Replacing a Cysteine Ligand by Selenocysteine in a [NiFe]-Hydrogenase Unlocks Hydrogen Production Activity and Addresses the Role of Concerted Proton-Coupled Electron Transfer in Electrocatalytic Reversibility

化学 氢化酶 硒代半胱氨酸 电子转移 质子 配体(生物化学) 半胱氨酸 催化作用 光化学 生物化学 有机化学 受体 量子力学 物理
作者
Rhiannon M. Evans,Natalie Krahn,Joshua M. Weiss,Kylie A. Vincent,Dieter Söll,Fräser A. Armstrong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (25): 16971-16976 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03489
摘要

Hydrogenases catalyze hydrogen/proton interconversion that is normally electrochemically reversible (having minimal overpotential requirement), a special property otherwise almost exclusive to platinum metals. The mechanism of [NiFe]-hydrogenases includes a long-range proton-coupled electron-transfer process involving a specific Ni-coordinated cysteine and the carboxylate of a nearby glutamate. A variant in which this cysteine has been exchanged for selenocysteine displays two distinct changes in electrocatalytic properties, as determined by protein film voltammetry. First, proton reduction, even in the presence of H2 (a strong product inhibitor), is greatly enhanced relative to H2 oxidation: this result parallels a characteristic of natural [NiFeSe]-hydrogenases which are superior H2 production catalysts. Second, an inflection (an S-shaped "twist" in the trace) appears around the formal potential, the small overpotentials introduced in each direction (oxidation and reduction) signaling a departure from electrocatalytic reversibility. Concerted proton–electron transfer offers a lower energy pathway compared to stepwise transfers. Given the much lower proton affinity of Se compared to that of S, the inflection provides compelling evidence that concerted proton–electron transfer is important in determining why [NiFe]-hydrogenases are reversible electrocatalysts.
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