Onderzoekers van de Freie Universität Berlin en de Ruhr-Universität Bochum hebben een cruciaal reactieprincipe van waterstofproducerende enzymen ontdekt. Teams onder leiding van Dr. Ulf-Peter Apfel in Bochum en Dr. Sven T. Stripp van de Freie Universität onderzochten de productie van moleculaire waterstof in eencellige groene algen. Ze konden aantonen hoe het enzym erin slaagt om twee elektronen achter elkaar over te dragen aan twee waterstofionen en zo stabiele tussentoestanden aan te nemen. Waterstofgas wordt gezien als de energiebron van de toekomst. Dus, er is grote industriële belangstelling voor het ophelderen van het mechanisme van biologische productie. De bevindingen zijn gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Angewandte Chemie .

In de levende natuur vinden heel langzaam allerlei chemische reacties plaats. Het gebruik van enzymen verhoogt de kans of de snelheid van een reactie (katalyse). Vaak speelt ook de aan- en afvoer van elektronen een rol - dit wordt reductie en oxidatie genoemd. speciale enzymen, de hydrogenasen, de omzetting van waterstofionen (protonen) in waterstofgas met hoog rendement versnellen. Ze absorberen overtollige elektronen die worden gegenereerd tijdens fotosynthese en geven waterstofgas af als bijproduct. Dit proces kan worden beschreven als een reductie van twee protonen met twee elektronen, waarbij de reactie in meerdere stappen verloopt.

"Na ontvangst van een eerste elektron, een enzym zal doorgaans minder snel een tweede accepteren, " benadrukt Dr. Sven Stripp. Ondanks dit, twee elektronen kunnen worden overgedragen aan twee protonen. Met behulp van synthetische hydrogenase-enzymen, geavanceerde infrarood spectroscopie, en elektrochemische methoden, de onderzoekers onderzochten hoe dat kan. Ze toonden aan dat de opname van een elektron in het katalytische centrum van het enzym gepaard gaat met de binding van een proton. De positieve lading van het proton compenseert de negatieve lading van het elektron. In de chemie staat dit proces bekend als proton-gekoppelde elektronenoverdracht (PCET). "Dus, het tweede elektron kan worden overgedragen met een vergelijkbare waarschijnlijkheid als het eerste, " zegt Dr. Ulf-Peter Apfel.

Volgens de auteurs is deze waarneming is van groot belang voor het begrijpen van het katalytische mechanisme van hydrogenasen en voor het ontwerp van synthetische complexen voor de productie van waterstofgas. In aanvulling, de wetenschappers speculeren dat PCET-processen ook de opname van meerdere elektronen in andere enzymen zouden kunnen verklaren, omdat veel van deze macromoleculen katalytische centra van ijzer- en zwavelatomen dragen, vergelijkbaar met die van hydrogenasen.