Hydrogenasen DOI: 10.1002/ange.201003747 Modularer Aufbau von Clustern als natürliche Strategie zur Synthese des aktiven Zentrums der [FeFe]-Hydrogenase** Ryan D. Bethel, Michael L. Singleton und Marcetta Y. Darensbourg* Aktive Zentren · Biosynthese · Eisen-Schwefel-Cluster · Hydrogenasen Einer der großen Fortschritte in der schon fast 80jährigen Geschichte der Erforschung der Enzyme, die den Wasser- stoff-Metabolismus in bestimmten ursprünglichen Mikroor- ganismen kontrollieren, war die Erkenntnis, dass diese so genannten Hydrogenasen Eisen-Schwefel-Cluster enthalten, die Elektronen in redoxaktiven Enzymen transportieren. [1] Zu welch vielfältigen strukturellen und physikalischen Ei- genschaften diese Fe/S/SR-Kombination führen kann, wurde gemeinsam von Chemikern, Biochemikern und Biophysikern ergründet und gilt mittlerweile als gut verstanden. [2, 3] Beein- druckend ist die hohe Koinzidenz der Reaktivität von FeS- Clustern in vitro (d. h. von synthetischen Analoga) und in vivo (d. h. von Proteinen mit FeS-Cluster), die darauf schlie- ßen lässt, dass das Protein für die Existenz und Arbeitsweise des FeS-Clusters eigentlich gar nicht so wichtig ist. Daraus wurde die Vermutung abgeleitet, dass die ersten Katalysato- ren auf der Erde Klümpchen von Eisenschwefelmineralien gewesen sein könnten, [4] die, einmal in Proteine eingebaut, solch ausgeklügelte Systeme wie die anorganisch/metallor- ganischen Naturstoffe in Schema 1 hervorbrachten. [2, 5–8] Die Anordnung der multiplen FeS-Cluster in den Kris- tallstrukturen der [NiFe]- und [FeFe]-Hydrogenasen (H 2 asen) lässt sich nur so interpretieren, dass diese Cluster als Pfad für die Elektronenübertragung dienen und das aktive Zentrum mit der Elektronendonor- oder Elektronenakzep- toreinheit an der Proteinaußenseite verbinden. [9] Ein typi- scher 4Fe4S-Cluster des aktiven Zentrums der [FeFe]-H 2 ase (Schema 1 e) ist über eine Cysteinylbrücke direkt mit einer ungewöhnlichen 2Fe-Untereinheit fest verknüpft. [6] In diesem Aufbau ähnelt der „H-Cluster“, d.h. der Wasserstoff produ- zierende Cluster der [FeFe]-H 2 ase, den Clustern der Sulfit- Reduktase (Schema 1 g) oder Acetyl-CoA-Synthase (Sche- ma 1 f); der 4Fe4S-Cluster wirkt über die Cysteinyl-Schwe- felbrücke zur 2Fe-Untereinheit als Redox-variabler Metal- lothiolatligand. Die Tatsache, dass der 2Fe-Anteil des H- Clusters rein metallorganisch aufgebaut ist, reichlich Koh- lenmonoxid und Cyanid enthält, einen vorher in biologischen Systemen unbekannten Dithiolat-Cofaktor trägt und im Zu- sammenhang mit der beeindruckenden Geschwindigkeit der H 2 -Produktion durch die [FeFe]-H 2 ase steht – die zudem nur Elektronen milden Potentials sowie Wasser als Protonen- quelle benötigt –, [7] weckte das Interesse von Chemikern, die ein optimales synthetisches und proteinfreies Analogon des aktiven Zentrums suchten, um einen molekularen Elektro- katalysator zur Wasserstoffproduktion zu erhalten. Bei der Aufklärung der Biosynthese ergab sich eine Reihe anspruchsvoller Fragen: Wie erzeugt und handhabt die Natur die Spezies CN À und CO, die bei fehlender Kontrolle ja giftig für die Metallzentren sind? Wie wird das Azadithiolat her- gestellt, das die Eisenatome in der 2Fe-Untereinheit verbin- det? Wie wird der H-Cluster aufgebaut? Gibt es einen 6Fe- Supercluster als Vorstufe, der die 2Fe-Untereinheit abstößt, oder werden die Einheiten modular zusammengesetzt? Seit kurzem gibt es einige Erkenntnisse in Bezug auf die ersten beiden Fragen: Es wurden Genprodukte entdeckt, die radi- kalische SAM-Reaktionswege (SAM : S-Adenosylmethionin) nutzen, die Tyrosin zu p-Cresol und den zweiatomigen Li- ganden CO and CN À abbauen, letzteres vermutlich über ein Glycylradikal. [10–12] Anregungen für die Beantwortung der anderen beiden Fragen soll dieses Highlight geben, das sich mit einer Strukturarbeit von Mulder, Peters, Broderick et al. sowie anderen biosynthetischen und spektroskopischen Be- funden zur 2Fe2S-Vorstufe auseinandersetzen wird. [13, 14] Die korrekte, wenngleich triviale Antwort auf die Frage „Wie wird der H-Cluster zusammengesetzt?“ lautet mit Si- cherheit: „Sehr sorgfältig!“ Mulder et al. gelang es, eine [FeFe]-H 2 ase (auch als HydA bezeichnet) zu erhalten, ohne dass die Proteine HydE, HydF und HydG vorhanden waren, die für die Synthese der 2Fe-Untereinheit und die Reifung des Enzyms zur aktiven Form nötig sind. [13] Dieses unreife, ohne akzessorische Proteine hergestellte Protein HydA DEFG stammt ursprünglich aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und wurde in E. coli exprimiert; seine Röntgen- kristallstruktur wurde bestimmt und mit jener des Holopro- teins aus C. pasteurianum und Desulfovibrio desulfuricans verglichen. Bei beiden letztgenannten Strukturen ist der [*] R. D. Bethel, M. L. Singleton, Prof. M. Y. Darensbourg Department of Chemistry, Texas A&M University College Station, TX 77843 (USA) Fax: (+ 1) 979-845-0158 E-Mail: marcetta@chem.tamu.edu Homepage: http://www.chem.tamu.edu/rgroup/marcetta/ [**] Unsere Arbeit wird von der National Science Foundation (CHE- 0910679 an M.Y.D.), den NIH (Chemistry-Biology Interface Training Grant an R.D.B., T32 GM008523) und der R.A. Welch Foundation (A-0924) unterstützt. A ngewandte Chemi e 8747 Angew. Chem. 2010, 122, 8747 – 8749  2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim