His84 rather than His35 is the active site histidine in the corrinoid protein MtrA of the energy conserving methyltransferase complex from Methanobacterium thermoautotrophicum

AbstractThe energy conserving corrinoid containing MtrA-H complex from Methanobacterium thermoautotrophicum is composed of eight different subunits of which MtrA harbors the corrinoid prosthetic group, the corrinoid being bound in the base-off/His-on configuration. Based on sequence comparisons it was recently proposed that His35 of MtrA is the active site histidine. We report here that His84 rather than His35 is the axial ligand to the cobamide in MtrA

Untersuchungen zum Katalysemechanismus von Methyl-Coenzym M Reduktase (MCR) aus methanogenen Archaea

Die Bildung von Methan erfolgt in allen methanogenen Archeaen durch die Reduktion von Methyl-Coenzym M (CH3-S-CoM) mit Coenzym B (HS-CoB) zu CH4 und dem Heterodisulfid CoM-S-S-CoB. Diese Reaktion, die mit Umkehr der Stereokonfiguration der Methylgruppe erfolgt, wird in einem ternären Komplex-Mechanismus von Methyl-Coenzym M Reduktase (MCR) katalysiert. Das sauerstofflabile Enzym ist aus drei verschiedenen Untereinheiten zusammengesetzt, die in einem α2β2γ2 Hexamer angeordnet sind und zwei strukturell verknüpfte aktive Zentren ausbilden, in denen je ein Molekül des Nickelporphinoids Faktors F430 als prosthetische Gruppe wirkt. Im aktiven Enzym befindet sich F430 in der Oxidationsstufe Ni(I) und läßt sich durch seine paramagnetische Eigenschaft mittels Elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR)-Spektroskopie detektieren. Derzeit lassen sich für MCR fünf EPR-aktive und zwei EPR-inaktive (silent) Zustände definieren: die enzymatisch aktiven Zustände MCR-red1 und MCR-red2, sowie die enzymatisch inaktiven Zustände MCR-ox1, MCR-ox2, MCR-ox3, MCR-ox1-silent und MCR-silent. Von den beiden Ni(II)-Formen ohne EPR Signal (MCR-ox1-silent und MCR-silent) liegen detaillierte Kristallstrukturen vor, die zusammen mit biochemischen Eigenschaften zur Formulierung von zwei alternativen Katalysemechanismen geführt haben: Mechanismus I favorisiert einen nukleophilen Angriff von Ni(I) auf die Methylgruppe von CH3-S-CoM, was zur Bildung einer Methyl-Ni(III)F430-Zwischenstufe führt. Dagegen postuliert Mechanismus II die Entstehung eines Methylradikals aufgrund eines Angriffs von Ni(I) auf den Thioetherschwefel von CH3-S-CoM. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung von Methyl-Coenzym M- und Coenzym B-Substratanaloga auf die enzymatische Akivität und den Nickel-Redoxzustand von MCR untersucht, um tiefere Einblicke in den Katalysemechanismus dieses Enzyms zu erhalten. Neben Aktivitätsmessungen wurden dazu im wesentlichen EPR-spektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Analoga des Substrats CH3-S-CoM wurden aufgrund ihrer Wirkung in drei Gruppen unterteilt: (i) Reversible Inhibitoren wie Ethyl-Coenzym M, Propyl-Coenzym M, Allyl-Coenzym M und Coenzym M (HS-CoM), in deren Gegenwart der Ni(I)-Zustand erhalten blieb. Von den vier Inhibitoren wurde nur Ethyl-Coenzym M reduziert, allerdings mit einer katalytischen Effizienz, die geringer als 1% der Effizienz mit Methyl-Coenzym M war; (ii) Irreversible Inhibitoren wie 2-Bromoethansulfonat, 3-Bromopropionat, Cyano-Coenzym M, Seleno-Coenzym M und Trifluoromethyl-Coenzym M, die nach Zugabe zu aktiver MCR das Ni(I)-EPR-Signal auslöschten und bei Anwesenheit von HS-CoB zur Induktion eines isotropen Radikalsignals führten. Die Reaktivität des Ni(I)-Zustandes gegenüber dieser Gruppe von Inhibitoren wurde in Gegenwart von HS-CoB um das 10-fache gesteigert; und (iii) Irreversible Inhibitoren wie 3-Bromopropansulfonat, 3-Iodopropansulfonat und 4-Bromobutyrat, in deren Gegenwart das EPR Signal von aktiver MCR in das MCR-BPS-Signal umgewandelt wurde. Das MCR-BPS-Signal ist denen der MCRox-Signale ähnlich und wurde wie diese in Gegenwart von 2-Bromoethansulfonat nicht ausgelöscht. Messungen des magnetischen zirkularen Dichroismus (MCD) identifizierten Nickel im MCR-ox1-Zustand als High Spin Ni(II), welches axial mit einem Thiyl-Radikal koordiniert ist. Analog dazu könnte das MCR-BPS-Signal von einem Alkyl-Ni(III)-Zustand stammen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit beschäftigt sich mit dem MCR-red2-Zustand, der im Enzym in Gegenwart von HS-CoM und HS-CoB induziert wird und durch ein rhombisches EPR-Signal charakterisiert ist. Eine solche Induktion wurde neben HS-CoB ebenfalls für die zwei HS-CoB-Analoga HS-CoB6 und Methyl-CoB beobachtet. Durch den Einsatz von 33S-markiertem Coenzym M konnte eindeutig gezeigt werden, daß im MCR-red2-Zustand der Thioetherschwefel von HS-CoM axial mit dem Ni(I) aus F430 koordiniert ist. Das Ausmaß der MCR-red2 Induktion durch HS-CoM und HS-CoB zeigte sich in den Untersuchungen abhängig von der Temperatur. Unterhalb von 20oC wandelte sich der red2-Zustand mit sinkender Temperatur mehr und mehr in den red1-Zustand um. Oberhalb von 20oC allerdings lagen nur maximal 50% des Enzyms im red2-Zustand vor, was u. a. dafür spricht, daß sich jeweils nur eines der beiden aktiven Zentren von MCR im red2-Zustand befindet. Dies weist auf eine Halbseitenreaktivität von MCR hin, was für eine phasenversetzte Kopplung der beiden aktiven Zentren, ähnlich wie in einem Zweitaktmotor, spricht

