Please wait a minute...
IMAGE/TABLE DETAILS
Studies on hydrogenases for hydrogen production using in vitro synthetic enzymatic biosystems
LI Yifei, CHEN Ai, SUN Junsong, ZHANG Yi-Heng P. Job
Synthetic Biology Journal    2024, 5 (6): 1461-1484.   DOI: 10.12211/2096-8280.2024-052
Abstract   （798） HTML （52） PDF（pc） （2747KB）（879）  

Hydrogenases are the most important enzymes in biological hydrogen production and hydrogen energy utilization. They are widely distributed, oxygen-sensitive, multiunit complexed metal enzymes. In vitro synthetic enzymatic biosystems (ivSEB) is a type of in vitro biotransformation (ivBT) technology, which is an emerging biomanufacturing powerhouse that combines microbial fermentation with enzymatic biocatalysis, allowing for novel and efficient hydrogen production, also breaking the Thauer limit and achieving a yield of hydrogen close to the theoretical value of chemistry (1 mole of glucose to produce 12 moles of hydrogen in maximum). It represents the future direction of biological hydrogen production. However, the recombinant expression of hydrogenase is the main bottleneck limiting the wide application of ivSEB for hydrogen production technology. Hydrogenases are widely distributed in all life domains, but are oxygen-sensitive and mostly consist of metalloproteins with multi-subunits, bearing [Fe] only, [NiFe] or [FeFe] dinuclear core in their catalytic center. Oxygen not only inhibits the activity of hydrogenase, but also affects the transcription of the enzyme-encoding gene and post-translational process of the enzymes. As a result, the levels of recombinant hydrogenase are usually low and the enzymatic activities are also incomparable to the native enzymes, often leading to high production costs due to the strict anaerobic purification procedures. In order to meet the requirements of industrial hydrogen production, hydrogenases must possess excellent catalytic properties, such as a high catalytic turnover number, great thermal stability, and the ability to tolerate trace amounts of oxygen. This review summarizes the studies on the structural and catalytic characterizations of hydrogenases, including their classification, oxygen resistance mechanisms, and progress in recombinant expression. Additionally, the evolution of natural electron transfer chains and the design of artificial routes, which can improve hydrogen production efficiency and reduce costs, are briefly discussed. The review also discussed the progress in the studies on the mechanisms of hydrogenases’ tolerance toward oxygen, the strategies for microbial expression of recombinant hydrogenases as well as the optimization of the artificial electron transfer chains adapted for the production of hydrogen using ivSEB, in expectations of promoting the applications of hydrogenases involved ivSEB, from renewable energy storage, anaerobic artificial respiration, to clean hydrogenation or dehydrogenation in biocatalysis.


(b) 葡萄糖6-磷酸在多酶机器中增加黄递酶和人工染料构建新型电子传递途径进行分解产氢
Extracts from the Article
氢酶因其高效的产氢或氢电转换性能，在生物产氢及燃料电池开发中起着重要作用，然而对氧的高度敏感性限制了其应用范围。过去三十年间，为了揭示对氧敏感的分子机制，研究人员开展了大量的实验和理论探索［62］。通过对来自不同生物体的氢酶进行的遗传生物学、结构生物学、电化学和光谱学等领域的系统研究，揭示了一部分氢酶活性位点的作用、分子伴侣的参与、亲水性空腔的水运动、气体扩散的影响、质子转移途径及对多聚体结构的依赖等多因素影响机制［63-65］，并对其催化位点开展了分子动力学模拟、密度泛函理论计算、体积溶剂可及性图等计算分析，这些研究为增加氢酶的氧耐受性的突变设计提供了重要线索［66］。探究氧气是否使氢酶失活而广泛使用的实验技术是蛋白质膜伏安法（PFV），该技术能够精确测量被吸附蛋白质的酶活性。早期研究用PFV研究了在不同条件下（氧气浓度、氢气浓度和或氧化还原电位不同）的氢酶失活动力学，发现［NiFe］和［FeFe］氢酶经历不同的中间状态，以显著不同的速率失活［67-68］。［NiFe］氢酶在饱和空气缓冲液中的半衰期约为几十分钟，一些［NiFe］氢酶能够从氧气失活状态中重新激活，而［FeFe］氢酶的半衰期大约为几十秒，只能在有限程度上从氧气结合状态重新激活［66， 69-70］。氢酶的酶活恢复速率取决于氢气浓度、氧气暴露时间和氧化还原电位等失活条件［66， 68］。
①通过连二亚硫酸钠还原的MV每毫克蛋白质每分钟产生的氢气（μmol）. ...
