수소화효소

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1. 개요
2. 역사
3. 구조적 분류
4. 촉매 메커니즘
5. 생물학적 기능
6. 응용
- 6.1. 생물학적 수소 생산
- 6.2. 수소화효소 기반 바이오 연료 전지
7. 생화학적 분류
참조

1. 개요

수소화효소는 수소 분자를 산화하거나 생성하는 반응을 촉매하는 효소의 총칭이다. 이들은 [NiFe], [FeFe], [Fe]의 세 가지 주요 유형으로 분류되며, 각 유형은 활성 부위의 금속 원소와 구조가 다르다. [NiFe] 수소화효소는 이종이량체 단백질로, 다양한 환경에서 발견되며, H₂ 산화에 더 활성적이다. [FeFe] 수소화효소는 H₂ 생성에 더 특화되어 있으며, H-클러스터라는 활성 부위를 갖는다. [Fe] 수소화효소는 메탄 생성 고세균에서 발견되며, 다른 두 종류와는 다른 메커니즘으로 작동한다. 수소화효소는 생물학적 에너지 생산, 생물정화, 바이오 연료 전지 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 특히 수소 생산을 위한 생물학적 촉매로서의 잠재력이 높다.

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수소화효소

2. 역사

수소화효소는 1930년대에 처음 발견되었다. 수소의 산화 환원 반응을 촉매하는 이 효소군은 많은 연구자들의 관심을 모았다. 수소화효소에 의한 촉매 작용 메커니즘은 과학자들이 수소 분자를 생산하는 깨끗한 생물학적 에너지원(조류 등)을 설계할 때 도움을 줄 것으로 기대된다.^[44] 2014년에는 아소 산에서 연료 전지의 백금보다 637배의 활성을 보이는 수소 효소 수소화효소 S-77이 발견되어, 연료 전지의 양극 촉매로 개발되었다.^[45]

3. 구조적 분류

수소화효소는 활성 부위에 포함된 금속에 따라 세 가지 주요 유형으로 분류된다.^[2]

[FeFe] 수소화효소: 활성 부위에 두 개의 철 원자가 포함된 효소이다.
[NiFe] 수소화효소: 활성 부위에 니켈과 철 원자가 모두 포함된 효소이다.
[Fe] 수소화효소: 활성 부위에 철 원자만 포함된 효소로, 이전에는 "금속이 없는" 수소화효소로 알려졌으나, 철을 포함한다는 사실이 밝혀졌다.

[NiFe] 및 [FeFe] 수소화효소는 활성 부위와 단백질 내부에 묻혀 있는 Fe-S 클러스터를 가진다는 공통점이 있다. 활성 부위는 금속 클러스터로 구성되어 있으며, 이 부분에서 촉매 작용이 일어난다. 금속 클러스터는 일산화 탄소(CO) 및 시안(CN⁻) 리간드에 의해 배위되어 안정화된다.^[3]

[Fe] 수소화효소는 다른 두 종류와 달리, 일부 수소 영양성 메탄 생성 고세균에서만 발견된다. 또한, 전자가 활성 부위에 전달되는 방식이 다른 효소들과 근본적으로 다르다. [NiFe] 및 [FeFe] 수소화효소에서는 전자가 금속 유기 클러스터를 통해 전달되는 반면, [Fe] 수소화효소에서는 전자가 활성 부위에 직접 전달된다.

3. 1. [NiFe] 수소화효소

[NiFe] 수소화효소는 작은(S) 서브유닛과 큰(L) 서브유닛으로 구성된 이종이량체 단백질이다. 작은 서브유닛은 3개의 철-황 클러스터를 포함하고, 큰 서브유닛은 활성 부위인 니켈-철 중심을 포함한다.^[4]^[38] 이 중심은 분자 터널을 통해 용매와 연결되어 있다. 일부 [NiFe] 수소화효소에서는 니켈에 결합된 시스테인 잔기 중 하나가 셀레노시스테인으로 대체되기도 한다. [NiFe] 및 [NiFeSe] 수소화효소는 서열 유사성을 바탕으로 하나의 슈퍼패밀리로 간주된다.

