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Titel:Studies on catalytic mechanism of [Fe]-hydrogenase from methanogenic archaea based on crystal structures
Autor:Huang, Gangfeng
Weitere Beteiligte: Shima, Seigo (Dr.)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0240
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0240
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-02409
DDC:570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Untersuchungen zum katalytischen Mechanismus der [Fe]-Hydrogenase aus methanogenen Archaeen basierend auf Kristallstrukturen

Dokument

Schlagwörter:
Methangenesis, Catalytic mechanism, Crystal structures, Kristallstrukturen, [Fe]-Hydrogenase, Methanogenese, katalytischer Mechanismus, Biologie, [Fe]-hydrogenase, Biowissenschaften

Summary:
Hydrogenases are promising templates for designing new H2-based catalysts. [Fe]-hydrogenase reversibly catalyzes H2 cleavage and transfer of a hydride to the C14a of methenyl-tetrahydromethanopterin (methenyl-H4MPT+, a C1 carrier). Different from di-nuclear [NiFe]- and [FeFe]-hydrogenases, [Fe]-hydrogenase harbors the iron-guanylylpyridinol (FeGP) cofactor containing a single iron. The FeGP cofactor is consist of the iron site, the pyridinol ring and the guanosine monophosphate (GMP). [Fe]-hydrogenase is a dimer, in which each N-terminal domain contains one FeGP cofactor, and two C-terminal domains form the central domain. [Fe]-hydrogenase has open and closed forms. In the resting-open form, the iron site is 6-coordinated with two CO ligands, one acyl-C, one pyridinol-N, one Cys-S and a water ligand. In this work, a detailed catalytic mechanism of [Fe]-hydrogenase based on the 1.06-Å resolution structure of [Fe]-hydrogenase from Methanococcus aeolicus complexed with methenyl-H4MPT+ in a closed-active form was studied. In the closed-active form, the iron site is changed into 5-coordinated state due to removal of the water ligand by closure of the active cleft formed by the central and the N-terminal domains, generating an empty coordination site for H2-binding and the deprotonated 2-OH of the FeGP cofactor as the catalytic base. In this situation, the Fe site of the FeGP cofactor is near the C14a (hydride acceptor) of methenyl-H4MPT+ at 3.8 Å. The Quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) computations based on the structure of the closed-active form indicated the nearly thermo-neutral H2-binding and smooth H2-cleavage and hydride transfer. The distorted imidazoline ring of methenyl-H4MPT+ might stabilize the active state for H2 binding/cleavage. Based on the results, a complete reaction cycle of [Fe]-hydrogenase was proposed. In addition, we found that [Fe]-hydrogenase catalyzes the reduction of O2 to H2O2 in the presence of reducing substrates (methylene-H4MPT or methenyl-H4MPT+/H2). The most possible reductant was the iron-hydride intermediate. This result provided the first evidence for the existence of the iron-hydride intermediate in the catalytic cycle. Subsequently, the crystal structure of [Fe]-hydrogenase from Methanothermobacter marburgensis indicated that this enzyme is in hexamer rather than dimer, in which an aspartate ligand (Asp189) of the loop from nearby monomer bound the Fe site of the FeGP cofactor. In this case, the enzyme can protect its active center against light and oxidative stresses. When substrates bound, this enzyme dissociates into active dimers. This finding also confirmed the catalytic function of the open coordination site of the Fe site.

Zusammenfassung:
Hydrogenasen sind vielversprechende Vorlagen für das Design neuer H2-basierter Katalysatoren. Die [Fe]-Hydrogenase katalysiert die reversible H2-Spaltung und überträgt dabei ein Hydridion auf das C14a von Methenyl-Tetrahydromethanopterin (Methenyl-H4MPT+, ein C1-Träger). Anders als die zweikernigen [NiFe]- und [FeFe] Hydrogenasen, enthält der Eisenguanylylpyridinol (FeGP) Cofaktor der [Fe] Hydrogenase ein einzelnes Eisenatom. Der FeGP-Cofaktor besteht aus dem zentralen Eisenatom, einem Pyridinolring und einem Guanosinmonophosphat (GMP). Die [Fe] Hydrogenase liegt als Dimer vor, in dem jede N-terminale Domäne einen FeGP-Cofaktor enthält und die zwei C-terminalen Domänen die zentrale Domäne bilden. Die [Fe] Hydrogenase hat mehrere offene und geschlossene Zustände. Im offenen Ruhezustand wird das zentrale Eisen von zwei CO-Liganden, dem Acyl-C, dem Pyridinol-N, dem Cystein-S und einem Wassermolekül sechsfach koordiniert. In dieser Arbeit wurde ein detaillierter katalytischer Mechanismus der [Fe] Hydrogenase basierend auf einer 1,06-Å Kristallstruktur der [Fe]-Hydrogenase aus Methanococcus aeolicus im Komplex mit Methenyl-H4MPT+ in der geschlossenen, aktiven Form untersucht. In der geschlossenen aktiven Form ist das Eisenatom durch den Verlust des Wasserliganden fünffach koordiniert, dies geht mit dem Verschluss des aktiven Zentrums einher, welches aus der zentralen und der N-terminalen Domäne besteht, und so eine freie Koordinationsstelle für die H2-Bindung, sowie die deprotonierte Hydroxylgruppe des FeGP-Cofaktors als katalytische Base erzeugt. In diesem Zustand befindet sich das Eisenatom des FeGP-Cofaktors in einem Abstand von 3,8 Å vom C14a (Hydridakzeptor) des Methenyl-H4MPT+s. Quantenmechanik / Molekularmechanik (QM/MM) Berechnungen, basierend auf der Struktur des geschlossen, aktiven Zustands, zeigten eine nahezu thermoneutrale H2-Bindung, H2 Spaltung mit niedriger Aktivierungsenergie, sowie den Transfer des Hydridions. Der verzerrte Imidazolinring von Methenyl-H4MPT+ könnte dabei den aktiven Zustand für die H2-Bindung und -Spaltung stabilisieren. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein vollständiger Reaktionszyklus der [Fe]-Hydrogenase vorgeschlagen. In Gegenwart reduzierender Substrate (Methylen-H4MPT oder Methenyl-H4MPT+/H2) kann die [Fe] Hydrogenase die Reduktion von O2 zu H2O2 katalysieren. Dabei ist das wahrscheinlichste Reduktionsmittel ein Eisenhydridintermediat. Dieses Ergebnis lieferte den ersten Beweis für das Vorhandensein eines Eisenhydridintermediats im Katalysezyklus. Die Kristallstruktur der [Fe]-Hydrogenase aus Methanothermobacter marburgensis deutete an, dass es sich um einen Hexamer nicht um einen Dimer handelt, bei dem ein Aspartatligand (Asp189) aus der Schleife des nächsten Monomers das Eisenatom des FeGP-Cofaktors koordiniert. In diesem Fall kann das Enzym sein aktives Zentrum vor Licht und oxidativen Stress schützen. Wenn Substrate gebunden werden, zerfällt die [Fe]-Hydrogenase in Dimere, um aktiv zu werden. Dieser Befund bestätigte auch die katalytische Funktion der offenen Konformation des Eisenzentrums.


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