हाइड्रोजनेज: Difference between revisions

[NiFe] हाइड्रोजन गैसों के विपरीत, [FeFe] हाइड्रोजन गैसें प्रायः आणविक हाइड्रोजन के उत्पादन में अधिक सक्रिय होती हैं। क्लॉस्ट्रिडियम पेस्टुरियनम से [FeFe] हाइड्रोजन गैसों के लिए साहित्य में कुलबिक्रीआवृत्ति (TOF) 10,000 s−1 के क्रम में उद्धृत कथन के रूप में प्रस्तुत की गई है।<ref>{{cite journal | vauthors = Madden C, Vaughn MD, Díez-Pérez I, Brown KA, King PW, Gust D, Moore AL, Moore TA | title = Catalytic turnover of [FeFe]-hydrogenase based on single-molecule imaging | journal = Journal of the American Chemical Society | volume = 134 | issue = 3 | pages = 1577–82 | date = January 2012 | pmid = 21916466 | doi = 10.1021/ja207461t }}</ref> इसने H2 के सतत उत्पादन के लिए [FeFe] हाइड्रोजनेज़ के उपयोग पर ध्यान केंद्रित करते हुए गहन शोध किया है.<ref>{{cite journal | vauthors = Smith PR, Bingham AS, Swartz JR | title = Generation of hydrogen from NADPH using an [FeFe] hydrogenase | journal=[[International Journal of Hydrogen Energy]] | year=2012 | volume=37 | issue = 3 | pages=2977–2983 | doi=10.1016/j.ijhydene.2011.03.172}}</ref>डायरोन हाइड्रोजनेज की सक्रिय स्थिति को H-समूह के रूप में जाना जाता है। H-क्लस्टर में एक [4Fe4S] घनीय आकार की संरचना होती है, जो एक सिस्टीन व्युत्पन्न थिओल द्वारा निम्न रिक्त डायरॉन सह-कारक के साथ मिलकर होती है। डायरॉन सह-कारक में दो लोहे के परमाणु सम्मिलित होते हैं, जो एक सेतुबंधन एज़ा-डाइथिओलेट लिगैंड (-SCH2-NH-CH2S-, adt) से जुड़े होते हैं, लोहे के परमाणु कार्बोनिल और साइनाइड लिगेंड द्वारा समन्वित होते हैं।<ref>{{Cite journal|last1=Németh|first1=Brigitta|last2=Esmieu|first2=Charlène|last3=Redman|first3=Holly J.|last4=Berggren|first4=Gustav|date=2019|title=सेमी-सिंथेटिक हाईडीएफ प्रोटीन का उपयोग कर एच-क्लस्टर असेंबली की निगरानी करना|journal=Dalton Transactions|volume=48|issue=18|pages=5978–5986|language=en|doi=10.1039/C8DT04294B|pmid=30632592|pmc=6509880|issn=1477-9226|doi-access=free}}</ref>[FeFe]-हाइड्रोजनेज को चार अलग-अलग जातिवृत्तीय समूहों A−D में विभाजित किया जा सकता है। [17] समूह A में प्रोटोटाइपिकल और द्विभाजित [FeFe] -हाइड्रोजनेज होते हैं। प्रकृति में, प्रोटोटाइपिकल [FeFe]-हाइड्रोजनेज एक रेडॉक्स साझीदार के रूप में फेरेडॉक्सिन का उपयोग करके हाइड्रोजन आदान प्रदान करते हैं, जबकि द्विभाजित प्रकार के फेरेडॉक्सिन और NAD (H) दोनों का इलेक्ट्रॉन दाता या स्वीकर्ता के रूप में उपयोग करके समान अभिक्रिया करते हैं।<ref>{{Cite journal|last1=Schuchmann|first1=Kai|last2=Chowdhury|first2=Nilanjan Pal|last3=Müller|first3=Volker|date=2018-12-04|title=Complex Multimeric [FeFe] Hydrogenases: Biochemistry, Physiology and New Opportunities for the Hydrogen Economy|journal=Frontiers in Microbiology|volume=9|page=2911|doi=10.3389/fmicb.2018.02911|pmid=30564206|pmc=6288185|issn=1664-302X|doi-access=free}}</ref>ऊर्जा के संरक्षण के लिए, अवायवीय जीवाणु इलेक्ट्रॉन द्विभाजन का उपयोग करते हैं जहां ऊष्मागतिक बाधाओं को दूर करने के लिए  ऊर्जाजनिक और ऊर्जाशोषी रेडॉक्स अभिक्रियाएं युग्मित होती हैं। समूह A में सबसे अच्छी विशेषता और उत्प्रेरक रूप