주변질, 세포질, 세포질 막 결합 등 다양한 [NiFe] 수소화효소가 발견되었다. 격리된 [NiFe] 수소화효소는 H₂ 발생과 흡수를 모두 촉매하며, 사이토크롬 ''c''₃과 같은 낮은 전위의 다중 혈색소 사이토크롬은 산화 상태에 따라 전자 공여체 또는 수용체로 작용한다.^[4] 일반적으로 [NiFe] 수소화효소는 H₂ 산화에 더 활성적이다.^[5]

[FeFe] 수소화효소와 달리, 일부 [NiFe] 수소화효소는 분자 산소(O₂)에 의해 비활성화되지 않는 내성을 가지는 경우가 있다. 예를 들어 ''Ralstonia eutropha''와 같은 Knallgas-세균의 수소화효소는 산소 내성이 있는 것으로 밝혀졌다.^[4]^[6] ''Ralstonia eutropha'' H16에서 유래된 가용성 [NiFe] 수소화효소는 이영양생물 성장 배지에서 생산될 수 있다.^[7]^[8] 이러한 발견은 수소화효소를 물 분해를 통한 분자 수소의 광합성 생산에 활용할 수 있다는 가능성을 제시한다.

Huc 또는 Hyd1 (시아노박테리아형 흡수 수소화효소)는 수소에 대한 매우 높은 친화도를 가지면서도 산소에 민감하지 않은 [NiFe] 수소화효소이다.^[9] 수소는 산소 분자가 들어갈 수 없는 효소의 좁은 채널을 통과할 수 있다. 이는 ''Mycobacterium smegmatis''와 같은 박테리아가 다른 자원이 부족할 때 대기 중의 소량의 수소를 에너지원으로 활용할 수 있도록 돕는다.^[10]^[11]

3. 2. [FeFe] 수소화효소

다이아이언 중심과 가교 디티올레이트 보조 인자를 포함하는 수소화효소를 [FeFe] 수소화효소라고 부른다.^[12] [FeFe] 수소화효소는 세포질, 주변질, 엽록체 등에서 발견되며, 일반적으로 분자 수소 생성에 더 활발하다. ''Clostridium pasteurianum''에서 유래한 [FeFe] 수소화효소의 경우 10,000 s⁻¹ 정도의 턴오버 빈도(TOF)가 문헌에 보고되었다.^[13] 이는 H₂의 지속 가능한 생산을 위한 [FeFe] 수소화효소 사용에 초점을 맞춘 연구를 이끌었다.^[14]

[FeFe] 수소화효소의 활성 부위는 H-클러스터로 알려져 있다. H-클러스터는 시스테인 유래 티올에 의해 저가의 다이아이언 보조 인자에 연결된 [4Fe4S] 입방체 구조로 구성되어 있다. 다이아이언 보조 인자는 가교 아자-디티올레이트 리간드(-SCH₂-NH-CH₂S-, adt)에 의해 연결된 두 개의 철 원자를 포함하며, 철 원자는 카보닐 및 시안화물 리간드에 의해 배위된다.^[15]

