Vollständig identifiziert – der Weg der Protonen

In ihrem katalytischen Zentrum stellen Hydrogenasen aus zwei Protonen und zwei Elektronen molekularen Wasserstoff (H2) her. Sie extrahieren die für diesen Prozess benötigten Protonen aus dem umgebenden Wasser und übertragen sie – über eine Transportkette – in ihren katalytischen Kern. Der genaue Protonenweg durch die Hydrogenase war bisher noch nicht verstanden. „Dieser Transferweg ist ein Puzzleteil, das für das Verständnis des Zusammenspiels von Cofaktor und Protein entscheidend ist, weshalb Biokatalysatoren so viel effizienter sind als wasserstoffproduzierende chemische Komplexe“, erklärt Dr. Martin Winkler, einer der Autoren dieser Studie aus der Forschungsgruppe Photobiotechnologie der RUB.

Um herauszufinden, welche der Hydrogenase-Bausteine am Protonentransfer beteiligt sind, haben die Forscher sie einzeln ersetzt. Sie ersetzten jeweils entweder durch eine Aminosäure mit ähnlicher Funktion oder durch eine dysfunktionale Aminosäure. So entstanden 22 Varianten von zwei verschiedenen Hydrogenasen. Anschließend verglichen die Forscher diese Varianten hinsichtlich verschiedener Aspekte, einschließlich ihrer spektroskopischen Eigenschaften und ihrer Enzymaktivität. „Die molekularen Strukturen von zwölf Proteinvarianten, die mit der Röntgenstrukturanalyse gelöst wurden, erwiesen sich als besonders aufschlussreich“, sagt Winkler.

Aminosäuren ohne Funktion schalten Hydrogenasen ab.

Je nachdem, wo und wie die Forscher die Hydrogenase verändert hatten, wurde die Wasserstoffproduktion weniger effizient oder ganz eingestellt. „So haben wir festgestellt, warum einige Varianten in Bezug auf die Enzymaktivität stark und andere kaum oder gar nicht beeinträchtigt sind – entgegen allen Erwartungen“, sagt Martin Winkler.

Je näher am katalytischen Zentrum die ersetzten Aminosäuren platziert waren, desto weniger war die Hydrogenase in der Lage, diese Modifikationen zu kompensieren. Wenn Bausteine ohne Funktion an sensiblen Stellen eingebettet wurden, wurde die Wasserstoffproduktion eingestellt. „Der so erzeugte Zustand ähnelt einer Übersättigung durch Protonenstress, bei der sowohl Protonen als auch Wasserstoff gleichzeitig in die Hydrogenase eingebracht werden“, erläutert Martin Winkler. „Im Laufe unseres Projekts konnten wir erstmals diesen hochflüchtigen Zustand, dem wir bereits in Experimenten begegnet waren, stabilisieren und analysieren.“

Wertvolle Basisinformationen

Diese Studie hat es ermöglicht, die Funktionen einzelner Aminosäuren dem Protonentransferweg für die Enzymgruppe der[FeFe] Hydrogenasen zuzuordnen. „Darüber hinaus liefert es wertvolle Informationen über den molekularen Mechanismus des Protonentransfers durch redoxaktive Proteine und die strukturellen Anforderungen daran“, schließt Thomas Happe.

Mehr Informationen:
Jifu Duan et al. Kristallographische und spektroskopische Zuordnung des Protonentransferweges in[FeFe]-Wasserstoffen, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-07140-x

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