[FeFe] hydrogenases and their evolution: a genomic perspective
1
2007
... ［FeFe］和［NiFe］氢酶均可以催化产氢反应，其中［FeFe］氢酶广泛存在于厌氧细菌或含有光合细胞器的真核生物中，且原先认为在古细菌中不存在［FeFe］氢酶［46］，但是随着对微生物多样性的认识以及宏微生物组数据的爆发式增长，人们认识到，在古细菌中不仅存在［FeFe］氢酶，而且还大量分布着［NiFe］和［FeFe］氢酶的原始杂合体［47］.［FeFe］氢酶在结构上的差异性较大，既有简单的单一肽催化蛋白，也有由多亚基构成的复合酶，但是这类酶都含有一个独特的催化中心，即H-簇，它由［FeFe］亚簇和［4Fe-4S］簇组成，通过桥接的半胱氨酸硫醇配体连在一起.其中，［FeFe］-中心的每个铁原子分别连接2个CO和1个CN，并通过1个额外的CO桥接，此外，该［FeFe］中心通过一个桥接的半胱氨酸残基连接到 ［4Fe-4S］簇.这些独特的共价相连的配体有助于形成稳定的结构并参与氢酶的催化活性［4Fe-4S］簇通常在氢酶中起着电子传递和催化作用.它由［FeFe］亚簇和［4Fe-4S］簇的半胱氨酸残基作为桥接基团，有助于维持整个H-簇的结构和功能［30］.［NiFe］氢酶广泛分布于古菌和细菌中，但是不存在于真核生物中.［NiFe］氢酶由至少一个含有［NiFe］活性中心的大亚基和携带几乎线性排列的FeS簇的小亚基组成.［NiFe］中心深藏在大亚基中，并通过4个半胱氨酸衍生的硫醇与酶相连.镍由其4个半胱氨酸配位，其中两个作为桥联配体，同时也与铁原子配位，铁原子进一步由1个CO和2个CN配体配位.这两种金属离子以及二原子配体是通过复杂的后翻译插入到apo-氢酶中. ...
Minimal and hybrid hydrogenases are active from Archaea
1
2024
... ［FeFe］和［NiFe］氢酶均可以催化产氢反应，其中［FeFe］氢酶广泛存在于厌氧细菌或含有光合细胞器的真核生物中，且原先认为在古细菌中不存在［FeFe］氢酶［46］，但是随着对微生物多样性的认识以及宏微生物组数据的爆发式增长，人们认识到，在古细菌中不仅存在［FeFe］氢酶，而且还大量分布着［NiFe］和［FeFe］氢酶的原始杂合体［47］.［FeFe］氢酶在结构上的差异性较大，既有简单的单一肽催化蛋白，也有由多亚基构成的复合酶，但是这类酶都含有一个独特的催化中心，即H-簇，它由［FeFe］亚簇和［4Fe-4S］簇组成，通过桥接的半胱氨酸硫醇配体连在一起.其中，［FeFe］-中心的每个铁原子分别连接2个CO和1个CN，并通过1个额外的CO桥接，此外，该［FeFe］中心通过一个桥接的半胱氨酸残基连接到 ［4Fe-4S］簇.这些独特的共价相连的配体有助于形成稳定的结构并参与氢酶的催化活性［4Fe-4S］簇通常在氢酶中起着电子传递和催化作用.它由［FeFe］亚簇和［4Fe-4S］簇的半胱氨酸残基作为桥接基团，有助于维持整个H-簇的结构和功能［30］.［NiFe］氢酶广泛分布于古菌和细菌中，但是不存在于真核生物中.［NiFe］氢酶由至少一个含有［NiFe］活性中心的大亚基和携带几乎线性排列的FeS簇的小亚基组成.［NiFe］中心深藏在大亚基中，并通过4个半胱氨酸衍生的硫醇与酶相连.镍由其4个半胱氨酸配位，其中两个作为桥联配体，同时也与铁原子配位，铁原子进一步由1个CO和2个CN配体配位.这两种金属离子以及二原子配体是通过复杂的后翻译插入到apo-氢酶中. ...
Exceptionally high rates of biological hydrogen production by biomimetic in vitro synthetic enzymatic pathways
1
2016
... 虽然［FeFe］和［NiFe］氢酶在一级和二级结构上的同源性很低，但是这两类氢酶在催化位点的结构上异曲同工，具有在其催化位点上类似的特征性非蛋白配体，有着共同的电子转移特征，均可以催化氢气和质子、电子之间的相互转化，但是它们参与氢气裂解或合成的方式并不相同，体现了进化中实现的两种独立的解决方案.因此，［FeFe］和［NiFe］氢酶被认为是收敛进化最深刻的案例（收敛进化是指不同物种或群体在相似的环境条件下，独立演化出相似的形态、生理特征或行为的现象）.［FeFe］氢酶主要分布在厌氧发酵微生物中，主要功能是通过产生氢气回收电子，利用氧化电子辅酶的反应使其循环利用，因此是细胞能量代谢的重要组成.而［NiFe］氢酶的功能十分多样，既可产氢也可用氢，或参与还原力的再生等［45， 48］.依据其在细胞中的定位可分为可溶性及膜结合［NiFe］氢酶.可溶的胞内［NiFe］氢酶主要在能量代谢中催化氢气的氧化，可能是早期生命中的关键酶，代表了现代呼吸代谢的前身.［FeFe］或［NiFe］氢酶从细胞内分布的性质均可分为可溶性氢酶或膜结合型氢酶，膜结合型氢酶赋予氢酶更多的功能，可参与细胞最基础的能量转化反应，如组成电子呼吸链等功能，但是胞内可溶氢酶更适合组建ivSEB系统.与［NiFe］类型相比，［FeFe］氢酶催化H2合成的比酶活通常更佳，至少高出一个数量级或更高的效率，然而，该类氢酶对氧气更敏感.这两类金属类型不一的氢酶对氧气的敏感差异比较大，［FeFe］氢酶在存在微量氧气时大多会不可逆地失活，而许多［NiFe］氢酶虽也受氧气抑制，但是在去除氧气后可重新激活［49-50］.基于两类氢酶不同的特性及各自的催化优势，它们已分别应用于不同领域，如［FeFe］氢酶常用于构建氢酶-光催化混合复合体的构建，用于开展H2的光合生产［51-52］.除了产氢特性外，对［NiFe］氢酶的H2氧化活性的研究也用于电化学燃料电池中，这些电池利用生物催化剂替代昂贵的铂催化剂［53］.氢酶还已成功用于H2驱动的辅因子再生系统，用于回收NAD（H）和NADP（H）等昂贵辅酶，其效率高于NADH/NADPH氧化酶且能耗低、无需氧气参与［54］. ...
