Elucidation of proton generation and transport mechanisms in catalytic reaction of [NiFe] hydrogenase

阐明[NiFe]氢化酶催化反应中质子的产生和传输机制

• 批准号: 18K05318
• 负责人: 太 虎林
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Nara Institute of Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-01 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18K05318/
• 关键词: 水素; ヒドロゲナーゼ; 触媒反応; プロトン輸送; FT-IR; 金属蛋白質; Ni酵素

H2の分解/合成酵素[NiFe]ヒドロゲナーゼの触媒反応には、H2のガス拡散、電子伝達、およびH+輸送の3つのプロセスが必要であるが、そのうちNi－Fe活性部位でのH+生成と輸送機構については殆ど解明されていない。申請者が提唱した触媒反応サイクル（Ni-SIa, Ni-L, Ni-C, Ni-R）のうち（Angew. Chem. Int. Ed. 2014）、Ni-RにおけるH－とH+の結合様式は解明されているが（Nature 2015）、触媒反応におけるH+の輸送機構は不明である。本課題では、光操作技術とFT-IR分光法を駆使して、Ni-CとNi-LおよびNi-SIaにおける、Niに末端配位しているCys546のプロトン化の有無を突き止めた。光照射前後のNi-LとNi-C間の超高感度FT-IR差スペクトルでは、2505 cm-1にS－Hの伸縮振動に由来する正のバンドが観測され、D2O/D2で調整した酵素では1826 cm-1（S－D伸縮振動）に同位体シフトして観測された。従って、Ni-CではCys546が脱プロトン化されているのに対し、Ni-Lではプロトン化されていること、Ni-C（Ni3+）からNi-L（Ni+）への反応では、Ni-Cにおける架橋したH－がH+として放出され、Cys546の硫黄に輸送されることが明らかになった。一方、Ni-SIaとNi-C間の超高感度FT-IR差スペクトルでは、S－Hの伸縮振動に由来するバンドは観測されず、Ni-LからNi-SIa（Ni2+）への反応では、Cys546の脱プロトン化が関与することが示された。また、Ni－Fe活性部位と直接にリンクしたGlu34とH2Oのバンドを検出することに成功し、触媒反応でのH+輸送と密接に関与していることを明らかにした。これらの結果は、ヒドロゲナーゼの触媒反応機構の本質的な理解に寄与するものである。

H2分解/合成酶[NiFe]氢化酶的催化反应需要三个过程：H2气体扩散、电子转移和H+传输。申请人提出的催化反应循环（Ni-SIa、Ni-L、Ni-C、Ni-R）中（Angew. Chem. Int. Ed. 2014），Ni-R中H-和H+的成键方式已被阐明（Nature 2015），但催化反应中 H+ 的传输机制尚不清楚。在这个项目中，我们利用光操纵技术和 FT-IR 光谱来确定 Ni-C、Ni-L 和 Ni-SIa 中与 Ni 末端配位的 Cys546 是否存在质子化。在光照射前后Ni-L和Ni-C的超灵敏FT-IR差异光谱中，在2505 cm-1处观察到源自S-H伸缩振动的正谱带，该谱带用D2O/D2调整。在该酶中，观察到同位素位移为 1826 cm-1（SD 伸缩振动）。因此，Cys546在Ni-C中被去质子化，而在Ni-L中被质子化，并且在从Ni-C(Ni3+)到Ni-L(Ni+)的反应中，Ni-C中的桥联H-被揭示。以H+的形式释放并转移到Cys546的硫上。另一方面，在Ni-SIa和Ni-C之间的超灵敏FT-IR差谱中，没有观察到源自S-H伸缩振动的谱带，并且从Ni-L到Ni-SIa(Ni2+)的反应是未观察到，表明涉及 Cys546 的去质子化。我们还成功检测到与 Ni-Fe 活性位点直接相连的 Glu34 和 H2O 带，揭示它们与催化反应中的 H+ 传输密切相关。这些结果有助于对氢化酶催化反应机制的基本理解。

项目成果

Picobiology of metalloproteins: Vibrational spectroscopic studies of cytochrome c and [NiFe] hydrogenase

金属蛋白的微型生物学：细胞色素 c 和 [NiFe] 氢化酶的振动光谱研究

• 发表时间: 2018
• 作者: Shun Hirota;Hulin Tai;Yoshiki Higuchi;Sachiko Yanagisawa;and Takashi Ogura
• 通讯作者: and Takashi Ogura