Celebrating Achim Trebst’s 80th birthday

At the invitation of Govindjee, we reprint here the English translation of the letter, in German, that we sent, on behalf of the Senate and the Presidium as well as the members of the German Academy of Sciences Leopoldina, from Halle (Saale), to Professor Dr. Dr. h.c.mult. Achim Trebst on his 80th birthday. The original of this letter written in German will appear in Jahrbuch 2009, Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, Halle (Saale), Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart

Tetrahydrofolat-spezifische Enzyme im Baustoffwechsel von Methanosarcina barkeri sowie die Rolle von Folsäure und p-Aminobenzoesäure als Wachstumsfaktoren in diesem Archaeon

Tetrahydrofolat (H4F) spielt als Überträger von C1-Einheiten im Baustoffwechsel von allen Bacteria und Eucarya und von einigen Archaea eine wichtige Rolle in der Synthese von C1-Einheiten enthaltenden Verbindungen wie Purine, Thymidin und Methionin. Im Baustoffwechsel von methanogenen Archaea, die alle kein H4F enthalten sollen, wird H4F durch Tetrahydromethanopterin (H4MPT) ersetzt, das ein strukturelles Analogon von H4F ist, und das als C1-Überträger essentiell an der Methanbildung aus CO2 oder Acetat beteiligt ist. Nur im Baustoffwechsel von Archaea der Ordnung Methanosarcinales scheint H4MPT nicht an der Synthese von Purinen, Thymidin und Methionin beteiligt zu sein, was aus 13C-Markierungsexperimenten hervorgeht und die Frage aufwirft, ob diese Organismen neben H4MPT nicht doch noch zusätzlich H4F besitzen. Diese Frage zu beantworten, war das Ziel der vorliegenden Arbeit. Die Versuche wurden mit dem Organismus Methanosarcina barkeri durchgeführt, der Tetrahydrosarcinapterin (H4SPT) an Stelle von H4MPT enthält. H4SPT wird aus H4MPT durch Anfügen eines Glutamatrestes synthetisiert, der ohne Einfluss auf die Aktivität von diesem Coenzym ist. Im Genom von Methanosarcina barkeri, M. acetivorans, M. thermophila und M. mazei wurden Gene gefunden, die für folgende H4F-spezifische Enzyme kodieren könnten: Serin-Hydroxymethyltransferase (GlyA), Methylen-H4F-Dehydrogenase/Methenyl-H4F-Cyclohydrolase (FolD), Methylen-H4F-Reduktase (MetF), Phosphoribosylglycinamid-Formyltransferase (PurN) und Phosphoribosylaminoimidazolcarboxamid-Formyltransferase (PurH). Diese Gene wurden mit Ausnahme von glyA in den Genomen von Methanothermobacter thermoautotrophicus, Methanococcus jannaschii, Methanococcus maripaludis und Methanopyrus kandleri nicht gefunden. Es gelang, zwei dieser Gene aus M. barkeri, folD und glyA, heterolog in E. coli ohne Bildung von „Inclusion Bodies“ zu exprimieren. Die rekombinanten aktiven Enzyme wurden