से सबसे सक्रिय एंजाइम सम्मिलित हैं जैसे [FeFe] - क्लैमाइडोमोनस रीन्हार्डेटी (CrHydA1) से हाइड्रोजनेज़,<ref>{{Cite journal|last1=HAPPE|first1=Thomas|last2=NABER|first2=J. Dirk|date=June 1993|title=ग्रीन एल्गा क्लैमाइडोमोनस रीन्हार्डेटी से हाइड्रोजनेज़ का अलगाव, लक्षण वर्णन और एन-टर्मिनल अमीनो एसिड अनुक्रम|journal=European Journal of Biochemistry|volume=214|issue=2|pages=475–481|doi=10.1111/j.1432-1033.1993.tb17944.x|pmid=8513797|issn=0014-2956|doi-access=free}}</ref>डेसल्फ़ोविब्रियो डेसल्फ़्यूरिकन्स (DdHydAB या DdH) ,<ref>{{Cite journal|last1=Glick|first1=Bernard R.|last2=Martin|first2=William G.|last3=Martin|first3=Stanley M.|date=1980-10-01|title=Desulfovibrio desulfuricans से पेरिप्लास्मिक हाइड्रोजनेज़ की शुद्धि और गुण|url=http://dx.doi.org/10.1139/m80-203|journal=Canadian Journal of Microbiology|volume=26|issue=10|pages=1214–1223|doi=10.1139/m80-203|pmid=7006765|issn=0008-4166}}</ref> और क्लोस्ट्रीडियम पेस्टुरियनम और क्लोस्ट्रीडियम एसिटोब्यूटिलिकम (CpHydA1 और CaHydA1) , सीपीआई और सीएआई के रूप में जाना जाता है।<ref>{{Cite journal|last1=Nakos|first1=George|last2=Mortenson|first2=Leonard|date=March 1971|title=Purification and properties of hydrogenase, an iron sulfur protein, from Clostridium pasteurianum W5|url=http://dx.doi.org/10.1016/0005-2744(71)90008-8|journal=Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology|volume=227|issue=3|pages=576–583|doi=10.1016/0005-2744(71)90008-8|pmid=5569125|issn=0005-2744}}</ref>समूह B के किसी भी प्रतिनिधि उदाहरण को अभी तक चित्रित नहीं किया गया है, लेकिन यह समूह A [FeFe] -हाइड्रोजनेज के रूप में H-समूह के आसपास समान अमीनो अम्लो के रूपांकनों को साझा करते हुए भी जातीवृति के आधार परअलग है। प्रति आरणत सिम डोमेन की उपस्थिति के आधार पर समूह C को "संवेदी" के रूप में वर्गीकृत किया गया है। <ref>{{Cite journal|last1=Greening|first1=Chris|last2=Biswas|first2=Ambarish|last3=Carere|first3=Carlo R|last4=Jackson|first4=Colin J|last5=Taylor|first5=Matthew C|last6=Stott|first6=Matthew B|last7=Cook|first7=Gregory M|last8=Morales|first8=Sergio E|date=2015-09-25|title=Genomic and metagenomic surveys of hydrogenase distribution indicate H2 is a widely utilised energy source for microbial growth and survival|url= |journal=The ISME Journal|volume=10|issue=3|pages=761–777|doi=10.1038/ismej.2015.153|pmid=26405831|issn=1751-7362|pmc=4817680}}</ref>समूह C [FeFe]-हाइड्रोजनेज का एक उदाहरण थर्मोटोगा मैरिटिमा (TmHydS) से है जो समूह A एंजाइमों की तुलना में केवल साधारण  उत्प्रेरक दर दर्शाता है और हाइड्रोजन (H2) के प्रति स्पष्ट उच्च संवेदनशीलता दर्शाता है।.<ref>{{Cite journal|last1=Chongdar|first1=Nipa|last2=Birrell|first2=James A.|last3=Pawlak|first3=Krzysztof|last4=Sommer|first4=Constanze|last5=Reijerse|first5=Edward J.