毒药帮助我们了解分子制氢生物催化剂

在自然界中，称为氢化酶的酶能够产生分子氢(H2)。这些特殊类型的生物催化剂，即所谓的[FeFe]-氢化酶，非常有效，因此对生物基氢生产很感兴趣。尽管科学家们已经了解了很多关于这些酶如何工作的知识，但仍有许多细节有待完全理解。

德国波鸿鲁尔大学光生物技术组以段吉福博士和ThomasHappe教授为首的研究团队成功填补了一项科学空白。研究人员表明，外部氰化物与[FeFe]氢化酶结合并抑制氢的形成。在此过程中，他们检测到质子传输路径的结构变化，这有助于理解电子和质子传输的耦合。他们在2022年12月4日的德国应用化学杂志上报告了他们的发现。

复杂的内部催化剂

为了产生H2，这些生物催化剂将电子转移到质子，采用复杂的结构作为内部催化剂。这种所谓的H团簇包含电子活性铁离子，这些铁离子与大多数人所知的毒素：一氧化碳和氰化物结合。

然而，尽管内部一氧化碳和氰化物对于氢化酶的高活性至关重要，但额外的外部一氧化碳会与H簇结合并阻止其产生H2。“有趣的是，氰化物也是一种众所周知的含铁生物催化剂抑制剂，”JifuDuan说。“然而，以前几乎没有分析过它对[FeFe]-氢化酶的影响。”

位于波鸿的研究团队填补了这一科学空白。研究人员表明，外部氰化物会结合并抑制[FeFe]-氢化酶。该团队与RUB蛋白质晶体学组组长EckhardHofmann教授合作，获得了与外部氰化物结合的H2生成生物催化剂的结构。

“高分辨率结构与光谱分析相结合告诉我们，外部氰化物直接与H簇结合，类似于迄今为止研究的其他抑制剂，”JifuDuan说。“这解释了为什么氢化酶在氰化物处理后没有活性。”

偶然捕获瞬态

当研究人员详细研究氰化物中毒的氢化酶的结构时，他们发现了一个惊喜。他们观察到质子传输路径的结构变化，这种变化是引导将成为H2的质子进入H团簇所需的结构变化。

“这种构象被认为对有效的质子穿梭至关重要，但从未在结构上观察到它。巧合的是，氰化物结合帮助我们捕捉到这种瞬态，”JifuDuan说。

“这些发现对于研究人员了解电子和质子传输的耦合非常重要，这不仅与H2生成酶相关，而且与许多其他生物催化剂相关，”ThomasHappe总结道。