH 非常相似，但仍然有区别。在 CpI 氢化酶活性中心的

7、Fed中心不 再有空的配位点，而是有一个 H2O配体。当 CpI 氢化酶的氧化态 Hox处于高浓度 的 CO 气氛时，会产生 CO 抑制态 HoxCO, 此时氧化态桥羰基反位的水分子或空配 位点被 CO配体所取代, 这表明此配位点是氢化酶发生催化作用的活性位点 11。 CpI 氢化酶活性中心的结构见图 2.3。图 2.3 CpI 氢化酶活性中心的结构3 氢化酶及其模拟物的研究进展3.1 FeFe氢化酶及其模拟物研究进展3.1.1二茂铁基 FeFe氢化酶James M 等4报道了具有氧化还原活性 的适 当修饰的二茂铁基配体 Cp*Fe(C5Me4CH2PEt2)(FcP *)，在温和电位下的氧化

8、复制了铁氧还蛋白的功能， 与大多数二茂铁基配体的对比， 它可能是一种有用的铁氧还蛋白辅酶因子的类似 物。具体的模型是 Fe2(SCH2)2NBn(CO)3(FcP *)(dppv) (1),其中包含三个活性部 位的功能组件 :一个有反应活性的双铁中心，一个胺作质子传递，并且第一次使 用了单电子氧化还原模型。 对于氢气和一氧化碳， 合成的氧化还原辅酶因子 12+ 展现了特殊的反应活性。 在多余的氧化剂和基质的存在下， 1 2+对氢气的氧化有 催化作用。 FcP *和(1)的结构如图 3.1.1。图 3.1.1 FcP * 和 (1) 的结构上述实验支持了 H2 活化的概念， H2 被混合化合价的

9、双铁中心模型氧化得益 于温和的分子内的氧化剂的存在， 这个功能在 FeFe氢化酶中由 4Fe4S簇提供。 表明适当修饰的二茂铁可以复制 4Fe4S簇的作用，却没它们复杂。能量转换中 的质子偶合电子转移( PCET)格外重要， FcP* 的低氧化还原电位的性质可能适 用于其他生物酶模拟物。3.1.2 FeFe氢化酶光催化产氢2011年，Wang等5报道了一种低廉、 稳定、有效的光催化体系 (2)，人造FeFe 氢化酶类似物在水溶液中能够催化 H+ 转化为 H2。与当时最先进的催化体系相 比，该体系 TON 值 505、TOF 为 50 h-1很有竞争力。催化剂体系 2 如图 3.1.2， FeF

10、e模拟物活性中心没有 CN-，以增强催化剂在水中的稳定性； 3-巯基丙酸稳 定的纳米晶体量子点 CdTe(MPA-CdTe)作为光敏剂； H2A 作为电子牺牲体。图 3.1.2 天然 FeFe 氢化酶和人造 FeFe 模拟物的结构 尽管天然氢化酶已经应用在一些半导体材料上面， 本文是第一例合成的 FeFe 氢化酶模拟物与纳米晶体量子点结合并在无任何外部操作情况下应用于光驱动 产氢。合成的 FeFe氢化酶模拟物稳定性一般较差， 1 小时光照下部分解就可以 作为光催化产氢的一种有效的催化剂。本文中，催化效率和稳定性表明 2 和 MPA-CdTe 物种在整个光催化反应过程中可以有效再生。Wang 等

11、 6报道了利用两亲性聚合物胶束作为微反应器来在水中构建一个疏 水性的 FeFe氢化酶模拟物。表明局部浓度的提高、模拟物和光敏剂之间的强相 互作用以及微反应器导致的水介导的快质子迁移都会显著提高水中光催化制氢 的效率。3.1.3 特定蛋白支架FeFe氢化酶是在各种细菌和藻类的微生物能量代谢中所涉及的金属酶，具 有极强的催化性能， 如果能将其转化成生成和利用燃料电池中的氢的一种手段的 话将会极为有用。在这些酶中，催化发生在一个独特的 “二铁 ”中心，它包含一个 桥联二巯基配体、 三个 CO配体和两个 CN-配体。G. Berggren等7发现，这一“二 铁”中心的三个合成模仿物可以被加载到 FeF