[FeFe]-수소화효소는 네 개의 서로 다른 계통 발생 그룹 A-D로 나눌 수 있다.^[16] 그룹 A는 전형적인 분기형 [FeFe]-수소화효소로 구성된다. 자연에서 전형적인 [FeFe]-수소화효소는 페레독신을 산화 환원 파트너로 사용하여 수소 턴오버 수를 수행하는 반면, 분기형 유형은 페레독신과 NAD(H)를 전자 공여체 또는 수용체로 모두 사용하여 동일한 반응을 수행한다.^[17] 에너지를 보존하기 위해 혐기성 박테리아는 전자 분기를 사용하여 발열 과정과 흡열 반응의 산화 환원 반응을 결합하여 열역학적 장벽을 우회한다. 그룹 A는 ''Chlamydomonas reinhardtii''(''Cr''HydA1),^[18] Desulfovibrio desulfuricans(''Dd''HydAB 또는 ''Dd''H),^[19] ''Clostridium pasteurianum'' 및 ''Clostridium acetobutylicum''(각각 ''Cp''HydA1 및 ''Ca''HydA1, ''Cp''I 및 ''Ca''I로 지칭)과 같은 가장 잘 특징지어지고 촉매적으로 가장 활성인 효소를 포함한다.^[20] 그룹 B의 대표적인 예는 아직 특징지어지지 않았지만, 그룹 A [FeFe]-수소화효소와 H-클러스터 주변에서 유사한 아미노산 구조적 모티프를 공유하더라도 계통 발생학적으로 뚜렷하다. 그룹 C는 Per-Arnt-Sim 도메인의 존재를 기반으로 "감각"으로 분류되었다.^[21]^[22] 그룹 C [FeFe]-수소화효소의 한 예는 ''Thermotoga maritima''(''Tm''HydS)에서 유래한 것으로, 그룹 A 효소에 비해 미미한 촉매 속도와 수소(H₂)에 대한 높은 민감도를 보인다.^[23] 그룹 D의 밀접하게 관련된 하위 부류는 박테리아 유전자에서 유사한 위치를 가지며 그룹 E의 하위 부류와 유사한 도메인 구조를 공유하지만 PAS 도메인이 없다.^[16]^[21] 그룹 D 내에서 ''Thermoanaerobacter mathranii''(''Tam''HydS로 지칭)에서 유래한 [FeFe]-수소화효소가 특징지어졌다.^[24]

3. 3. [Fe] 수소화효소

5,10-메테닐테트라하이드로메탄테린 수소화효소(EC [http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.98.2 1.12.98.2])는 메탄 생성 세균에서 발견되며, 니켈이나 철-황 클러스터는 없지만, X선 회절법으로 최근 특성화된 철 함유 보조 인자를 가지고 있다.^[25]

다른 두 종류와 달리, [Fe]-only 수소화효소는 일부 수소 영양성 메탄 생성 고세균에서만 발견된다. 또한 산화 환원 파트너와 전자가 활성 부위에 전달되는 방식 측면에서 근본적으로 다른 효소 메커니즘을 특징으로 한다. [NiFe] 및 [FeFe] 수소화효소에서는 전자가 긴 거리를 구성하는 일련의 금속 유기 클러스터를 통해 이동하며, 활성 부위 구조는 전체 과정에서 변경되지 않는다. 그러나 [Fe]-only 수소화효소에서는 전자가 짧은 거리를 통해 활성 부위에 직접 전달된다. 보조 인자인 메테닐-H4MPT⁺는 이 과정에서 H₂로부터 수소화물을 직접 받아들인다. [Fe]-only 수소화효소는 또한 H₂-형성 메틸렌테트라하이드로메탄테린(methylene-H4MPT) 탈수소 효소라고도 알려져 있는데, 그 기능은 메테닐-H4MPT⁺를 메틸렌-H4MPT로 가역적으로 환원시키는 것이다.^[26] 메테닐-H4MPT+의 수소화 반응은 다른 두 종류의 수소화효소에서 일어나는 H₂ 산화/생성 대신 발생한다. 촉매 작용의 정확한 메커니즘은 아직 연구 중이지만, 최근 연구 결과에 따르면 분자 수소가 먼저 Fe(II)에 의해 이질적으로 절단된 후, 수소화물이 수용체의 탄소 양이온으로 전달되는 것으로 나타났다.^[27]

4. 촉매 메커니즘

수소화효소 내에서 양성자가 수소 분자로 전환되는 분자 메커니즘은 활발히 연구되고 있다. 아미노산 및/또는 리간드의 역할을 밝히기 위해 돌연변이 유발을 사용하여 기질의 분자 내 수송과 같은 촉매 작용의 여러 단계를 연구하는 방법이 널리 사용된다.^[28] 예를 들어, Cornish 등은 돌연변이 유발 연구를 통해 활성 부위와 단백질 표면을 연결하는 추정 채널을 따라 위치한 4개의 아미노산이 ''Clostridium pasteurianum''(CpI)에서 유래한 [FeFe] 수소화효소의 효소 기능에 중요하다는 것을 발견했다.^[28] 계산 분석 및 시뮬레이션에 의존할 수도 있다. Nilsson Lill과 Siegbahn은 최근 [NiFe] 수소화효소가 H₂ 분해를 촉매하는 메커니즘을 연구하는 데 이 접근 방식을 사용했다.^[29] 이 두 가지 접근 방식은 상호 보완적이며 서로에게 도움이 될 수 있다. 실제로 Cao와 Hall은 [FeFe] 수소화효소의 활성 부위 내에서 수소 분자가 어떻게 산화되거나 생성되는지를 설명하는 모델을 개발하기 위해 두 가지 접근 방식을 결합했다.^[30] 메커니즘에 대한 이해를 완성하기 위해 더 많은 연구와 실험 데이터가 필요하지만, 이러한 발견을 통해 과학자들은 수소화효소의 활성 부위를 모방한 인공 촉매를 구축하는 데 지식을 적용할 수 있게 되었다.^[31]

