Insight into the Mechanism of [NiFe] Hydrogenases by means of Magnetic Resonance Experiments and DFT Calculations
Stein, Matthias
Hydrogenases sind Enzyme, die die heterolytische Spaltung von molekularem Wasserstoff katalysieren. Die [NiFe]-Hydrogenasen benutzen ein heterobimetallisches aktives Zentrum, um diese Funktion zu erzielen. Einige der Redoxzustände sind paramagnetisch und sind so Methoden der EPR-Spektroskopie zugänglich. Die Zustände Ni-A, Ni-B und Ni-C wurden mit gepulster 1H-ENDOR-Spektroskopie in Proteineinkristallen und gefrorener Lösung untersucht. Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen lieferten Einblicke in die elektronische Struktur der paramagnetischen Zustände. Mit relativistischen DFT Rechnungen und dem ZORA Hamiltonoperator konnten Parameter der magnetischen Resonanz (g- und A-Tensoren) theoretisch berechnet werden. Auf diese Art und Weise wurde eine Korrelation von Struktur und g-Werten für die [NiFe]-Hydrogenase etabliert. Ein plausibler Reaktionsmechanism, an dem die Proteinumgebung beteiligt ist, wurde auf der Grundlage von DFT Rechnungen vorgeschlagen.
Hydrogenases are enzymes that catalyze the heterolytic splitting of molecular hydrogen. [NiFe] hydrogenases utilize a heterobimetallic cluster to accomplish this task. Some of the redox states of the active centre are paramagnetic and are thus accessible by EPR spectroscopy. The Ni-A, Ni-B and Ni-C forms were investigated by pulsed 1H-ENDOR spectroscopy in protein single crystals and frozen solution, respectively. Density functional theory (DFT) calculations provided insight into the electronic structure of the paramagnetic intermediates. By means of relativistic DFT calculations using the ZORA Hamiltonian, magnetic resonance parameters (g- and A-tensors) were calculated from first principles. Thus, a correlation between structure and g-values could be established for the [NiFe] hydrogenase. A plausible reaction mechanism which involves participation of the protein environment could be proposed.
- Schering-Preis für Dissertation s. Hiniweis in TU intern 11(2002)