Characterization of [FeFe] hydrogenase O2 sensitivity using a new, physiological approach
1
2016
... 虽然［FeFe］和［NiFe］氢酶在一级和二级结构上的同源性很低，但是这两类氢酶在催化位点的结构上异曲同工，具有在其催化位点上类似的特征性非蛋白配体，有着共同的电子转移特征，均可以催化氢气和质子、电子之间的相互转化，但是它们参与氢气裂解或合成的方式并不相同，体现了进化中实现的两种独立的解决方案.因此，［FeFe］和［NiFe］氢酶被认为是收敛进化最深刻的案例（收敛进化是指不同物种或群体在相似的环境条件下，独立演化出相似的形态、生理特征或行为的现象）.［FeFe］氢酶主要分布在厌氧发酵微生物中，主要功能是通过产生氢气回收电子，利用氧化电子辅酶的反应使其循环利用，因此是细胞能量代谢的重要组成.而［NiFe］氢酶的功能十分多样，既可产氢也可用氢，或参与还原力的再生等［45， 48］.依据其在细胞中的定位可分为可溶性及膜结合［NiFe］氢酶.可溶的胞内［NiFe］氢酶主要在能量代谢中催化氢气的氧化，可能是早期生命中的关键酶，代表了现代呼吸代谢的前身.［FeFe］或［NiFe］氢酶从细胞内分布的性质均可分为可溶性氢酶或膜结合型氢酶，膜结合型氢酶赋予氢酶更多的功能，可参与细胞最基础的能量转化反应，如组成电子呼吸链等功能，但是胞内可溶氢酶更适合组建ivSEB系统.与［NiFe］类型相比，［FeFe］氢酶催化H2合成的比酶活通常更佳，至少高出一个数量级或更高的效率，然而，该类氢酶对氧气更敏感.这两类金属类型不一的氢酶对氧气的敏感差异比较大，［FeFe］氢酶在存在微量氧气时大多会不可逆地失活，而许多［NiFe］氢酶虽也受氧气抑制，但是在去除氧气后可重新激活［49-50］.基于两类氢酶不同的特性及各自的催化优势，它们已分别应用于不同领域，如［FeFe］氢酶常用于构建氢酶-光催化混合复合体的构建，用于开展H2的光合生产［51-52］.除了产氢特性外，对［NiFe］氢酶的H2氧化活性的研究也用于电化学燃料电池中，这些电池利用生物催化剂替代昂贵的铂催化剂［53］.氢酶还已成功用于H2驱动的辅因子再生系统，用于回收NAD（H）和NADP（H）等昂贵辅酶，其效率高于NADH/NADPH氧化酶且能耗低、无需氧气参与［54］. ...
A third type of hydrogenase catalyzing H2 activation
1
2007
... 虽然［FeFe］和［NiFe］氢酶在一级和二级结构上的同源性很低，但是这两类氢酶在催化位点的结构上异曲同工，具有在其催化位点上类似的特征性非蛋白配体，有着共同的电子转移特征，均可以催化氢气和质子、电子之间的相互转化，但是它们参与氢气裂解或合成的方式并不相同，体现了进化中实现的两种独立的解决方案.因此，［FeFe］和［NiFe］氢酶被认为是收敛进化最深刻的案例（收敛进化是指不同物种或群体在相似的环境条件下，独立演化出相似的形态、生理特征或行为的现象）.［FeFe］氢酶主要分布在厌氧发酵微生物中，主要功能是通过产生氢气回收电子，利用氧化电子辅酶的反应使其循环利用，因此是细胞能量代谢的重要组成.而［NiFe］氢酶的功能十分多样，既可产氢也可用氢，或参与还原力的再生等［45， 48］.依据其在细胞中的定位可分为可溶性及膜结合［NiFe］氢酶.可溶的胞内［NiFe］氢酶主要在能量代谢中催化氢气的氧化，可能是早期生命中的关键酶，代表了现代呼吸代谢的前身.［FeFe］或［NiFe］氢酶从细胞内分布的性质均可分为可溶性氢酶或膜结合型氢酶，膜结合型氢酶赋予氢酶更多的功能，可参与细胞最基础的能量转化反应，如组成电子呼吸链等功能，但是胞内可溶氢酶更适合组建ivSEB系统.与［NiFe］类型相比，［FeFe］氢酶催化H2合成的比酶活通常更佳，至少高出一个数量级或更高的效率，然而，该类氢酶对氧气更敏感.这两类金属类型不一的氢酶对氧气的敏感差异比较大，［FeFe］氢酶在存在微量氧气时大多会不可逆地失活，而许多［NiFe］氢酶虽也受氧气抑制，但是在去除氧气后可重新激活［49-50］.基于两类氢酶不同的特性及各自的催化优势，它们已分别应用于不同领域，如［FeFe］氢酶常用于构建氢酶-光催化混合复合体的构建，用于开展H2的光合生产［51-52］.除了产氢特性外，对［NiFe］氢酶的H2氧化活性的研究也用于电化学燃料电池中，这些电池利用生物催化剂替代昂贵的铂催化剂［53］.氢酶还已成功用于H2驱动的辅因子再生系统，用于回收NAD（H）和NADP（H）等昂贵辅酶，其效率高于NADH/NADPH氧化酶且能耗低、无需氧气参与［54］. ...