5. 생물학적 기능

수소화효소는 초기 지구 대기에 수소가 풍부했던 환경에서 수소로부터 에너지를 생성하기 위해 진화했을 것으로 추정된다. 미생물이 수소 환경에서 증식하거나, 수소 기반 생태계를 구축하는 데 도움을 줄 수 있다.^[32] 광합성이 불가능한 심해와 같은 환경에서 수소 기반 미생물 군집이 발견되기도 한다.

최근 연구에 따르면 수소화효소는 다음과 같은 다양한 생물학적 기능을 수행한다.

양방향 수소화효소는 특히 광합성 미생물에서 과도한 환원 당량을 제어하는 "밸브" 역할을 할 수 있다. 이는 혐기성 대사에서 중요한 역할을 한다.^[33]^[34]
막 횡단 양성자 구동력 생성에 관여하여 막 연결 에너지 보존에 기여할 수 있다.
염소화합물의 생물정화에 관여할 수 있다.
H₂ 흡수에 능숙한 수소화효소는 중금속 오염 물질이 독성 형태로 회수되도록 도울 수 있다.
병원성 박테리아 및 기생충에서 발견되는 흡수 수소화효소는 이들의 독성에 관여하는 것으로 여겨진다.

6. 응용

1930년대에 수소화효소가 발견된 이후,^[35] 무기화학자들은 다양한 수소화효소 모방체를 합성하는 등 많은 관심을 보였다. ''Ralstonia eutropha'' H16에서 추출한 가용성 [NiFe] 수소화효소는 H₂ 산화를 선호하고 상대적으로 산소에 대한 내성이 있어 H₂ 기반 바이오 연료 적용에 유망하다.^[7]^[8] 수소화효소의 촉매 메커니즘을 이해하면 과학자들이 수소를 생산하는 조류와 같은 청정 생물 에너지원을 설계하는 데 도움이 될 수 있다.^[36]

6. 1. 생물학적 수소 생산

수소화효소는 낮은 과전압과 높은 촉매 활성으로 인해 태양광을 이용한 물 분해 및 수소 생산 시스템에 적용될 가능성이 높다.^[37] 특히 [FeFe] 수소화효소는 높은 TOF(9000 s⁻¹ 이상)를 가지지만, O₂에 민감하다는 단점이 있다.^[6]

[FeFe] 수소화효소의 낮은 과전압과 높은 촉매 활성은 높은 O₂ 감수성을 동반한다. O₂는 물 분해 반응의 부산물이므로, 태양 H₂ 생산에 사용하기 위해서는 O₂ 내성을 갖도록 설계해야 한다. 전 세계의 다양한 연구 그룹들은 수소화효소의 O₂ 불활성화와 관련된 메커니즘을 이해하는 데 집중해 왔다.^[38]^[39] Stripp 등은 단백질 필름 전기화학을 사용하여 O₂가 먼저 [FeFe] 수소화효소의 활성 부위에서 반응성 종으로 전환된 다음, [4Fe-4S] 도메인에 손상을 입힌다는 것을 발견했다.^[40] Cohen 등은 분자 역학 시뮬레이션 접근 방식을 통해 산소가 단백질 내부에 묻혀 있는 활성 부위에 어떻게 도달하는지 조사했다. 그들의 결과는 O₂가 동적 운동 중 공동의 확대와 상호 연결에 의해 형성된 주로 두 개의 경로를 통해 확산된다는 것을 나타낸다.^[41] 이러한 연구들은 불활성화가 O₂의 활성 부위로의 확산과 활성 부위의 파괴적인 변형이라는 두 가지 현상에 의해 지배된다는 것을 시사한다.

