Methyl-Coenzym-M-Reduktase

Methyl-Coenzym-M-Reduktase

Vorhandene Strukturdaten: 3SQG, 1MRO

Sekundär- bis QuartärstrukturC2-symmetrischer α2β2γ2-Komplex
KofaktorF430
Bezeichner
Gen-Name(n)McrA, McrB, McrG
Enzymklassifikation
EC, Kategorie2.8.4.1, Transferase
ReaktionsartÜbertragung von Wasserstoff auf Methyl
SubstratMethyl-Coenzym M, Coenzym B
ProdukteMethan, CoB-S-S-CoM
Vorkommen
Übergeordnetes TaxonArchaea[1]

Das Enzym Methyl-Coenzym-M-Reduktase katalysiert den letzten Schritt der biologischen Methanbildung.[2] In der katalytischen Reaktion wird der Methylthioether Methyl-Coenzym M mit dem Thiol Coenzym B zu Methan und dem entsprechenden Heterodisulfid umgesetzt:

Me-S-CoM + CoB-SH → CH4 + CoB-S-S-CoM ΔG°’ = −30 kJ mol−1

Vorkommen und Funktion

Methyl-Coenzym-M-Reduktase kommt in allen methanogenen Archäen vor, unabhängig ob das Substrat CO2, Formiat, Kohlenstoffmonoxid, Acetat oder eine Methylgruppe (Methanol, Dimethylsulfid oder Methylamin) ist.[3] In aneroben methanotrophen archaeen (ANME Archäen) wird Methyl-Coenzym-M-Reduktase zur Methanaktivierung verwendet.[4] Methan wird dabei zu Methyl-Coenzym M umgesetzt.[5]

Funktion als phylogenetischer Marker

Weil die Methyl-Coenzym-M-Reduktase in allen methanogenen und methanotrophen Archäen vorkommt,[3] kann das mcrA-Gen als phylogenetischen Marker für diese Organismen verwendet werden.[6]

Struktur

Methyl-coenzym-M-Reduktase besteht aus drei verschiedenen Proteinketten, welche als C2-symmetrischer α2β2γ2-Komplex zusammengesetzt sind. Zwei Moleküle des Nickel-Hydrocorphinats F430 bilden die aktiven Stellen. Methyl-Coenzym-M-Reduktase konnte von Methanogenen, als auch von Methanotrophen Organismen kristallisiert werden und die entsprechenden Röntgenstrukturen sind veröffentlicht.[7][8]

Aktivierung von Methyl-Coenzym-M-Reduktase

Das Enzym ist nur katalytisch aktiv, wenn das Nickelion im Cofaktor F430 im Oxidationszustand Ni(I) vorliegt.[9] Im stabileren Oxidationszustand Ni(II) ist das Enzym inaktiv und muss mittels eines ATP-abhängigen Enzymkomplex in die aktive Ni(I)-Form überführt werden.[10]

Reaktion

Die enzymatische Reaktion stellt eine Umsetzung eines Alkylthioethers (Methyl-Coenzym M) mit einem Thiol (Coenzym B) zu einem Alkan (Methan) und einem Disulfid (CoB-S-S-CoM) dar. Eine solche chemische Reaktion konnte bislang noch nie im Labor durchgeführt werden.[11] Die Aufklärung des Reaktionsmechanismus ist deshalb für Chemiker von besonderem Interesse.

Mechanismus

Der Reaktionsmechanismus von Methyl-Coenzym-M-Reduktase ist immer noch unklar.

Zwischenprodukte

Mit den natürlichen Substraten konnte gezeigt werden, dass Zwischenprodukte gebildet werden, es konnte jedoch noch nie ein Zwischenprodukt spektroskopisch charakterisiert werden, das auf dem natürlichen Katalyseweg vorkommt.[12] Studien mit Inhibitoren und analogen Substraten zeigen, dass das Enzym die Fähigkeit besitzt Ni-H-,[13] Ni-C-[14][15][16][17] und Ni-S-Bindungen[18] einzugehen, welche alle durch ESR-Spektroskopie bewiesen werden konnten.

