Studies on catalytic mechanism of [Fe]-hydrogenase from methanogenic archaea based on crystal structures

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.