Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Idrogenasi


Molecola del Mese di Marzo 2009
Le idrogenasi sono enzimi che usano semplici metalli come ferro e nichel per catalizzare l'ossidazione dell'idrogeno gassoso H2

Introduzione
L'idrogeno gassoso H
2 è una sostanza insolita. In generale è poco reattivo e reagisce solo se trattato con potenti catalizzatori come platino o palladio. Quando, però, è mescolato con l'ossigeno, basta una scintilla per produrre una forte esplosione. L'idrogeno gassoso forse diventerà la più verde tra le fonti di energia pulita. Rispetto agli altri combustibili ha molti vantaggi: libera più energia per unità di massa e la sua reazione con l'ossigeno produce solo energia e acqua. D'altra parte, presenta anche degli svantaggi. E' pericoloso da immagazzinare ed è difficile farlo reagire con ossigeno in modo controllato e non esplosivo. Attualmente le celle a combustibile che si stanno sperimentando per le automobili ad idrogeno impiegano costosi catalizzatori al platino. Gli scienziati stanno cercando in natura delle alternative.

Spezzare l'idrogeno
Esistono tre tipi diversi di enzimi in grado di spezzare la molecola di idrogeno H2 e vengono chiamati idrogenasi. Sono così diversi tra loro che si pensa si siano evoluti in modo indipendente. Come la maggior parte degli enzimi, sono in grado di promuovere sia la reazione diretta che quella inversa e quindi sono usati sia per spezzare la molecola di idrogeno gassoso per ricavarne energia, sia per creare idrogeno gassoso come prodotto finale della reazione. Qui a fianco sono illustrati esempi dei tre tipi di idrogenasi conosciute.
Quello in alto è un enzima idrogenasi nichel-ferro (file PDB 2frv),
Al centro c'è una idrogenasi ferro-ferro (file PDB 1feh),
In basso c'è una ferro idrogenasi (file PDB 3dag e 3f47).
Come si intuisce dal nome, tutti questi enzimi usano ioni metallici per la loro reazione.

Maneggiare l'idrogeno
I tre tipi di idrogenasi utilizzano diverse combinazioni di ioni metallici e cofattori per attivare l'idrogeno.
I siti attivi delle idrogenasi nichel-ferro e ferro-ferro sono nascosti in profondità nella proteina. La reazione inizia quando l'idrogeno penetra nella proteina attraverso sottili fessure e raggiunge il sito attivo. Inizialmente l'enzima spezza la molecola di idrogeno H
2 in modo asimmetrico formando un protone H+ e uno ione idruro H-. Poi i due elettroni vengono strappati dallo ione idruro e trasferiti lungo una serie di trasportatori di elettroni per giungere infine al gruppo eme di un citocromo come mostrato più sotto. I due protoni H+ rimasti vengono trasportati alla superficie dell'enzima.
Le ferro idrogenasi agiscono in modo leggermente diverso: uno speciale coenzima si lega nel sito attivo all'inizio di ogni reazione e agisce da accettore di ioni idruro quando la molecola di idrogeno H
2 viene spezzata.

Strani complessi metallici
I complessi chi si trovano nel sito attivo sono una strana combinazione di ioni metallici e molecole pericolose come cianuro e monossido di carbonio tenute insieme da amminoacidi di cisteina. Questi siti attivi complessi vengono costruiti da un insieme specifico di enzimi. Per esempio, le idrogenasi nichel-ferro richiedono almeno sette enzimi, spinti da GTP e ATP, per costruire i loro siti attivi. Uno di questi enzimi agisce da chaperon (mdm 8-2002), si lega ad una cisteina chiave nel sito attivo obbligando la proteina a restare aperta per renderla accessibile agli altri enzimi. Questi fanno entrare gli ioni metallici e vi aggiungono gli ioni cianuro o le molecole di monossido di carbonio che hanno la funzione di legandi. Infine la proteina chaperon si stacca dalla cisteina così l'idrogenasi matura si può chiudere attorno al suo nuovo sito attivo.

Trasportatori di elettroni
Le idrogenasi hanno bisogno di un posto dove mettere gli elettroni estratti dall'idrogeno.
In alcuni casi questi elettroni vengono trasferiti a proteine trasportatrici di elettroni come i citocromi (mdm 5-2011). In questa struttura, determinata con la tecnica della spettroscopia NMR (file PDB 1e08), una idrogenasi ferro-ferro (blu) è stata colta nell'atto di trasferire i suoi elettroni a un citocromo (in rosa). Notate che il percorso che va dal sito attivo coi due ioni ferro, sulla sinistra, fino al gruppo eme nel citocromo sulla destra (in rosso) è tracciato da tre gruppi ferro-zolfo (in giallo e arancione). Gli elettroni che escono dagli atomi di idrogeno possono giungere fino al gruppo eme passando da un gruppo all'altro come in un filo elettrico.