SN2-Mechanismus

Ein SN2-Mechanismus wäre analog zu Vitamin B12 als Supernukleophil.[19] In einem solchen Mechanismus würde Ni(I) (analog zu Co(I)) die Methylgruppe von Methyl-Coenzym-M nucleophil angreifen und zu Methyl-Ni(III) führen (analog zu Methyl-Co(III)). Methyl-Ni(III) würde dann reduziert und zu Methan protoniert.[20][21] Dieser Mechanismus ist in der Lage die Inversion am Kohlenstoff zu erklären, welche mit Hilfe von chrialem Ethyl-Coenzym M gezeigt werden konnte.[22] Experimentell bestimmte kinetische Isotopeneffekte scheinen einen SN2-Mechanismus jedoch auszuschließen.[11]

Radikalmechanismus

Ein radikalischer Mechanismus[23][24] ist kompatibel mit den kinetischen Isotopeneffekten.[11] Es ist jedoch unklar, wie eine Inversion mit chiralem Ethyl-Coenzym M gemessen werden kann[22], da primäre Radikale schnell invertieren.[11] Für die Rückreaktion (Methanoxidation) würde ein solcher Mechanismus eine C-H-Aktivierung an Methan mittels eines Thiyl-Radikals darstellen, was stark endergon wäre und noch nie gezeigt werden konnte.

Alternative Mechanismen

Eine Oxidative Addition wurde als erster Schritt der Methanoxidation in Betracht gezogen.[12] Eine andere Möglichkeit ist eine Protonierung von Coenzym F430 als erstes Zwischenprodukt[25].