이러한 발견에도 불구하고, 수소화효소의 산소 내성을 설계하기 위한 연구가 여전히 진행 중이다. 연구자들은 산소 내성 [NiFe] 수소화효소를 발견했지만, 이들은 수소 흡수에만 효율적이고 생산에는 효율적이지 않다.^[21] Bingham 등이 ''Clostridium pasteurianum''에서 [FeFe] 수소화효소를 설계하는 데 성공한 것도 H₂ 소비에 대한 활성 유지(산소 노출 동안)에만 국한되었다.^[42]

6. 2. 수소화효소 기반 바이오 연료 전지

수소화효소 기반 바이오 연료 전지에서는 수소화효소 효소가 양극에서 H₂ 산화를 일으킨다.^[8]^[4]^[43]

수소화효소가 촉매하는 양방향 또는 가역 반응을 통해 재생 에너지원을 연료로 포집하고 저장하여 필요에 따라 사용할 수 있다. 이는 낮은 에너지 수요 기간 동안 태양열, 풍력, 수열과 같은 재생 에너지원에서 얻은 전기를 H₂로 화학적으로 저장하여 입증할 수 있다. 에너지가 필요할 때 H₂를 산화시켜 전기를 생산할 수 있다.^[43]

이는 필요 시 사용 가능한 연료로서 재생 에너지의 포집 및 저장 기술 개발에 대한 과제의 한 가지 해결책이다. H₂로부터 전기를 생산하는 것은 백금 촉매와 유사한 기능을 가지면서 촉매 독성이 없고 매우 효율적이다. H₂/O₂ 연료 전지의 경우, 생성물이 물이기 때문에 온실 가스 배출이 없다.^[43]

7. 생화학적 분류

Enzyme Commission number|효소 위원회 번호^영어 (EC 번호)에 따라 다양한 종류의 수소화효소가 분류된다.

EC 번호	이름	반응
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.1.2 1.12.1.2]	수소 탈수소 효소 (수소:NAD⁺ 산화환원효소)	H₂ + NAD⁺ H⁺ + NADH
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.1.3 1.12.1.3]	수소 탈수소효소 (NADP) (수소:NADP⁺ 산화환원효소)	H₂ + NADP⁺ H⁺ + NADPH
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.2.1 1.12.2.1]	사이토크롬-c₃ 수소화효소 (수소:페리사이토크롬-c₃ 산화환원효소)	2H₂ + 페리사이토크롬 c₃ 4H⁺ + 페로사이토크롬 c₃
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.5.1 1.12.5.1]	수소:퀴논 산화환원 효소	H₂ + 메나퀴논 메나퀴놀
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.7.2 1.12.7.2]	페레독신 수소화 효소 (수소:페레독신 산화환원효소)	H₂ + 산화된 페레독신 2H⁺ + 환원된 페레독신
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.98.1 1.12.98.1]	조효소 F₄₂₀ 수소화효소 (수소:조효소 F₄₂₀ 산화환원효소)	H₂ + 조효소 F₄₂₀ 환원된 조효소 F₄₂₀
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.99.6 1.12.99.6]	수소화효소 (수용체) (수소:수용체 산화환원효소)	H₂ + A AH₂
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.98.2 1.12.98.2]	5,10-메테닐테트라하이드로메탄프테린 수소화효소 (수소:5,10-메테닐테트라하이드로메탄프테린 산화환원효소)	H₂ + 5,10-메테닐테트라하이드로메탄프테린 H⁺ + 5,10-메틸렌테트라하이드로메탄프테린
[http://enzyme.expasy.org/EC/1.12.98.3 1.12.98.3]	메타노사르시나-페나진 수소화효소 [수소:2-(2,3-다이하이드로펜타프레닐옥시)페나진 산화환원효소]	H₂ + 2-(2,3-다이하이드로펜타프레닐옥시)페나진 2-다이하이드로펜타프레닐옥시페나진

참조

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