Fe-Fe-ヒドロゲナーゼの成熟。電子常磁性共鳴、赤外、X線吸収分光法で追跡したH-クラスター集合体の中間体

[FeFe]-hydrogenase maturation: H-cluster assembly intermediates tracked by electron paramagnetic resonance, infrared, and X-ray absorption spectroscopy.

• Brigitta Németh
• Moritz Senger
• Holly J Redman
• Pierre Ceccaldi
• Joan Broderick
• Ann Magnuson
• Sven T Stripp
• Michael Haumann
• Gustav Berggren

抄録

FeFe]ヒドロゲナーゼ酵素は、効率的かつ可逆的な水素変換のために、ユニークな有機金属補酵素を使用しています。このいわゆるHクラスターは、一酸化炭素とシアン化合物の配位子とアザジチオラート配位子(adt=NH(CHS))-[4FeFe-4S]サブコンプレックスに結合した[4Fe-4S]システインとアゾジチオラート配位子(adt=NH(CHS))-[FeFeFe]-水素化酵素アポ蛋白質から構成されていますが、合成ジ鉄サイト前駆体錯体(2Fe)を添加することで、[4Fe-4S]サブコンプレックスのみを結合させた[4Fe-4S]サブコンプレックスをin vitroで完全に活性化することができます。このような補酵素集合体のメカニズムを解明することは、改良された水素処理合成触媒の設計に役立つであろう。本研究では、電子常磁性共鳴法,フーリエ変換赤外分光法,X線吸収分光法を組み合わせて、緑藻クラミドモナス・リナデルティイのアポタンパク質(HydA1)と[2Fe]との混合により開始されるH-クラスター集合体の中間体の特徴を明らかにした。これら3つの方法は一貫して、混合後数秒以内にCO阻害状態（Hox-CO）の完全なH-クラスターが急速に形成されることを示している。さらに、FTIR分光法は、Hox-COの形成が短命のHred'-CO様中間体によって先行するモデルを支持している。Hox-COの蓄積は、触媒活性状態（Hox）へのより遅い変換とHクラスタの還元状態の形成をもたらすCOの放出に続いていた。

[FeFe]-hydrogenase enzymes employ a unique organometallic cofactor for efficient and reversible hydrogen conversion. This so-called H-cluster consists of a [4Fe-4S] cubane cysteine linked to a diiron complex coordinated by carbon monoxide and cyanide ligands and an azadithiolate ligand (adt = NH(CHS))·[FeFe]-hydrogenase apo-protein binding only the [4Fe-4S] sub-complex can be fully activated in vitro by the addition of a synthetic diiron site precursor complex ([2Fe]). Elucidation of the mechanism of cofactor assembly will aid in the design of improved hydrogen processing synthetic catalysts. We combined electron paramagnetic resonance, Fourier-transform infrared, and X-ray absorption spectroscopy to characterize intermediates of H-cluster assembly as initiated by mixing of the apo-protein (HydA1) from the green alga Chlamydomonas reinhardtii with [2Fe]. The three methods consistently show rapid formation of a complete H-cluster in the oxidized, CO-inhibited state (Hox-CO) already within seconds after the mixing. Moreover, FTIR spectroscopy support a model in which Hox-CO formation is preceded by a short-lived Hred'-CO-like intermediate. Accumulation of Hox-CO was followed by CO release resulting in the slower conversion to the catalytically active state (Hox) as well as formation of reduced states of the H-cluster.