Einzelnachweise

  1. ↑ InterPro-Eintrag
  2. ↑ B. Jaun, R. K. Thauer: Methyl-Coenzyme M Reductase and its Nickel Corphin Coenzyme F430 in Methanogenic Archaea. In: Astrid Sigel, Helmut Sigel, Roland K. O. Sigel: Nickel and Its Surprising Impact in Nature: Metal Ions in Life Sciences. Band 2, John Wiley & Sons 2007, ISBN 978-0470028124, 323–356.
  3. ↑ a b Rudolf K. Thauer: Biochemistry of methanogenesis: a tribute to Marjory Stephenson: 1998 Marjory Stephenson Prize Lecture. In: Microbiology. 144, Nr. 9, 1998, S. 2377–2406, doi:10.1099/00221287-144-9-2377, PMID 9782487.
  4. ↑ Steven J. Hallam, Nik Putnam, Christina M. Preston, John C. Detter, Daniel Rokhsar, Paul M. Richardson, Edward F. DeLong: Reverse Methanogenesis: Testing the Hypothesis with Environmental Genomics. In: Science. 305, Nr. 5689, 2004, S. 1457–1462, doi:10.1126/science.1100025, PMID 15353801.
  5. ↑ Silvan Scheller, Meike Goenrich, Reinhard Boecher, Rudolf K. Thauer, Bernhard Jaun: The key nickel enzyme of methanogenesis catalyses the anaerobic oxidation of methane. In: Nature. 465, Nr. 7298, 2010, S. 606–608, doi:10.1038/nature09015.
  6. ↑ Michael W. Friedrich: Methyl‐Coenzyme M Reductase Genes: Unique Functional Makers for Methanogenic and Anaerobic Methane‐Oxidizing Archaea. In: Methods in Enzymology. Volume 397,2005, ISSN 0076-6879, S. 428–442.
  7. ↑ Ulrich Ermler, Wolfgang Grabarse, Seigo Shima, Marcel Goubeaud, Rudolf K. Thauer: Crystal Structure of Methyl-Coenzyme M Reductase: The Key Enzyme of Biological Methane Formation. In: Science. 278, Nr. 5342, 1997, S. 1457–1462, doi:10.1126/science.278.5342.1457, PMID 9367957.
  8. ↑ Seigo Shima, Martin Krueger, Tobias Weinert, Ulrike Demmer, Jörg Kahnt, Rudolf K. Thauer, Ulrich Ermler: Structure of a methyl-coenzyme M reductase from Black Sea mats that oxidize methane anaerobically. In: Nature. 481, Nr. 7379, 2012, S. 98–101, doi:10.1038/nature10663.
  9. ↑ S. Rospert, R. Böcher, S. P. J. Albracht, R. K. Thauer: Methyl-coenzyme M reductase preparations with high specific activity from H2-preincubated cells of Methanobacterium thermoautotrophicum. In: FEBS Letters. 291, Nr. 2, 1991, S. 371–375, doi:10.1016/0014-5793(91)81323-Z.
  10. ↑ Divya Prakash, Yonnie Wu, Sang-Jin Suh, Evert C. Duin: Elucidating the Process of Activation of Methyl-Coenzyme M Reductase. In: Journal of Bacteriology. 196, Nr. 13, 2014, S. 2491–2498, doi:10.1128/JB.01658-14, PMID 24769699.
  11. ↑ a b c d Silvan Scheller, Meike Goenrich, Rudolf K. Thauer, Bernhard Jaun: Methyl-Coenzyme M Reductase from Methanogenic Archaea: Isotope Effects on the Formation and Anaerobic Oxidation of Methane. In: Journal of the American Chemical Society. 135, Nr. 40, 2013, S. 14975–14984, doi:10.1021/ja406485z.
  12. ↑ a b Silvan Scheller, Meike Goenrich, Stefan Mayr, Rudolf K. Thauer, Bernhard Jaun: Zwischenprodukte im Katalysezyklus von Methyl-Coenzym-M-Reduktase: Das Muster des Isotopenaustauschs ist in Einklang mit der Bildung eines σ-Alkan-Nickel-Komplexes. In: Angewandte Chemie. 122, Nr. 44, 2010, S. 8289–8292, doi:10.1002/ange.201003214.
  13. ↑ Jeffrey Harmer u. a.: A Nickel Hydride Complex in the Active Site of Methyl-Coenzyme M Reductase: Implications for the Catalytic Cycle. In: Journal of the American Chemical Society. 130, Nr. 33, 2008, S. 10907–10920, doi:10.1021/ja710949e.
  14. ↑ B. Jaun, R. K. Thauer, Met. Ions Life Sci. 2009, 6, 115;
  15. ↑ R. Sarangi, M. Dey, S.W. Ragsdale, Biochemistry 2009, 48, 3146
  16. ↑ Na Yang, Markus Reiher, Mi Wang, Jeffrey Harmer, Evert C. Duin: Formation of a Nickel-Methyl Species in Methyl-Coenzyme M Reductase, an Enzyme Catalyzing Methane Formation. In: Journal of the American Chemical Society. 129, Nr. 36, 2007, S. 11028–11029, doi:10.1021/ja0734501.
  17. ↑ Dariush Hinderberger, Rafal P. Piskorski, Meike Goenrich, Rudolf K. Thauer, Arthur Schweiger, Jeffrey Harmer, Bernhard Jaun: A Nickel–Alkyl Bond in an Inactivated State of the Enzyme Catalyzing Methane Formation. In: Angewandte Chemie International Edition. 45, Nr. 22, 2006, S. 3602–3607, doi:10.1002/anie.200600366.
  18. ↑ Jeffrey Harmer u. a.: Spin Density and Coenzyme M Coordination Geometry of the ox1 Form of Methyl-Coenzyme M Reductase:  A Pulse EPR Study. In: Journal of the American Chemical Society. 127, Nr. 50, 2005, S. 17744–17755, doi:10.1021/ja053794w.
  19. ↑ David Dophin: Preparation of the reduced forms of vitamin B12 and of some analogs of the vitamin B12 coenzyme containing a cobalt-carbon bond. In: D. Dolphin: Donald B. McCormick and Lemuel D. Wright (Hrsg.): Methods in Enzymology. Volume 18, Part C, 1971, ISSN 0076-6879, S. 34–52.
  20. ↑ Bernhard Jaun: Coenzyme F430 from Methanogenic Bacteria: Oxidation of F430 Pentamethyl Ester to the Ni(III) Form. In: Helvetica Chimica Acta. 73, Nr. 8, 1990, S. 2209–2217, doi:10.1002/hlca.19900730818.
  21. ↑ Xianghui Li, Joshua Telser, Ryan C. Kunz, Brian M. Hoffman, Gary Gerfen, Stephen W. Ragsdale: Observation of Organometallic and Radical Intermediates Formed during the Reaction of Methyl-Coenzyme M Reductase with Bromoethanesulfonate. In: Biochemistry. 49, Nr. 32, 2010, S. 6866–6876, doi:10.1021/bi100650m.
  22. ↑ a b Yonghyun Ahn, Joseph A. Krzycki, Heinz G. Floss: Steric course of the reduction of ethyl coenzyme M to ethane catalyzed by methyl coenzyme M reductase from Methanosarcina barkeri. In: Journal of the American Chemical Society. 113, Nr. 12, 1991, S. 4700–4701, doi:10.1021/ja00012a059.
  23. ↑ Vladimir Pelmenschikov, Margareta R. A. Blomberg, Per E. M. Siegbahn, Robert H. Crabtree: A Mechanism from Quantum Chemical Studies for Methane Formation in Methanogenesis. In: Journal of the American Chemical Society. 124, Nr. 15, 2002, S. 4039–4049, doi:10.1021/ja011664r.
  24. ↑ Shi-Lu Chen, Margareta R. A. Blomberg, Per E. M. Siegbahn: An investigation of possible competing mechanisms for Ni-containing methyl–coenzyme M reductase. In: Physical Chemistry Chemical Physics. 16, Nr. 27, 2014, S. 14029–14035, doi:10.1039/C4CP01483A.
  25. ↑ Evert C. Duin, Michael L. McKee: A New Mechanism for Methane Production from Methyl-Coenzyme M Reductase As Derived from Density Functional Calculations. In: The Journal of Physical Chemistry B. 112, Nr. 8, 2008, S. 2466–2482, doi:10.1021/jp709860c.