Esplorando la struttura
La cristallografia a raggi x ha rivelato la struttura del sito attivo di tutti e tre i tipi di idrogenasi anche se restano ancora alcuni aspetti da chiarire. La molecola di idrogeno H2 è troppo piccola per essere individuata nei normali esperimenti di cristallografia, quindi si sono dovuti utilizzare dei metodi alternativi per scoprire i dettagli di questa reazione enzimatica.
I tre siti attivi sono diversi uno dall'altro, ma hanno alcune particolarità strutturali in comune che quindi si sono dimostrate essenziali per la riuscita della reazione. L'elemento chiave in tutti e tre gli enzimi è un atomo di ferro coordinato con legandi insoliti come ioni cianuro e molecole di monossido di carbonio. Tutti hanno anche un secondo ione metallico o un cofattore che aiuta l'atomo di ferro centrale a compiere la reazione di ossidazione o di riduzione dell'idrogeno. Infine tutti utilizzano degli amminoacidi di cisteina per tenere in posizione i vari elementi nel sito attivo.

Idrogenasi nichel-ferro
Nel sito attivo di questo enzima (mostrato qui a fianco, file PDB 2frv) ci sono due ioni metallici: uno ione nichel (verde) e uno ione ferro (arancione). Sono tenuti in sede dai quattro atomi di zolfo (giallo) di quattro cisteine. Tre molecole di cianuro o di monossido di carbonio (azzurre) sono legate al ferro. Questa struttura rappresenta la forma ossidata dell'enzima, infatti è presente anche un atomo di ossigeno (rosso) legato al nichel e al ferro. Si pensa che questo sia il punto dove si lega l'idrogeno nella forma ridotta. Per vedere la forma ridotta dell'enzima esaminate il file PDB 1h2r (non illustrato qui) che non contiene l'atomo di ossigeno.
L'enzima contiene anche dei gruppi ferro-zolfo che servono a trasportare gli elettroni dal ferro, che si trova al centro della proteina, fino alla superficie dove gli elettroni possono essere trasferiti ad un citocromo.













Idrogenasi ferro-ferro
Il sito attivo di questo enzima (mostrato qui a fianco, file PDB 1feh) contiene due atomi di ferro (mostrati in arancione) legati a due atomi di zolfo (gialli) e a cinque molecole di cianuro o di monossido di carbonio (azzurre). Quella mostrata qui è la forma ossidata dell'enzima infatti ci sono due atomi di ossigeno (rossi) legati agli atomi del sito attivo. Quello legato direttamente al ferro si pensa che stia occupando la posizione dove si lega l'idrogeno nella forma ridotta dell'enzima. Anche in questa idrogenasi ci sono più gruppi ferro-zolfo (come quello che si vede in alto a sinistra giallo e arancione) che servono a trasportare gli elettroni liberati dall'idrogeno dal sito attivo alla superficie dell'enzima.















Ferro idrogenasi
Il sito attivo di questo enzima (file PDB 3dag) contiene un atomo di ferro (arancione) che coordina più legandi: due molecole di monossido di carbonio (azzurre), due atomi di ossigeno (rossi). L'atomo di zolfo di una cisteina (giallo) mantiene il ferro in posizione. L'atomo di ferro è anche legato a una grande molecola di un coenzima piridinolo (verde) che è importante per mantenere il ferro nel corretto stato di ossidazione. Un secondo coenzima (non visibile in questa struttura) aiuta a completare la reazione.


















Spunti per ulteriori esplorazioni
Il file PDB 1hfe illustra una idrogenasi ferro-ferro che proviene da un organismo diverso rispetto a quella mostrata qui. Ha dei legandi diversi coordinati intorno agli atomi di ferro nel sito attivo. Individuate somiglianze e differenze tra le due idrogenasi.
Gli scienziati stanno cercando di utilizzare le idrogenasi per la produzione di idrogeno, ma soprattutto per l'utilizzo dell'idrogeno nella tecnologia delle celle a combustibile. Quali sfide devono affrontare?

Bibliografia
A.L. DeLacey, V.M. Fernandez, M. Rousset and R. Cammack (2007) Activation and inactivation of hydrogenase function and the catalytic cycle: spectroelectrochemical studies. Chemical Reviews 107, 4304-4330.
K.A. Vincent, A. Parkin and F.A. Armstrong (2007) Investigating and exploiting the electrocatalytic properties of hydrogenases. Chemical Reviews 107, 4366-4413.
M.R. Leach, D. B. Zamble (2007) Metallocenter assembly of the hydrogenase enzymes. Current Opinion in Chemical Biology 11, 159-165.

 

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