charakterisiert und polyklonale Antikörper zum Nachweis der Proteine in M. barkeri produziert. Das Gen folD kodierte für eine bifunktionelle Methylen-H4F-Dehydrogenase/Methenyl-H4F-Cyclohydrolase, die sowohl die Oxidation von Methylen-H4F mit NAD+ zu Methenyl-H4F+ und NADH als auch die Hydrolyse von Methenyl-H4F+ zu N10-Formyl-H4F katalysiert. Beide Aktivitäten waren strikt H4F-spezifisch. Das Gen glyA kodierte für Serin-Hydroxymethyltransferase, die in Gegenwart von H4F die Spaltung von L-Serin zu Glycin unter Bildung von Methylen-H4F katalysierte. H4F war in der Reaktion durch H4MPT ersetzbar, wobei die Aktivität allerdings weniger als 1% gegenüber der Aktivität mit H4F betrug. Die apparenten Km-Werte für Methylen-H4F (FolD) und (6S)-H4F (GlyA) lagen unter 5 µM. Die Genprodukte von folD und glyA konnten in Zellextrakten von M. barkeri mittels Western-Blot-Analysen und Aktivitätsmessungen nachgewiesen werden. Ein Hinweis für das Vorkommen von H4F in M. barkeri wurde indirekt durch Wachstumsversuche erhalten: Es wurde gefunden, dass das Wachstum des Archaeons von Folsäure (200 nM) oder p-Aminobenzoesäure (20 nM) im Medium abhängig ist und durch Sulfanilamid (2 mM) gehemmt wird. Unter p-Aminobenzoesäure-limitierenden Wachstumsbedingungen waren ca. 2 nmol p-Aminobenzoesäure für die Bildung von 1 g Zellen (Feuchtmasse) nötig, woraus sich eine intrazelluläre H4F-Konzentration von 5 µM abschätzen ließ unter der Annahme, dass p-Aminobenzoesäure ausschließlich für die Biosynthese von H4F verwendet wurde. Die intrazelluläre H4SPT-Konzentration von M. barkeri wurde zu 3 mM bestimmt und es wurde gefunden, dass sie unabhängig von der p-Aminobenzoesäure-Konzentration im Wachstumsmedium war. Die Daten deuten darauf hin, dass M. barkeri bei Wachstum unter p-Aminobenzoesäure-limitierenden Bedingungen freie p-Aminobenzoesäure nicht für die H4SPT-Synthese verwenden kann, was bestehender Literatur widerspricht. Dies wurde unabhängig durch Versuche bestätigt, bei denen die Aufnahme von [Carboxyl-14C]-p-Aminobenzoesäure in die Zellen verfolgt wurde. Unter den experimentellen Bedingungen wurden maximal 0,4% des H4SPT aus der vom Medium aufgenommenen p-Aminobenzoesäure synthetisiert, was über den Radioaktivitätsverlust durch Decarboxylierung während des Einbaus von p-Aminobenzoesäure in H4SPT ermittelt wurde. Darüber hinaus wurden Versuche zur Substratspezifität der Serin-Hydroxymethyltransferase von Methanococcus jannaschii durchgeführt, die zeigten, dass dieses Enzym H4MPT-spezifisch ist. Die Publikation zu diesen Ergebnissen befindet sich im Anhang

Two sub-states of the red2 state of methyl-coenzyme M reductase revealed by high-field EPR spectroscopy

