Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7248
Main Title: Computational chemistry studies on metallo-enzymes for the splitting of hydrogen and the interconversion between carbon monoxide and carbon dioxide
Translated Title: Computerchemische Untersuchungen an Metalloenzymen für die Spaltung von molekularem Wasserstoff und die Umwandlung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ineinander
Author(s): Tombolelli, Daria
Advisor(s): Mroginski, Maria Andrea
Referee(s): Mroginski, Maria Andrea
Greco, Claudio
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Carbon monoxide dehydrogenases (CODH) are metallo-enzymes which perform the interconversion between CO and CO2. In particular, in the present work, nickel iron containing CODH from Carboxydothermus hydrogenoformans, is studied. Its catalytic mechanism is still unclear, because of the difficulties at the experimental level to trap substrate-bound intermediates and pure redox states. For this reason, we concentrated on the mechanism of inhibition as performed by two inhibitors, CN and NCO, which are structural and electronic mimickers of the substrates, CO and CO2. To address this issue, we employed quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) theoretical method. We were able to clarify both the structures of CN and NCO inhibited ChCODH, and the mechanism of inhibition as performed by those two. The use of QM/MM methods, where complex metallic clusters are studied explicitly in the protein environment, turns out to be fundamental to clarify the specific characteristics of such systems. This work was possible thanks to a joint collaboration with crystallographers and spectroscopists. Moreover, we have been interested in another well known metallo-enzyme, also containing [NiFe] active site and iron-sulfur clusters. In particular, we studied the mechanism of protection against oxygen which takes place in the [NiFe] membrane bound hydrogenase (MBH) from Ralstonia eutropha. We first studied the structural changes of the unique iron-sulfur cluster, proximal to the active site, upon oxidation. To achieve this goal, we performed a series of QM/MM calculations on different models of the proximal cluster (PC). In a second step, we clarified the role and function of two proton transfer pathways, connecting the PC cluster and the active site. These pathways are part of a proton coupled electron transfer (PCET) mechanism, which consists in an exchange of proton and electrons between PC and active site clusters, and contributes to the protection of the catalytic activity of the active site against O2. We studied this by means of molecular dynamic (MD) simulations. Furthermore, a preliminary study of the mutant D117S of ReMBH, by means of QM/MM calculations, is presented in this thesis. Asp117 is part of a proton transfer pathway connecting the active site and the surface of the protein, and its mutation for a serine residue hinders the proton exchange, resulting in a unprecedent structure of the [NiFe] active site. The application of different theoretical methodologies in the study of ReMBH, gives us the opportunity to better understand the interconnection between electronic and structural changes taking place at the metallic centers, and the translocation of protons, within the protein.
Kohlenmonoxid Dehydrogenasen (CODH) sind Metalloproteine, welche CO und CO2 ineinander umwandeln. In der vorliegenden Arbeit wird die nickel- und eisenhaltige CODH von Carboxydothermus hydrogenoformans (Ch) im Speziellen untersucht. Der katalytische Mechanismus ist weiterhin unklar, da es experimentell schwierig ist, Substrat gebundene Intermediate und reine Redoxzustände zu erfassen. Aus diesem Grund haben wir uns auf den Mechanismus der Inaktivierung durch zwei Inhibitoren, CN and NCO, konzentriert, welche strukturell und elektronisch die Substrate, CO und CO2, imitieren. Um diese Thema zu bearbeiten, haben wir die theoretische Methode der quantenmechanischen/molekularmechanischen (QM/MM) Berechnungen verwendet. Wir waren in der Lage, beide Strukturen der CN und CO inhibierten ChCODH Zustände und den Mechanismus der jeweiligen Inhibierung aufzuklären. Die Verwendung der QM/MM Methode, bei welcher komplexe Metallcluster explizit in ihrer Proteinumgebung untersucht wurden, erwies sich als wichtig, um die besonderen Charakteristiken eines solchen Systems zu erfassen. Diese Arbeit wurde durch die enge Zusammenarbeit mit Kristallografen und Spektroskopikern möglich. Darüber hinaus waren wir an einem weiteren bekannten Metalloenzym interessiert, welches ebenfalls ein Nickel-Eisen haltiges aktives Zentrum und Eisen-Schwefel Cluster beinhaltet. Dabei haben wir den Mechanismus der Sauerstofftoleranz genauer untersucht, welcher in der Membran gebundenen [NiFe] Hydrogenase (MBH) von Ralstonia eutropha (Re) statt findet. Wir haben zunächst die Änderungen in der Struktur des strukturell einzigartigen Eisen-Schwefel Clusters, der sich proximal zum aktiven Zentrum befindet, während der Oxidation untersucht. Dazu haben wir mehrere QM/MM Berechnungen an unterschiedlichen Modellen des proximalen Clusters (PC) vorgenommen. In einem zweiten Schritt, haben wir die Rolle und Funktion von zwei Protonentransferwegen aufgeklärt, welche den proximalen Cluster und das aktive Zentrum verbinden. Diese Transferwege sind Teil eine Protonen gekoppelten Elektronentransfermechanismus (PCET), welcher aus dem Austausch von Protonen und Elektronen zwischen dem proximalen Cluster und dem aktiven Zentrum besteht und zur Sauerstofftoleranz des aktiven Zentrums beiträgt. Dies wurde mit Hilfe von molekular dynamischen (MD) Simulationen untersucht. Weiterhin wird in dieser Arbeit eine vorläufige Studie der D117S Mutante von ReMBH unter Anwendung von QM/MM Berechnungen vorgestellt. Asp117 ist Teil eines Protonentransferweges, welcher das aktive Zentrum mit der Proteinoberfläche verbindet. Seine Mutation durch eine Serinaminosäure behindert den Protonenaustausch, was zu einer ungewöhnlichen Struktur des aktiven Zentrums führt. Die Anwendung verschiedener theoretischer Methoden bei der Untersuchung der ReMBH gibt uns die Möglichkeit, den Zusammenhang zwischen elektronischen und strukturellen Änderungen an den Metallzentren und der Translokation von Protonen innerhalb des Proteins besser zu verstehen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8087
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7248
Exam Date: 13-Dec-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 7-Aug-2018
DDC Class: 541 Physikalische Chemie
Subject(s): carbon monoxide dehydrogenase
membrane bound hydrogenase
Kohlenmonoxid-Dehydrogenase
membrangebundene Hydrogenase
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
References: 10.1039/c5sc04554a
10.1002/anie.201703225
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