|last6=Rüdiger|first6=Olaf|last7=Lubitz|first7=Wolfgang|last8=Ogata|first8=Hideaki|date=2018-01-09|title=Unique Spectroscopic Properties of the H-Cluster in a Putative Sensory [FeFe] Hydrogenase|url=http://dx.doi.org/10.1021/jacs.7b11287|journal=Journal of the American Chemical Society|volume=140|issue=3|pages=1057–1068|doi=10.1021/jacs.7b11287|pmid=29251926|issn=0002-7863}}</ref> समूह D के एक करीबी से संबंधित उपवर्ग का जीवाणु जीन पर एक समान स्थान है और समूह E से एक उपवर्ग के समान डोमेन संरचना साझा करता है लेकिन इसमें PAS डोमेन का अभाव है।।<ref name=":0">{{Cite journal|last1=Land|first1=Henrik|last2=Senger|first2=Moritz|last3=Berggren|first3=Gustav|last4=Stripp|first4=Sven T.|date=2020-05-28|title=Current State of [FeFe]-Hydrogenase Research: Biodiversity and Spectroscopic Investigations|url=http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c01614|journal=ACS Catalysis|volume=10|issue=13|pages=7069–7086|doi=10.1021/acscatal.0c01614|s2cid=219749715 |issn=2155-5435}}</ref>

[[File:Fe Hydrogenase.png|thumb|left|[Fe] हाइड्रोजनेज की क्रिस्टल संरचना]]मिथेनोजेनिक आर्किया में पाए जाने वाले 5,10-मेथेनिलटेट्राहाइड्रोमेथेनोप्टेरिन हाइड्रोजनेज (EC 1.12.98.2) में न तो निकिल और न ही आयरन-सल्फर समूह होते हैं, लेकिन हाल ही में एक्स-रे विवर्तन की विशेषता वाला एक आयरन युक्त सहगुणक होता है।<ref>{{cite journal | vauthors = Shima S, Pilak O, Vogt S, Schick M, Stagni MS, Meyer-Klaucke W, Warkentin E, Thauer RK, Ermler U | title = The crystal structure of [Fe]-hydrogenase reveals the geometry of the active site | journal = Science | volume = 321 | issue = 5888 | pages = 572–5 | date = July 2008 | pmid = 18653896 | doi = 10.1126/science.1158978 | bibcode = 2008Sci...321..572S | s2cid = 206513302 }}</ref>

अन्य दो प्रकारों के विपरीत, [Fe]-केवल हाइड्रोजन गैसें केवल कुछ हाइड्रोजनोट्रोफिक मेथनोजेनिक आर्किया में पाई जाती हैं। रेडॉक्स भागीदारों और सक्रिय स्थितियों पर इलेक्ट्रॉनों को कैसे वितरित किया जाता है, इसके संदर्भ में वे मौलिक रूप से अलग एन्जाइमी तंत्र भी प्रस्तुत करते हैं।. [NiFe] और [FeFe] हाइड्रोजन गैसों में, इलेक्ट्रॉन धातु कार्बनिक समूहों की एक श्रृंखला के माध्यम से यात्रा करते हैं जिसमें लंबी दूरी होती है; पूरी प्रक्रिया के दौरान सक्रिय स्थिति संरचनाएं अपरिवर्तित रहती हैं। [Fe]-केवल हाइड्रोजन गैसों में, यद्यपि इलेक्ट्रॉनों को थोड़ी दूरी के माध्यम से सीधे सक्रिय स्थिति पर पहुंचाया जाता है। मेथेनिल-H4MPT, एक सहकारक, इस प्रक्रिया में सीधे H2 से हाइड्राइड को स्वीकार करता है।[Fe]-केवल हाइड्रोजनेज़ को H2-बनाने वाले मिथाइलनेटेट्राहाइड्रोमेथेनोप्टेरिन (मिथाइलीन-H4MPT) डिहाइड्रोजनेज के रूप में भी जाना जाता है, क्योंकि इसका कार्य मिथाइल-H4MPT का मिथाइलीन-H4MPT में प्रतिवर्ती कमी करना  है।<ref>{{cite journal |author1 =Salomone-Stagnia, M. |author2 =Stellatob, F. |author3 =Whaleyc, C.M. |author4 =Vogtd, S. |author5 =Moranteb, S. |author6 =Shimad, S. |author7 =Rauchfuss, T.B. |author8 =Meyer-Klaucke, W. | title=The iron-site structure of [Fe]-hydrogenase |author9 =model systems: an X-ray absorption near edge spectroscopy study |  journal=Dalton Transactions | year=2010 | volume=39 |issue =12 | pages=3057–3064 | doi=10.1039/b922557a | pmid=20221540 | pmc=3465567}}</ref> मेथेनिल-H4MPT का हाइड्रोजनीकरण H2 ऑक्सीकरण/उत्पादन के अतिरिक्त होता है, जो अन्य दो प्रकार के हाइड्रोजन गैसों में होता है। जबकि उत्प्रेरण की सटीक क्रियाविधि अभी भी अध्ययन के अधीन है, हाल ही की खोज से पता चलता है कि आणविक हाइड्रोजन को पहले Fe(II) द्वारा हेटरोलिटिक रूप से विदलित किया जाता है, इसके बाद स्वीकर्ता के कार्बो धनायन में हाइड्राइड का स्थानांतरण होता है।