Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7284
Main Title: Activation of H2 and CO2
Subtitle: insights into biological homo- and bimetallic-based catalysis applying vibrational spectroscopy
Translated Title: Aktivierung von H2 und CO2
Translated Subtitle: Einblicke in biologische homo- und bimetalische Katalyse unter Anwendung von Schwingungsspektroskopie
Author(s): Wahlefeld, Stefan Malte
Advisor(s): Hildebrandt, Peter
Zebger, Ingo
Referee(s): Hildebrandt, Peter
Wollenberger, Ulla
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The activation of small molecules, such as hydrogen or carbon dioxide, is an important part in a renewable, green chemistry in the future in our society. In this context, nature already shaped metalloenzymes, which are capable of catalyzing a wide variety of reactions. In order to exploit their biotechnological potential and provide an optimum performance, a fundamental understanding of their catalytic mechanisms is inevitable. This thesis presents an interdisciplinary approach providing detailed insights into the biochemical and spectroscopic properties of a soluble hydrogenase (SH) from Hydrogenophilus thermoluteolus TH-1T (Ht). Additionally, a formate dehydrogenase (FDH) from Rhodobacter capsulatus (Rc) was investigated by means of vibrational spectroscopy. The first part of this thesis discusses kinetic and activity assays of the HtSH. Complementary, infrared (IR) absorption spectroscopy in combination with electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy was carried out on the same enzyme samples in order to gain precise information about redox species of the catalytic center before and after activation as well as enzymatic integrity. The HtSH exhibits catalytic H2-mediated Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) reduction in the presence of O2 at elevated temperatures displaying an optimum at 50 °C. The IR spectroscopic characterization reveals a rich set of different oxidized and reduced intermediates. Notably, in the oxidized state an unprecedented upshifted CO stretching mode is observed at 1993 cm-1. Within the reduced species, the Nia-C signal in the EPR spectrum of H2-treated sample was mainly found at temperatures below 10 K, which could presumably be a result of fast spin-lattice relaxation related to magnetic coupling with another cofactor that is paramagnetic under these reducing conditions. In conclusion, this might serve as an explanation why Nia-C and other paramagnetic active site species often are not detected. Furthermore, to explain the molecular details of the O2-tolerance origin in soluble [NiFe]-hydrogenases, a bioinspired heterobimetallic S-oxygenated [NiFe] complex was synthesized. This complex was fully analyzed by vibrational spectroscopy in comparison to the oxygen-free reference species. Using further experimental and computational techniques, the electronic structures were elucidated with emphasis on the bridging sulfenato moiety. Based on the obtained results, novel strategies of exploring S-oxygenated intermediatesin hydrogenases are proposed. The last part of this thesis is dedicated to the investigation of a FDH. Here, resonance Raman (RR) spectroscopy in combination with computational methods were applied. The research focuses primarily on the first coordination sphere of the Molybdenum ion of the active site in the oxidized and reduced state. Spectra of different structural models were calculated and compared with the experimental data. Based on this multidisciplinary approach, a mixture of reduced intermediate states were assigned and compared to the existing proposed catalytic cycles. Additionally, the binding mode of the inhibitor molecule azide was investigated by IR spectroscopy. The direct binding mechanism to the Molybdenum ion proposed so far cannot be verified by the obtained data. The presented results demonstrate that a binding in the proximity of the active site is rather likely.
