हाइड्रोजनेज: Difference between revisions

यह हाइड्रोजन अंतर्ग्रहण (1) ऑक्सीजन, नाइट्रेट, सल्फेट, कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂), और फ्यूमरेट जैसे इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता की कमी के साथ जुड़ा हुआ है। दूसरी ओर, प्रोटॉन अपचयन (2) इलेक्ट्रॉन दाताओं जैसे फेरेडॉक्सिन (FNR) के ऑक्सीकरण के साथ युग्मित है, और कोशिकाओं में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों (पाइरूवेट किण्वन में आवश्यक) को प्रवृत्त करने के लिए कार्य करता है।फेरेडॉक्सिन, साइटोक्रोम c_3, और साइटोक्रोम c₆ जैसे निम्न-आणविक भार यौगिक और प्रोटीन दोनों हाइड्रोज के लिए शारीरिक इलेक्ट्रॉन दाताओं या स्वीकर्ता के रूप में कार्य कर सकते हैं।<ref>{{cite journal |author1 =Vignais, P.M. |author2 =Billoud, B. |author3 =Meyer, J. | title=हाइड्रोजन गैसों का वर्गीकरण और फाइलोजेनी| journal=FEMS Microbiol. Rev. | year=2001 | volume=25 | pages=455–501 | pmid=11524134 | issue=4 | doi=10.1111/j.1574-6976.2001.tb00587.x| doi-access=free }}</ref>

यह अनुमान लगाया गया है कि सभी जीवों में से 99% हाइड्रोजन, H₂ का उपयोग करते हैं। इन प्रजातियों में से अधिकांश सूक्ष्म जीव हैं और H₂ को चयापचयज के रूप में उपयोग करने की उनकी क्षमता हाइड्रोजनीज़ के रूप में जाने वाले धातु एन्ज़ाइम की अभिव्यक्ति से उत्पन्न होती है।<ref>

  [[File:ActiveSitesCorrected.png|thumb|center|x160px|तीन प्रकार के हाइड्रोजनेज एंजाइमों के सक्रिय स्थलों की संरचना।]]यह हाइड्रोजन गैस उत्प्रेरित करती है, कभी-कभी उत्क्रमणीय रूप से, H₂ उद्ग्रहण। [FeFe] और [NiFe] हाइड्रोजन गैस वास्तविक रेडॉक्स उत्प्रेरक हैं, जो H₂ ऑक्सीकरण और प्रोटॉन (H) कमी (समीकरण 3) को प्रेरित करते हैं, [Fe] हाइड्रोजन गैस अभिक्रिया (4) द्वारा दर्शाये गए H₂ के उत्क्रमणीय विज़ातीयलयन विदलन को उत्प्रेरित करती है.

यद्यपि मूल रूप से यह "धातु-मुक्त" माना जाता है, [Fe]-केवल हाइड्रोजन गैसों में Fe सक्रिय स्थल पर होता है और कोई लौह-सल्फर झुण्ड नहीं होता है। [NiFe] और [FeFe] हाइड्रोजन गैसों की उनकी संरचनाओं में कुछ सामान्य विशेषताएं हैं: प्रत्येक एंजाइम की एक सक्रिय स्थिति होती है और कुछ Fe-S समूह होते हैं जो प्रोटीन में दबे होते हैं। सक्रिय स्थल, जिसके बारे में यह माना जाता है कि वह स्थान है जहाँ उत्प्रेरण होता है, एक धातु समूह भी है, और प्रत्येक लोहे को कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) और साइनाइड (CN-) लिगेंड द्वारा समन्वित किया जाता है।<ref>{{cite journal |author1 =Fontecilla-Camps, J.C. |author2 =Volbeda, A. |author3 =Cavazza, C. |author4 =Nicolet Y. | title=Structure/function relationships of [NiFe]- and [FeFe]-hydrogenases | journal=Chem Rev | year=2007 | volume=107 | pages=4273–4303 | doi=10.1021/cr050195z | pmid=17850165 | issue=10}}</ref>

[[File:NiFe Hydrogenase.png|thumb|left|[NiFe] हाइड्रोजनेज की क्रिस्टल संरचना]][NiFe] हाइड्रोजन गैस विषमलैंगिक प्रोटीन होते हैं जिनमें छोटे (S) और बड़े (L)सब यूनिटों होते हैं। छोटी सबयूनिट में आयरन-सल्फर के तीन समूह होते हैं जबकि बड़ी सबयूनिट में सक्रिय स्थिति होती है, एक निकिल-आयरन केंद्र जो एक आणविक सुरंग द्वारा विलायक से जुड़ा होता है।<ref name="Jugder 8142">{{Cite journal|last1=Jugder|first1=Bat-Erdene|last2=Welch|first2=Jeffrey|last3=Aguey-Zinsou|first3=Kondo-Francois|last4=Marquis|first4=Christopher P.|date=2013-05-14|title=Fundamentals and electrochemical applications of [Ni–Fe]-uptake hydrogenases|journal=RSC Advances|language=en|volume=3|issue=22|page=8142|doi=10.1039/c3ra22668a|issn=2046-2069}}</ref><ref name="pmid19966788" /> कुछ [NiFe] हाइड्रोजन गैसों में, नी-बाध्य सिस्टीन अवशेषों में से एक को सेलेनोसिस्टीन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।यद्यपि अनुक्रम समानता के आधार पर, [NiFe] और [NiFeSe] हाइड्रोजन गैसों को एक एकल अधिकुल माना जाना चाहिए।  