12、e氢化酶成熟蛋白 HydF 上，然后转 移给藻类变体 apo-HydA1。HydA1 的充分活化只有通过包含具有一个氮杂丙烷 桥桥的模仿物的 HydF 杂合蛋白才能实现，从而证实了这一配体在原始 FeFe 氢化酶的活性点上的存在。 这是采用一个特定蛋白支架与活性点合成类似物的组 合来实现受控金属酶活化的第一个例子。3.2 NiFe 氢化酶及其模拟物研究进展3.2.1 NiFe 氢化酶活性中心影响因素Katharina Weber 等8 报道了两种 NiFe 氢化酶活性中心结构模拟物1 和1HBF4 (图 3.2.1)，二者都是功能化的酶活性结构模拟物。 质子化作用发生在 硫醇盐末端和镍原子连接

13、的硫原子上。 质子化的半胱氨酸末端的催化中间体猜测 是最初的蛋白质，但是尚未得到实验证实。 1HBF 4是含质子化 Cys-SH 的NiFe 中间体中第一个双核的 NiFe 模型化合物。图 3.2.1 NiFe 活性中心结构模拟物 1 和 1HBF 4 实验结果清楚地表明，质子化作用对铁中心电子结构有显著的影响，尽管反 应发生在 Ni 的位置； DFT 计算结果表明金属离子间有键的相互作用存在，并与 酶有关；电化学实验表明， 1和1HBF 4对质子惰性溶剂中电催化的质子还原有 活性。David Schilter 等9合成了一系列混合化合价的 NiFe 二巯基活性中心模型。通过 基础结构和光谱数

14、据， (dxpe)-Ni(xdt)Fe(CO) 2L +型的复合物被描述为 Ni(II)Fe(I) 混合化合价物种；与之对比， Ni(I)Fe(II) 核代表 NiFe 氢化酶中的 Ni-L 状态，并且可能与 FeFe氢化酶 氧化态中 Fe(I)Fe(II) 更相关。 晶体学数据表明， 在 Ni(I)Fe(I) 前驱体氧化中发生了巨大的几何 变化，猜测是 Ni(I)Fe(II) 复合物可能不只需要末端配体的变化，同时也要考虑 Ni 配位环境 的控制以便更好的匹配酶几何结构的变化。3.2.2 NiFe 氢化酶光催化产氢Seiji Ogo 等10报道了一个 NiFe 氢化酶的功能化的 NiFe为中

15、心的模拟物 (图 3.2.2)，其在碱性条件下可以成功裂解 H2 生成氢化物，并且在酸性条件下 可以催化质子产生氢气。 完成了对氢化酶功能模拟的完善。 这个复合体能极性分 解氢以组建氢复合物， 通过氢离子或电子转移做还原性底物。 晶体结构表明氢配 体主要是与铁中心相连接。配体氢的性质通过与强酸反应放出氢气的活性表明。图 3.2.2 NiFe 复合物及其氢离子或电子转移过程Peter A.等11首次报道了基于 NiFe 氢化酶模拟物的光致产氢体系，利用 Re 和 Ru 的金属配合物作为光敏剂在有机体系中研究了催化产氢循环的机理(图 3.2.3)。图 3.2.3 (a) 为不活跃状态的 NiFe

16、氢化酶 ;(b)为 1(Ni(L)Fe 2(Co)6 ,L2-=(CH3C6H3S2)2(CH2)3);(c)为可能的光催化电子转移机理参考文献1 张岩 ,李秀艳 .氢化酶的结构、催化机理及其应用 J.上海化工 ,2011,03:6-9.2 杜明,任南琪 ,张璐,许继飞 ,邱颉 .氢化酶结构研究进展 J.生物信息学 ,2009,04:323-325.3 孙晓静.氢化酶活性中心模型物的合成、表征及电化学研究D.南开大学 ,2012.4 Camara, J. M. and T. B. Rauchfuss (2012). Combining acid-base, redox and ubstrate

17、 binding functionalities to give a complete model for the FeFe -hydrogenase. Nature Chemistry 4(1): 26-30.5 Wang, F., W.-G. Wang, et al. (2011). A Highly Efficient Photocatalytic System for Hydrogen Production by a Robust Hydrogenase Mimic in an Aqueous Solution. Angewandte Chemie-International Edit

18、ion 50(14): 3193-3197.7 Berggren, G., A. Adamska, et al. (2013). Biomimetic assembly and activation of FeFe -hydrogenases. Nature 499(7456): 66-+.6 Wang, F., M. Wen, et al. (2016). Amphiphilic polymeric micelles as microreactors: improving the photocatalytic hydrogen production of the FeFe -hydrogenase mimic in water. Chemical communications (Cambridge, England) 52(3): 457-460.8 Weber, K., T. Kramer, et al. (2012). A Functional NiFe -Hydrogenase Model Compound That Underg