Enzymatic and bioinspired systems for hydrogen production
1
2023
... 虽然［FeFe］和［NiFe］氢酶在一级和二级结构上的同源性很低，但是这两类氢酶在催化位点的结构上异曲同工，具有在其催化位点上类似的特征性非蛋白配体，有着共同的电子转移特征，均可以催化氢气和质子、电子之间的相互转化，但是它们参与氢气裂解或合成的方式并不相同，体现了进化中实现的两种独立的解决方案.因此，［FeFe］和［NiFe］氢酶被认为是收敛进化最深刻的案例（收敛进化是指不同物种或群体在相似的环境条件下，独立演化出相似的形态、生理特征或行为的现象）.［FeFe］氢酶主要分布在厌氧发酵微生物中，主要功能是通过产生氢气回收电子，利用氧化电子辅酶的反应使其循环利用，因此是细胞能量代谢的重要组成.而［NiFe］氢酶的功能十分多样，既可产氢也可用氢，或参与还原力的再生等［45， 48］.依据其在细胞中的定位可分为可溶性及膜结合［NiFe］氢酶.可溶的胞内［NiFe］氢酶主要在能量代谢中催化氢气的氧化，可能是早期生命中的关键酶，代表了现代呼吸代谢的前身.［FeFe］或［NiFe］氢酶从细胞内分布的性质均可分为可溶性氢酶或膜结合型氢酶，膜结合型氢酶赋予氢酶更多的功能，可参与细胞最基础的能量转化反应，如组成电子呼吸链等功能，但是胞内可溶氢酶更适合组建ivSEB系统.与［NiFe］类型相比，［FeFe］氢酶催化H2合成的比酶活通常更佳，至少高出一个数量级或更高的效率，然而，该类氢酶对氧气更敏感.这两类金属类型不一的氢酶对氧气的敏感差异比较大，［FeFe］氢酶在存在微量氧气时大多会不可逆地失活，而许多［NiFe］氢酶虽也受氧气抑制，但是在去除氧气后可重新激活［49-50］.基于两类氢酶不同的特性及各自的催化优势，它们已分别应用于不同领域，如［FeFe］氢酶常用于构建氢酶-光催化混合复合体的构建，用于开展H2的光合生产［51-52］.除了产氢特性外，对［NiFe］氢酶的H2氧化活性的研究也用于电化学燃料电池中，这些电池利用生物催化剂替代昂贵的铂催化剂［53］.氢酶还已成功用于H2驱动的辅因子再生系统，用于回收NAD（H）和NADP（H）等昂贵辅酶，其效率高于NADH/NADPH氧化酶且能耗低、无需氧气参与［54］. ...
A surface-display biohybrid approach to light-driven hydrogen production in air
1
2018
... 虽然［FeFe］和［NiFe］氢酶在一级和二级结构上的同源性很低，但是这两类氢酶在催化位点的结构上异曲同工，具有在其催化位点上类似的特征性非蛋白配体，有着共同的电子转移特征，均可以催化氢气和质子、电子之间的相互转化，但是它们参与氢气裂解或合成的方式并不相同，体现了进化中实现的两种独立的解决方案.因此，［FeFe］和［NiFe］氢酶被认为是收敛进化最深刻的案例（收敛进化是指不同物种或群体在相似的环境条件下，独立演化出相似的形态、生理特征或行为的现象）.［FeFe］氢酶主要分布在厌氧发酵微生物中，主要功能是通过产生氢气回收电子，利用氧化电子辅酶的反应使其循环利用，因此是细胞能量代谢的重要组成.而［NiFe］氢酶的功能十分多样，既可产氢也可用氢，或参与还原力的再生等［45， 48］.依据其在细胞中的定位可分为可溶性及膜结合［NiFe］氢酶.可溶的胞内［NiFe］氢酶主要在能量代谢中催化氢气的氧化，可能是早期生命中的关键酶，代表了现代呼吸代谢的前身.［FeFe］或［NiFe］氢酶从细胞内分布的性质均可分为可溶性氢酶或膜结合型氢酶，膜结合型氢酶赋予氢酶更多的功能，可参与细胞最基础的能量转化反应，如组成电子呼吸链等功能，但是胞内可溶氢酶更适合组建ivSEB系统.与［NiFe］类型相比，［FeFe］氢酶催化H2合成的比酶活通常更佳，至少高出一个数量级或更高的效率，然而，该类氢酶对氧气更敏感.这两类金属类型不一的氢酶对氧气的敏感差异比较大，［FeFe］氢酶在存在微量氧气时大多会不可逆地失活，而许多［NiFe］氢酶虽也受氧气抑制，但是在去除氧气后可重新激活［49-50］.基于两类氢酶不同的特性及各自的催化优势，它们已分别应用于不同领域，如［FeFe］氢酶常用于构建氢酶-光催化混合复合体的构建，用于开展H2的光合生产［51-52］.除了产氢特性外，对［NiFe］氢酶的H2氧化活性的研究也用于电化学燃料电池中，这些电池利用生物催化剂替代昂贵的铂催化剂［53］.氢酶还已成功用于H2驱动的辅因子再生系统，用于回收NAD（H）和NADP（H）等昂贵辅酶，其效率高于NADH/NADPH氧化酶且能耗低、无需氧气参与［54］. ...