आज तक, पेरिप्लास्मिक, साइटोप्लाज्मिक और साइटोप्लाज्मिक मेम्ब्रेन-बंध हाइड्रोजनेस पाए गए हैं। [NiFe] हाइड्रोजन गैसें, जब पृथक की जाती हैं, तो ये  H₂ के विकास और ग्रहण दोनों को उत्प्रेरित करने के लिए पाई जाती हैं, जिसमें साइटोक्रोम c3 जैसे निम्न-क्षमता वाले मल्टीहेम साइटोक्रोम होते हैं जो या तो इलेक्ट्रॉन दाताओं या स्वीकर्ता के रूप में कार्य करते हैं, जो उनकी ऑक्सीकरण अवस्था पर निर्भर करता है।<ref name="Jugder 8142"/>सामान्यतया, यद्यपि, [NiFe] हाइड्रोजन गैसें H₂ के ऑक्सीकरण में अधिक सक्रिय हैं। H₂-ऑक्सीकारक हाइड्रोजन गैसों में H₂ समानता का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम भी देखा गया है।<ref>{{cite journal | vauthors=Greening C, Berney M, Hards K, Cook GM, Conrad R | title=A soil actinobacterium scavenges atmospheric H₂ using two membrane-associated, oxygen-dependent hydrogenases | journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. | year=2014 | volume=111 | doi=10.1073/pnas.1320586111 | pmid=24591586 | issue=11 | pages=4257–61| pmc=3964045 | bibcode=2014PNAS..111.4257G | doi-access=free }}</ref>[FeFe] हाइड्रोजन गैसों की तरह, [NiFe] हाइड्रोजन गैस को सामान्यतया आणविक ऑक्सीजन (O₂) द्वारा निष्क्रिय करने के लिए जाना जाता है।रालस्टोनिया यूट्रोफा H16 से घुलनशील [NiFe] हाइड्रोजनेज़ को विषमपोषी विकास संचार माध्यम पर आसानी से उत्पादित किया जा सकता है।<ref name="Jugder 8142"/><ref name="Burgdorf">{{cite journal |author1 = Burgdorf, T. |author2 =Buhrke, T. |author3 =van der Linden, E. |author4 =Jones, A. |author5 =Albracht, S. |author6 =Friedrich, B.| title=[NiFe]-Hydrogenases of ''Ralstonia eutropha'' H16: Modular Enzymes for Oxygen-Tolerant Biological Hydrogen Oxidation |journal= J. Mol. Microbiol. Biotechnol. |volume=10 |issue =2–4 |pages=181–196|year=2005 |pmid= 16645314 |doi=10.1159/000091564|s2cid =8030367 }}</ref> इस खोज ने उम्मीद बढ़ा दी है कि जल विभाजन के माध्यम से आणविक हाइड्रोजन के प्रकाश संश्लेषक उत्पादन में हाइड्रोजन गैसों का उपयोग किया जा सकता है। एक अन्य [NiFe], जिसे Huc या Hyd1 या साइनोबैक्टीरियल-प्रकार के अंतर्ग्रहण को हाइड्रोजनेज़ कहा जाता है, हाइड्रोजन के लिए बहुत उच्च आत्मीयता रखते हुए ऑक्सीजन असंवेदनशील पाया गया है यह हाइड्रोजन संकीर्ण चैनलों में प्रवेश करने में सक्षम है जो एंजाइम में ऑक्सीजन के अणु प्रवेश नहीं कर सकते हैं। यह माइकोबैक्टीरियम स्मेग्मेटिस जैसे जीवाणु को अन्य स्रोतों की कमी होने पर ऊर्जा के स्रोत के रूप में वातावरण में हाइड्रोजन की थोड़ी मात्रा का उपयोग करने की अनुमति देता है।

[[File:FeFe Hydrogenase.png|thumb|right|[FeFe] हाइड्रोजनेज की क्रिस्टल संरचना]]सेतुबंधन डाइथिओलेट सहगुणक के साथ डाइ-आयरन केंद्र वाली हाइड्रोजन गैसों को [FeFe] हाइड्रोजनेज़ कहा जाता है।<ref>{{cite journal |author1 = Berggren, G. |author2 =Adamska, A. |author3 =Lambertz, C. |author4 =Simmons, T. R. |author5 =Esselborn, J. |author6 =Atta, A. |author7 =Gambarelli, S. |author8 =Mouesca, J.-M. |author9 =Reijerse, E. |author10 =Lubitz, W. |author11 =Happe, T. |author12 =Artero, V. |author13 =Fontecave, M. | title=Biomimetic assembly and activiation of [FeFe]-hydrogenases |  journal=Nature | year=2013 | volume=499 |issue =7456 | pages=66–69 | doi=10.1038/nature12239|pmid =23803769 |pmc=3793303 |bibcode =2013Natur.499...66B }}</ref> [FeFe] हाइड्रोजन गैसों के तीन परिवार पहचाने जाते हैं::

* साइटोप्लाज्मिक, घुलनशील, मोनोमेरिक हाइड्रोजनेस, क्लॉस्ट्रिडियम पेस्टुरियनम और मेगास्फेरा एल्सडेनी जैसे सख्त एनारोब में पाए जाते हैं। ये H2 के विकास और ग्रहण दोनों को उत्प्रेरित करते हैं।।

* घुलनशील, मोनोमेरिक हाइड्रोजनेसेस, हरे शैवाल स्केनडेस्मस ओब्लिकुस के क्लोरोप्लास्ट में पाया जाता है, H2 के विकास को उत्प्रेरित करता है। [Fe2S2] फेरेडॉक्सिन एंजाइम को प्रकाश संश्लेषक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से जोड़ने वाले प्राकृतिक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में कार्य करता है।

[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 ( ई सी 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>