Die Aktivierung von kleinen Molekülen, wie beispielsweise Wasserstoff oder Kohlenstoffdioxid, ist ein entscheidener Faktor im Rahmen in einer zukünftigen, erneuerbaren und grünen Chemie. Die Natur hat dafür Metalloenzyme entwickelt, die in der Lage sind, eine große Anzahl verschiedener Reaktionen zu katalysieren. Um deren biotechnologischen Potentiale möglichst vollständig auszunutzen und eine optimale Leistungsfähigkeit zu entwickeln, ist ein fundamentales Verständnis der zugrundeliegenden katalytischen Mechanismen unumgänglich. Diese Doktorarbeit präsentiert einen interdisziplinären Ansatz, um umfassende Einblicke in die biochemischen und spektroskopischen Eigenschaften einer löslichen Hydrogenase (SH) aus Hydrogenophilus thermoluteolus TH-1T (Ht) und einer Formiat Dehydrogenase (FDH) aus Rhodobacter capsulatus (Rc) zu gewinnen.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden kinetische sowie Aktivitätsversuche zur HtSH diskutiert. Zusätzlich, werden mittels Infrarot- (IR) sowie Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) weitere wichtige Informationen zu unterschiedlichen Spezien des aktiven Zentrums und zur enzymatischen Integrität generiert. Die HtSH zeigt katalytische, wasserstoffabhänige Nicotinamidadenindinukleotid- (NAD+) Reduktion. Dies geschieht in der Gegenwart von O2 bei erhöhten Temperaturen mit einem Optimum von 50 °C. Mittels IR Spektroskopie kann eine Reihe von oxidierten und reduzierten Intermediaten charakterisiert werden. Hierbei ist bemerkenswert, dass im oxidierten Zustand eine bisher noch nicht entdeckte, hochverschobene CO Streckschwingung beobachtet wird. In den reduzierten Zuständen wird im EPR Spektrum das Nia-C Signal, der mit Wasserstoff behandelten Probe, nur bei Temperaturen unterhalb von 10 K detektiert. Dies könnte das Resultat einer schnellen Spin-Gitter-Relaxierung mit einem benachbarten Kofaktor sein, der unter diesen Bedingungen ebenfalls reduziert vorliegt. Das wäre eine mögliche Erklärung, warum Nia-C und andere paramagnetische Zustände des aktiven Zentrums häufig nichtbeobachtet werden. Um das Verständnis der molekularen Details zur Sauerstofftoleranz von löslichen Hydrogenasen voranzutreiben, wurde ein bioinspirierter S-oxygenierter [NiFe] Komplex vollständig mittels Schwingungsspektroskopie charakterisiert. Durch die Anwendung von weiteren experimentellen und theoretischen Techniken konnten die elektronischen Strukturen des Komplexes und seiner sauerstofffreien Referenzstruktur aufgeklärt werden. Hierbei lag ein besonderer Schwerpunkt auf der verbrückenden Sulfenatoeinheit. Anhand der vorliegenden Ergebnisse können neuartige Strategien vorgeschlagen werden, um S-oxygenierte Intermediate in Hydrogenasen zu untersuchen. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung einer FDH. Hierbei wurde Resonanz-Raman-Spektroskopie (RR) in Kombination mit computergestützten Modellrechungen verwendet. Die Untersuchung fokusierte sich vor allem auf die erste Koordinationsspähre des Molybdenumions des aktiven Zentrums im oxidierten und reduzierten Zustand. Unterschiedliche, berechnete Spektren wurden mit den experimentellen Daten verglichen. Auf diesem Ansatz basierend konnten verschiedene reduzierte Intermediate zugeordnet und mit den bisher bestehenden katalytischen Zyklen verglichen werden. Zusätzlich wurde noch die Bindung des Inhibitors Azid mittels IR Spektroskopie überprüft. Die so gewonnenen Daten demonstrieren, dass ein direkter Bindungsmechanismus an das Molybdänion, wie es kürzlich vorgeschlagen wurde, eher unwahrscheinlich gegenübereiner möglichen Bindung in der Nähe des aktiven Zentrums ist.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8123
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7284
Exam Date: 19-Jul-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 24-Aug-2018
DDC Class: 541 Physikalische Chemie
Subject(s): metalloenzyme
hydrogenase
formate dehydrogenase
vibrational spectroscopy
synthetic biomimicking complexes
Metalloenzyme
Hydrogenase
Formiatdehydrogenase
Schwingungsspektroskopie
synthetisch biologisch inspirierte Komplexe
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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