Redox-polymer-based high-current-density gas-diffusion H2-oxidation bioanode using [FeFe] hydrogenase from Desulfovibrio desulfuricans in a membrane-free biofuel cell
1
2020
... 虽然［FeFe］和［NiFe］氢酶在一级和二级结构上的同源性很低，但是这两类氢酶在催化位点的结构上异曲同工，具有在其催化位点上类似的特征性非蛋白配体，有着共同的电子转移特征，均可以催化氢气和质子、电子之间的相互转化，但是它们参与氢气裂解或合成的方式并不相同，体现了进化中实现的两种独立的解决方案.因此，［FeFe］和［NiFe］氢酶被认为是收敛进化最深刻的案例（收敛进化是指不同物种或群体在相似的环境条件下，独立演化出相似的形态、生理特征或行为的现象）.［FeFe］氢酶主要分布在厌氧发酵微生物中，主要功能是通过产生氢气回收电子，利用氧化电子辅酶的反应使其循环利用，因此是细胞能量代谢的重要组成.而［NiFe］氢酶的功能十分多样，既可产氢也可用氢，或参与还原力的再生等［45， 48］.依据其在细胞中的定位可分为可溶性及膜结合［NiFe］氢酶.可溶的胞内［NiFe］氢酶主要在能量代谢中催化氢气的氧化，可能是早期生命中的关键酶，代表了现代呼吸代谢的前身.［FeFe］或［NiFe］氢酶从细胞内分布的性质均可分为可溶性氢酶或膜结合型氢酶，膜结合型氢酶赋予氢酶更多的功能，可参与细胞最基础的能量转化反应，如组成电子呼吸链等功能，但是胞内可溶氢酶更适合组建ivSEB系统.与［NiFe］类型相比，［FeFe］氢酶催化H2合成的比酶活通常更佳，至少高出一个数量级或更高的效率，然而，该类氢酶对氧气更敏感.这两类金属类型不一的氢酶对氧气的敏感差异比较大，［FeFe］氢酶在存在微量氧气时大多会不可逆地失活，而许多［NiFe］氢酶虽也受氧气抑制，但是在去除氧气后可重新激活［49-50］.基于两类氢酶不同的特性及各自的催化优势，它们已分别应用于不同领域，如［FeFe］氢酶常用于构建氢酶-光催化混合复合体的构建，用于开展H2的光合生产［51-52］.除了产氢特性外，对［NiFe］氢酶的H2氧化活性的研究也用于电化学燃料电池中，这些电池利用生物催化剂替代昂贵的铂催化剂［53］.氢酶还已成功用于H2驱动的辅因子再生系统，用于回收NAD（H）和NADP（H）等昂贵辅酶，其效率高于NADH/NADPH氧化酶且能耗低、无需氧气参与［54］. ...
Hydrogenase-based oxidative biocatalysis without oxygen
1
2023
... 虽然［FeFe］和［NiFe］氢酶在一级和二级结构上的同源性很低，但是这两类氢酶在催化位点的结构上异曲同工，具有在其催化位点上类似的特征性非蛋白配体，有着共同的电子转移特征，均可以催化氢气和质子、电子之间的相互转化，但是它们参与氢气裂解或合成的方式并不相同，体现了进化中实现的两种独立的解决方案.因此，［FeFe］和［NiFe］氢酶被认为是收敛进化最深刻的案例（收敛进化是指不同物种或群体在相似的环境条件下，独立演化出相似的形态、生理特征或行为的现象）.［FeFe］氢酶主要分布在厌氧发酵微生物中，主要功能是通过产生氢气回收电子，利用氧化电子辅酶的反应使其循环利用，因此是细胞能量代谢的重要组成.而［NiFe］氢酶的功能十分多样，既可产氢也可用氢，或参与还原力的再生等［45， 48］.依据其在细胞中的定位可分为可溶性及膜结合［NiFe］氢酶.可溶的胞内［NiFe］氢酶主要在能量代谢中催化氢气的氧化，可能是早期生命中的关键酶，代表了现代呼吸代谢的前身.［FeFe］或［NiFe］氢酶从细胞内分布的性质均可分为可溶性氢酶或膜结合型氢酶，膜结合型氢酶赋予氢酶更多的功能，可参与细胞最基础的能量转化反应，如组成电子呼吸链等功能，但是胞内可溶氢酶更适合组建ivSEB系统.与［NiFe］类型相比，［FeFe］氢酶催化H2合成的比酶活通常更佳，至少高出一个数量级或更高的效率，然而，该类氢酶对氧气更敏感.这两类金属类型不一的氢酶对氧气的敏感差异比较大，［FeFe］氢酶在存在微量氧气时大多会不可逆地失活，而许多［NiFe］氢酶虽也受氧气抑制，但是在去除氧气后可重新激活［49-50］.基于两类氢酶不同的特性及各自的催化优势，它们已分别应用于不同领域，如［FeFe］氢酶常用于构建氢酶-光催化混合复合体的构建，用于开展H2的光合生产［51-52］.除了产氢特性外，对［NiFe］氢酶的H2氧化活性的研究也用于电化学燃料电池中，这些电池利用生物催化剂替代昂贵的铂催化剂［53］.氢酶还已成功用于H2驱动的辅因子再生系统，用于回收NAD（H）和NADP（H）等昂贵辅酶，其效率高于NADH/NADPH氧化酶且能耗低、无需氧气参与［54］. ...