<ref>{{cite journal | author1=Hiromoto, T. | author2=Warkentin, E. | author3=Moll, J. | author4=Ermler, U. | author5=Shima, S. | title=Iron-Chromophore Circular Dichroism of [Fe]-Hydrogenase: The Conformational Change Required for H2 Activation | journal=Angew. Chem. Int. Ed.| year=2009 | volume=49 | issue=51 | pages=9917–9921 | doi=10.1002/anie.201006255 | pmid=21105038}}</ref>

=== जैविक कार्य ===

यह मानते हुए कि पृथ्वी का वातावरण प्रारंभ में हाइड्रोजन से समृद्ध था, वैज्ञानिक परिकल्पना करते हैं कि हाइड्रोजन गैसों को आणविक H2 के रूप में ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए विकसित किया गया था। तदनुसार, हाइड्रोजन गैसें या तो ऐसी परिस्थितियों में सूक्ष्मजीवों के प्रसार में मदद कर सकती हैं, या H2 द्वारा सशक्त पारिस्थितिक तंत्र स्थापित करने में मदद कर सकती हैं।.<ref>{{cite journal |author1 =Vignais, P.M. |author2 =Billoud, B. | title=Occurrence, Classification and Biological Function of Hydrogenases: An Overview | journal=Chem. Rev. | year=2007 | volume=107 |issue =10 | pages=4206–4272 | doi=10.1021/cr050196r | pmid=17927159}}</ref> आणविक हाइड्रोजन द्वारा संचालित माइक्रोबियल समुदाय, वास्तव में गहरे समुद्र की स्थिति में पाए गए हैं जहां प्रकाश संश्लेषण से ऊर्जा के अन्य स्रोत उपलब्ध नहीं हैं।इन आधारों के आधार पर, हाइड्रोजन गैसों की प्राथमिक भूमिका ऊर्जा उत्पादन माना जाता है, और यह एक पारिस्थितिकी तंत्र को बनाए रखने के लिए पर्याप्त हो सकता है।

विभिन्न प्रणालियाँ आपतित सूर्य के प्रकाश से पानी को O2 और H में विभाजित करने में सक्षम हैं। इसी तरह, कई उत्प्रेरक, या तो रासायनिक या जैविक, उत्पादित H को H2 में कम कर सकते हैं। विभिन्न उत्प्रेरकों को घटित होने वाली इस न्यूनीकरण अभिक्रिया के लिए असमान अतिविभव की आवश्यकता होती है। हाइड्रोजन गैसें आकर्षक होती हैं क्योंकि उन्हें अपेक्षाकृत कम क्षमता की आवश्यकता होती है। वास्तव में, इसकी उत्प्रेरक गतिविधि प्लेटिनम की तुलना में अधिक प्रभावी है, जो H2 विकास अभिक्रिया के लिए सबसे प्रसिद्ध उत्प्रेरक है।<ref>{{cite journal | author1=Hinnemann, B. | author2=Moses, P.G. | author3=Bonde, J. | author4=Jørgensen, K.P. | author5=Nielsen, J.H. | author6=Horch, S. | author7=Chorkendorff, I. | author8=Nørskov, J.K. | title=Biomimetic hydrogen evolution: MoS2 nanoparticles as catalyst for hydrogen evolution | journal=J. Am. Chem. Soc. | year=2005 | volume=127 | issue=15 | pages=5308–5309 | doi=10.1021/ja0504690 | pmid=15826154| url=http://orbit.dtu.dk/en/publications/biomimetic-hydrogen-evolution(3d204487-cce9-4fa3-a135-82d675d97993).html }}</ref>तीन विभिन्न प्रकार के हाइड्रोजन गैसों में, [FeFe] हाइड्रोजन गैस को सौर H2 उत्पादन प्रणाली के अभिन्न अंग के लिए एक मजबूत उम्मीदवार माना जाता है क्योंकि वे उच्च TOF (9000 s−1 से अधिक) का अतिरिक्त लाभ प्रदान करते हैं<sup>[6]