Loading…
Redox processes of heme proteins and metalloporphyrins studied by vibrational spectroelectrochemistry
Kielb, Patrycja
Heme proteins belong to the most abundant and widely used metallo-proteins throughout the biosphere. Their biocatalytic, electron transporting and oxygen-binding functions are ubiquitous in many life-sustaining reactions. The structure of a heme cofactor and the nature of the heme pocket are determinants of the protein’s role and its involvement in metabolic pathways. Immobilized on an electrode, heme proteins often exhibit satisfactory direct electron transfer between the heme and the electrode surface as a prerequisite for potential applications in biolelectronic devices. Synthetic metalloporphyrins constitute an alternative approach for developing efficient electrocatalysts.
Elucidating relationships between structural and redox properties of protein-bound and protein-free hemes is the key task for understanding the molecular functioning and eventually optimizing electrocatalytic performance. In this respect, electrochemical methods together with surface enhanced vibrational spectroscopic techniques represent particularly powerful techniques which were applied in this work for analysing structure-function relationships of two different heme proteins and synthetic cobalt porphyrins.
The hexameric tyrosine-coordinated heme protein (HTHP), for which peroxidase- and catalase-like activity was reported previously, was studied by resonance Raman (RR) and surface enhanced RR (SERR) spectroscopy. The results revealed three different heme redox transitions in the immobilised state. The most negative one is similar to the only transition of the structurally identical six hemes determined in solution. The two more positive redox potentials observed in the immobilised state could be rationalised in terms of qualitatively different modes of interactions with the adsorbens, which may eventually lead to the release of hemes from the protein. This observation as well as structural similarities with heme carrier proteins such as HasA or HmbR point to heme transport as an alternative or additional function.
Cellobiose dehydrogenase (CDH) is a flavocytochrome, catalyzing the oxidation of various carbohydrates. It has been shown that catalytic activity increased upon addition of Ca2+ ions. The influence of this effect on the electron transfer rates and structural changes of the heme cofactor and the protein backbone was studied by SERR and surface enhanced infrared absorption (SEIRA) spectroscopy together with electrochemical methods. Addition of Ca2+ ions shifted the catalytic turnover signal to more negative potentials while SERR measurements revealed an offset between the potential of heme reduction and catalytic current. Comparing SERR and SEIRA data it was proposed that binding of Ca2+ to the heme induces protein reorientation such that the electron transfer pathway of the catalytic FAD center to the electrode can bypass the heme cofactor.
Cobalt hangman porphyrins were analysed by RR and SERR spectroscopies operando under catalytic conditions. To understand the role of the hanging group for proton supply, complexes with either a carboxylic acid or ester hanging group were compared. The experimental spectro-electrochemical investigations were accompanied by theoretical calculations, revealing symmetry lowering of the porphyrin during the catalysis. Specifically, the results point to a catalytic CoIII-H state intermediate, providing novel insight into the catalytic mechanism.
Hämproteine gehören zu den am häufigsten vorkommenden und am weitesten verbreiteten Metalloproteinen in der Biosphäre. Ihre Funktion als Biokatalysatoren, Elektronentransporter und Sauerstoffträger ist ubiquitär in lebenserhaltenden Prozessen, wobei die Struktur des Häm-Kofaktors und die Beschaffenheit der Bindungstasche maßgeblich ihre Rolle und Mitwirkung in Stoffwechselvorgängen bestimmen. Im immobilisierten Zustand bieten Hämproteine häufig einen sehr guten direkten Elektrontransfer zwischen Häm und Elektrode und somit die Grundvoraussetzung für potentielle bioelektronische Anwendungen. Eine Alternative für die Entwicklung effizienter elektrokatalytischer Systeme bilden synthetische Metalloporphyrine.
Um die Funktionsweise von proteingebundenen und proteinfreien Hämen auf molekularer Ebene zu verstehen und ihre elektrokatalytische Leistung zu optimieren, ist es von zentraler Wichtigkeit, die Zusammenhänge zwischen Struktur und Redoxeigenschaften zu untersuchen. Hierfür stellt insbesondere die Kombination von elektrochemischen Methoden und oberflächenverstärkter Schwingungsspektroskopie eine leistungsfähige Herangehensweise dar, welche in dieser Arbeit angewendet wurde, um Struktur-Funktions-Beziehungen zweier Hämproteine und eines synthetischen Kobaltporphyrins zu untersuchen.
Das hexamere Tyrosin-koordinierte Hämprotein (HTHP), für welches zuvor peroxidase- und katalaseähnliche Aktivitität gezeigt wurde, wurde hier mit Hilfe der Resonanz-Raman (RR) und oberflächenverstärkten RR (SERR – engl. surface-enhanced RR) Spektroskopie untersucht. Hierbei wurden drei Redoxübergänge im immobilisierten Zustand beobachtet, von denen der negativste mit dem Übergang der sechs strukturell identischen Hämgruppen in Lösung übereinstimmt. Die positiveren Redoxpotentiale des immobilisierten Proteins konnten qualitativ verschiedenen Bindungsmodi und Wechselwirkungen mit dem Adsorbens zugeordnet werden, welche schließlich zum Freisetzen des Häms führen können. Die strukturelle Ähnlichkeit mit Hämproteinen HasA und HmbR weist auf eine alternative oder zusätzliche Funktion als Hämtransporter hin.
Die Cellobiosedehydrogenase (CDH) ist ein Flavocytochrom, welches die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe katalysiert. Der Einfluss von aktivitätserhöhenden Ca2+-Ionen auf Elektronentransfer und Struktur des Häm-Kofaktors wurde mit Hilfe von SERR, oberflächenverstärkter Infrarotabsorption (SEIRA – engl. surface-enhanced infrared absorption) und elektrochemischen Methoden untersucht. Ca2+-Ionen verschoben das katalytische Umsatzsignal zu negativeren Potentialen, so dass SERR-Experimente einen Versatz des Potentials der Hämreduktion hierzu zeigten. Basierend auf SERR und SEIRA Daten wurde vorgeschlagen, dass Ca2+-Bindung zu einer Reorientierung des Proteins führt und der Elektrontransfer vom katalytischen FAD-Zentrum zur Elektrode den Häm-Kofaktor umgehen kann.
Kobalt-Hangman-Porphyrine mit einer Carboxylat- oder Ester-„hanging group“ wurden mit RR und SERR Spektroskopie unter katalytischen Bedingungen untersucht, um die Rolle dieser Gruppe als Protonlieferant zu verstehen. Mit Hilfe von theoretischen Berechnungen konnte eine Symmetrieerniedrigung während der Katalyse demonstriert werden. Insbesondere erbringt diese Arbeit den Nachweis für einen katalytischen CoIII-H Zwischenzustand und somit neue Erkenntnisse über den katalytischen Mechanismus.