Redox active motifs in selenoproteins
1
2014
... 另有一些［NiFe］氢酶的活性位点中含有硒代半胱氨酸（Sec），它取代了原有的半胱氨酸（Cys），这类氢酶有时也称为［NiFeSe］氢酶.Sec是Cys的同源氨基酸，几乎只存在于氧化还原酶的结构域中［55］，它相比Cys降低了侧链的pKa，加强了亲核性，提升了相比同源的Cys更强的可逆的氧化性能［56］，Sec的人工翻译已被证实可影响氢酶活性位点的电子性质、催化速率以及对氧的敏感性［57-59］.Sec的人工翻译可由宿主细胞自主完成.它在信使核糖核酸的翻译区通过识别一种特种特异性的mRNA发夹环结构（也称为Sec插入序列）后，通过匹配UGA密码子插入到多肽链中［60］.目前，通过利用并改造大肠杆菌的硒代半胱氨酸插入序列（selenocysteine insertion sequence， SECIS），并表达相应的tRNASec及针对性的延伸因子（SelB），可实现包括［NiFeSe］氢酶或其他含有Sec的蛋白的基因在大肠杆菌的重组表达［61］. ...
The selenocysteine toolbox: a guide to studying the 21st amino acid
1
2022
... 另有一些［NiFe］氢酶的活性位点中含有硒代半胱氨酸（Sec），它取代了原有的半胱氨酸（Cys），这类氢酶有时也称为［NiFeSe］氢酶.Sec是Cys的同源氨基酸，几乎只存在于氧化还原酶的结构域中［55］，它相比Cys降低了侧链的pKa，加强了亲核性，提升了相比同源的Cys更强的可逆的氧化性能［56］，Sec的人工翻译已被证实可影响氢酶活性位点的电子性质、催化速率以及对氧的敏感性［57-59］.Sec的人工翻译可由宿主细胞自主完成.它在信使核糖核酸的翻译区通过识别一种特种特异性的mRNA发夹环结构（也称为Sec插入序列）后，通过匹配UGA密码子插入到多肽链中［60］.目前，通过利用并改造大肠杆菌的硒代半胱氨酸插入序列（selenocysteine insertion sequence， SECIS），并表达相应的tRNASec及针对性的延伸因子（SelB），可实现包括［NiFeSe］氢酶或其他含有Sec的蛋白的基因在大肠杆菌的重组表达［61］. ...
Selenocysteine in thiol/disulfide-like exchange reactions
1
2013
... 另有一些［NiFe］氢酶的活性位点中含有硒代半胱氨酸（Sec），它取代了原有的半胱氨酸（Cys），这类氢酶有时也称为［NiFeSe］氢酶.Sec是Cys的同源氨基酸，几乎只存在于氧化还原酶的结构域中［55］，它相比Cys降低了侧链的pKa，加强了亲核性，提升了相比同源的Cys更强的可逆的氧化性能［56］，Sec的人工翻译已被证实可影响氢酶活性位点的电子性质、催化速率以及对氧的敏感性［57-59］.Sec的人工翻译可由宿主细胞自主完成.它在信使核糖核酸的翻译区通过识别一种特种特异性的mRNA发夹环结构（也称为Sec插入序列）后，通过匹配UGA密码子插入到多肽链中［60］.目前，通过利用并改造大肠杆菌的硒代半胱氨酸插入序列（selenocysteine insertion sequence， SECIS），并表达相应的tRNASec及针对性的延伸因子（SelB），可实现包括［NiFeSe］氢酶或其他含有Sec的蛋白的基因在大肠杆菌的重组表达［61］. ...
The direct role of selenocysteine in [NiFeSe] hydrogenase maturation and catalysis
0
2017
Importance of the active site “canopy” residues in an O2-tolerant [NiFe]-hydrogenase
1
2017
... 另有一些［NiFe］氢酶的活性位点中含有硒代半胱氨酸（Sec），它取代了原有的半胱氨酸（Cys），这类氢酶有时也称为［NiFeSe］氢酶.Sec是Cys的同源氨基酸，几乎只存在于氧化还原酶的结构域中［55］，它相比Cys降低了侧链的pKa，加强了亲核性，提升了相比同源的Cys更强的可逆的氧化性能［56］，Sec的人工翻译已被证实可影响氢酶活性位点的电子性质、催化速率以及对氧的敏感性［57-59］.Sec的人工翻译可由宿主细胞自主完成.它在信使核糖核酸的翻译区通过识别一种特种特异性的mRNA发夹环结构（也称为Sec插入序列）后，通过匹配UGA密码子插入到多肽链中［60］.目前，通过利用并改造大肠杆菌的硒代半胱氨酸插入序列（selenocysteine insertion sequence， SECIS），并表达相应的tRNASec及针对性的延伸因子（SelB），可实现包括［NiFeSe］氢酶或其他含有Sec的蛋白的基因在大肠杆菌的重组表达［61］. ...