Methyl-coenzyme M reductase (MCR) catalyzes the formation of methane from methyl-coenzyme M and coenzyme B in methanogenic archaea. The enzyme has two structurally interlinked active sites embedded in an α2β2γ2 subunit structure. Each active site has the nickel porphyrinoid F430 as a prosthetic group. In the active state, F430 contains the transition metal in the Ni(I) oxidation state. The active enzyme exhibits an axial Ni(I)-based continuous wave (CW) electron paramagnetic resonance (EPR) signal, called red1a in the absence of substrates or red1c in the presence of coenzyme M. Addition of coenzyme B to the MCR-red1 state can partially and reversibly convert it into the MCR-red2 form, which shows a rhombic Ni(I)-based EPR signal (at X-band microwave frequencies of approximately 9.4GHz). In this report we present evidence from high-field/high-frequency CW EPR spectroscopy (W-band, microwave frequency of approximately 94GHz) that the red2 state consists of two substates that could not be resolved by EPR spectroscopy at X-band frequencies. At W-band it becomes apparent that upon addition of coenzyme B to MCR in the red1c state, two red2 EPR signals are induced, not one as was previously believed. The first signal is the well-characterized (ortho)rhombic EPR signal, thus far called red2, while the second previously unidentified signal is axial. We have named the two substates MCR-red2r and MCR-red2a after their rhombic and axial signals, respectivel

Coordination and binding geometry of methyl-coenzyme M in the red1m state of methyl-coenzyme M reductase

Methane formation in methanogenic Archaea is catalyzed by methyl-coenzyme M reductase (MCR) and takes place via the reduction of methyl-coenzyme M (CH3-S-CoM) with coenzyme B (HS-CoB) to methane and the heterodisulfide CoM-S-S-CoB. MCR harbors the nickel porphyrinoid coenzyme F430 as a prosthetic group, which has to be in the Ni(I) oxidation state for the enzyme to be active. To date no intermediates in the catalytic cycle of MCRred1 (red for reduced Ni) have been identified. Here, we report a detailed characterization of MCRred1m ("m” for methyl-coenzyme M), which is the complex of MCRred1a ("a” for absence of substrate) with CH3-S-CoM. Using continuous-wave and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy in combination with selective isotope labeling (13C and 2H) of CH3-S-CoM, it is shown that CH3-S-CoM binds in the active site of MCR such that its thioether sulfur is weakly coordinated to the Ni(I) of F430. The complex is stable until the addition of the second substrate, HS-CoB. Results from EPR spectroscopy, along with quantum mechanical calculations, are used to characterize the electronic and geometric structure of this complex, which can be regarded as the first intermediate in the catalytic mechanis

More Than 200 Genes Required for Methane Formation from H2 and CO2 and Energy Conservation Are Present in Methanothermobacter marburgensis and Methanothermobacter thermautotrophicus

The hydrogenotrophic methanogens Methanothermobacter marburgensis and Methanothermobacter thermautotrophicus can easily be mass cultured. They have therefore been used almost exclusively to study the biochemistry of methanogenesis from H2 and CO2, and the genomes of these two model organisms have been sequenced. The close relationship of the two organisms is reflected in their genomic architecture and coding potential. Within the 1,607 protein coding sequences (CDS) in common, we identified approximately 200 CDS required for the synthesis of the enzymes, coenzymes, and prosthetic groups involved in CO2 reduction to methane and in coupling this process with the phosphorylation of ADP. Approximately 20 additional genes, such as those for the biosynthesis of F430 and methanofuran and for the posttranslational modifications of the two methyl-coenzyme M reductases, remain to be identified

An ancient pathway combining carbon dioxide fixation with the generation and utilization of a sodium ion gradient for ATP synthesis

Synthesis of acetate from carbon dioxide and molecular hydrogen is considered to be the first carbon assimilation pathway on earth. It combines carbon dioxide fixation into acetyl-CoA with the production of ATP via an energized cell membrane. How the pathway is coupled with the net synthesis of ATP has been an enigma. The anaerobic, acetogenic bacterium Acetobacterium woodii uses an ancient version of this pathway without cytochromes and quinones. It generates a sodium ion potential across the cell membrane by the sodium-motive ferredoxin:NAD oxidoreductase (Rnf). The genome sequence of A. woodii solves the enigma: it uncovers Rnf as the only ion-motive enzyme coupled to the pathway and unravels a metabolism designed to produce reduced ferredoxin and overcome energetic barriers by virtue of electron-bifurcating, soluble enzymes