Assessing historical and projected carbon balance of Alaska: a synthesis of results and policy/management implications
1
2018
... 另有一些［NiFe］氢酶的活性位点中含有硒代半胱氨酸（Sec），它取代了原有的半胱氨酸（Cys），这类氢酶有时也称为［NiFeSe］氢酶.Sec是Cys的同源氨基酸，几乎只存在于氧化还原酶的结构域中［55］，它相比Cys降低了侧链的pKa，加强了亲核性，提升了相比同源的Cys更强的可逆的氧化性能［56］，Sec的人工翻译已被证实可影响氢酶活性位点的电子性质、催化速率以及对氧的敏感性［57-59］.Sec的人工翻译可由宿主细胞自主完成.它在信使核糖核酸的翻译区通过识别一种特种特异性的mRNA发夹环结构（也称为Sec插入序列）后，通过匹配UGA密码子插入到多肽链中［60］.目前，通过利用并改造大肠杆菌的硒代半胱氨酸插入序列（selenocysteine insertion sequence， SECIS），并表达相应的tRNASec及针对性的延伸因子（SelB），可实现包括［NiFeSe］氢酶或其他含有Sec的蛋白的基因在大肠杆菌的重组表达［61］. ...
Harnessing selenocysteine to enhance microbial cell factories for hydrogen production
1
2022
... 另有一些［NiFe］氢酶的活性位点中含有硒代半胱氨酸（Sec），它取代了原有的半胱氨酸（Cys），这类氢酶有时也称为［NiFeSe］氢酶.Sec是Cys的同源氨基酸，几乎只存在于氧化还原酶的结构域中［55］，它相比Cys降低了侧链的pKa，加强了亲核性，提升了相比同源的Cys更强的可逆的氧化性能［56］，Sec的人工翻译已被证实可影响氢酶活性位点的电子性质、催化速率以及对氧的敏感性［57-59］.Sec的人工翻译可由宿主细胞自主完成.它在信使核糖核酸的翻译区通过识别一种特种特异性的mRNA发夹环结构（也称为Sec插入序列）后，通过匹配UGA密码子插入到多肽链中［60］.目前，通过利用并改造大肠杆菌的硒代半胱氨酸插入序列（selenocysteine insertion sequence， SECIS），并表达相应的tRNASec及针对性的延伸因子（SelB），可实现包括［NiFeSe］氢酶或其他含有Sec的蛋白的基因在大肠杆菌的重组表达［61］. ...
O2-independent formation of the inactive states of NiFe hydrogenase
1
2013
... 氢酶因其高效的产氢或氢电转换性能，在生物产氢及燃料电池开发中起着重要作用，然而对氧的高度敏感性限制了其应用范围.过去三十年间，为了揭示对氧敏感的分子机制，研究人员开展了大量的实验和理论探索［62］.通过对来自不同生物体的氢酶进行的遗传生物学、结构生物学、电化学和光谱学等领域的系统研究，揭示了一部分氢酶活性位点的作用、分子伴侣的参与、亲水性空腔的水运动、气体扩散的影响、质子转移途径及对多聚体结构的依赖等多因素影响机制［63-65］，并对其催化位点开展了分子动力学模拟、密度泛函理论计算、体积溶剂可及性图等计算分析，这些研究为增加氢酶的氧耐受性的突变设计提供了重要线索［66］.探究氧气是否使氢酶失活而广泛使用的实验技术是蛋白质膜伏安法（PFV），该技术能够精确测量被吸附蛋白质的酶活性.早期研究用PFV研究了在不同条件下（氧气浓度、氢气浓度和或氧化还原电位不同）的氢酶失活动力学，发现［NiFe］和［FeFe］氢酶经历不同的中间状态，以显著不同的速率失活［67-68］.［NiFe］氢酶在饱和空气缓冲液中的半衰期约为几十分钟，一些［NiFe］氢酶能够从氧气失活状态中重新激活，而［FeFe］氢酶的半衰期大约为几十秒，只能在有限程度上从氧气结合状态重新激活［66， 69-70］.氢酶的酶活恢复速率取决于氢气浓度、氧气暴露时间和氧化还原电位等失活条件［66， 68］. ...
Structure, function and biosynthesis of O?-tolerant hydrogenases
1
2013
... 氢酶因其高效的产氢或氢电转换性能，在生物产氢及燃料电池开发中起着重要作用，然而对氧的高度敏感性限制了其应用范围.过去三十年间，为了揭示对氧敏感的分子机制，研究人员开展了大量的实验和理论探索［62］.通过对来自不同生物体的氢酶进行的遗传生物学、结构生物学、电化学和光谱学等领域的系统研究，揭示了一部分氢酶活性位点的作用、分子伴侣的参与、亲水性空腔的水运动、气体扩散的影响、质子转移途径及对多聚体结构的依赖等多因素影响机制［63-65］，并对其催化位点开展了分子动力学模拟、密度泛函理论计算、体积溶剂可及性图等计算分析，这些研究为增加氢酶的氧耐受性的突变设计提供了重要线索［66］.探究氧气是否使氢酶失活而广泛使用的实验技术是蛋白质膜伏安法（PFV），该技术能够精确测量被吸附蛋白质的酶活性.早期研究用PFV研究了在不同条件下（氧气浓度、氢气浓度和或氧化还原电位不同）的氢酶失活动力学，发现［NiFe］和［FeFe］氢酶经历不同的中间状态，以显著不同的速率失活［67-68］.［NiFe］氢酶在饱和空气缓冲液中的半衰期约为几十分钟，一些［NiFe］氢酶能够从氧气失活状态中重新激活，而［FeFe］氢酶的半衰期大约为几十秒，只能在有限程度上从氧气结合状态重新激活［66， 69-70］.氢酶的酶活恢复速率取决于氢气浓度、氧气暴露时间和氧化还原电位等失活条件［66， 68］. ...
Characterization of a unique [FeS] cluster in the electron transfer chain of the oxygen tolerant [NiFe] hydrogenase from Aquifex aeolicus
1
2011
... 对［NiFe］氢酶的氧失活机制研究发现，如同［FeFe］氢酶那样，氧气也会进入并结合到氢酶的活性位点，但对已知的具有氧气耐受性的［NiFe］氢酶来说，这种结合是可逆的，不会导致酶的不可逆降解；通常氧气会迅速通过利用质子和电子还原为水分子，并留下一个羟基固定在活性位点上，然后消耗一组质子和电子以另一个水分子的形式去除羟基［78-80］.这些实验和理论研究提出了导致羟基结合和完全重新激活状态的多种途径，它们都强调了向氧气结合的活性位点迅速提供质子和电子的重要性［81-85］.活性位点附近的特定残基被认为负责质子转移，而靠近活性位点的Fe-S簇被认为是电子的来源.研究证实了具有额外两个半胱氨酸的非常规［4Fe-3S］邻近簇对于一些［NiFe］氢酶的氧气耐受性至关重要［64， 82， 86-87］，这是由于在Fe-S簇附近的额外的半胱氨酸使电子能够快速传递到活性位点，有助于氢酶的脱氧和耐受. ...
How the oxygen tolerance of a [NiFe]-hydrogenase depends on quaternary structure
1
2016
... 氢酶因其高效的产氢或氢电转换性能，在生物产氢及燃料电池开发中起着重要作用，然而对氧的高度敏感性限制了其应用范围.过去三十年间，为了揭示对氧敏感的分子机制，研究人员开展了大量的实验和理论探索［62］.通过对来自不同生物体的氢酶进行的遗传生物学、结构生物学、电化学和光谱学等领域的系统研究，揭示了一部分氢酶活性位点的作用、分子伴侣的参与、亲水性空腔的水运动、气体扩散的影响、质子转移途径及对多聚体结构的依赖等多因素影响机制［63-65］，并对其催化位点开展了分子动力学模拟、密度泛函理论计算、体积溶剂可及性图等计算分析，这些研究为增加氢酶的氧耐受性的突变设计提供了重要线索［66］.探究氧气是否使氢酶失活而广泛使用的实验技术是蛋白质膜伏安法（PFV），该技术能够精确测量被吸附蛋白质的酶活性.早期研究用PFV研究了在不同条件下（氧气浓度、氢气浓度和或氧化还原电位不同）的氢酶失活动力学，发现［NiFe］和［FeFe］氢酶经历不同的中间状态，以显著不同的速率失活［67-68］.［NiFe］氢酶在饱和空气缓冲液中的半衰期约为几十分钟，一些［NiFe］氢酶能够从氧气失活状态中重新激活，而［FeFe］氢酶的半衰期大约为几十秒，只能在有限程度上从氧气结合状态重新激活［66， 69-70］.氢酶的酶活恢复速率取决于氢气浓度、氧气暴露时间和氧化还原电位等失活条件［66， 68］. ...
Mechanism of O2 diffusion and reduction in FeFe hydrogenases
3
2017
... 氢酶因其高效的产氢或氢电转换性能，在生物产氢及燃料电池开发中起着重要作用，然而对氧的高度敏感性限制了其应用范围.过去三十年间，为了揭示对氧敏感的分子机制，研究人员开展了大量的实验和理论探索［62］.通过对来自不同生物体的氢酶进行的遗传生物学、结构生物学、电化学和光谱学等领域的系统研究，揭示了一部分氢酶活性位点的作用、分子伴侣的参与、亲水性空腔的水运动、气体扩散的影响、质子转移途径及对多聚体结构的依赖等多因素影响机制［63-65］，并对其催化位点开展了分子动力学模拟、密度泛函理论计算、体积溶剂可及性图等计算分析，这些研究为增加氢酶的氧耐受性的突变设计提供了重要线索［66］.探究氧气是否使氢酶失活而广泛使用的实验技术是蛋白质膜伏安法（PFV），该技术能够精确测量被吸附蛋白质的酶活性.早期研究用PFV研究了在不同条件下（氧气浓度、氢气浓度和或氧化还原电位不同）的氢酶失活动力学，发现［NiFe］和［FeFe］氢酶经历不同的中间状态，以显著不同的速率失活［67-68］.［NiFe］氢酶在饱和空气缓冲液中的半衰期约为几十分钟，一些［NiFe］氢酶能够从氧气失活状态中重新激活，而［FeFe］氢酶的半衰期大约为几十秒，只能在有限程度上从氧气结合状态重新激活［66， 69-70］.氢酶的酶活恢复速率取决于氢气浓度、氧气暴露时间和氧化还原电位等失活条件［66， 68］. ...

Other Images/Table from this Article