Las hidrogenasas NiFe catalizan la oxidación reversible del hidrógeno molecular (H 2 ) a través de cuatro estados redox (Ni-SI a, Ni-L, Ni-C, Ni-R), sin embargo, la heterogeneidad espectroscópica de los intermedios Ni-L y Ni-R ha oscurecido durante mucho tiempo sus roles mecánicos. Utilizando cálculos de mecánica cuántica/mecánica molecular (QM/MM) a múltiples escalas, dinámica molecular (MD) a largo plazo, modelos de clúster cuántico y simulaciones de resonancia paramagnética electrónica (EPR) y espectroscopía infrarroja (IR), resolvemos los orígenes estructurales y electrónicos de esta heterogeneidad. Mostramos que la heterogeneidad espectroscópica de Ni-L y Ni-R proviene de configuraciones protonadas de Cys546 y Glu34 (numeración de residuos basada en Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F, referido como Dv MF de aquí en adelante) a lo largo de la coordenada de transferencia de protones, favoreciendo termodinámicamente la forma protonada de Glu34. Un motivo de intercambio de protones Cys546-Glu34 conservado es estabilizado por residuos flexibles de segunda esfera Thr18 y Arg479, que modulan fuertemente la energía del estado catalítico y gobiernan la localización de protones en ambos, Ni-L y Ni-R. Solo los modelos protonados de Glu34 reproducen cuantitativamente los tensores g de EPR y las constantes de acoplamiento hiperfinos (HFC), mientras que la desprotonación de Cys546 produce desplazamientos al rojo característicos de CO/CN. Estos resultados, establecidos para el Dv MF sensible al O 2 y apoyados por energéticas de protonación análogas en la Escherichia coli Hyd-1 tolerante al O 2, sugieren que el motivo de intercambio de protones Cys-Glu y su mecanismo de compuerta de segunda esfera pueden estar ampliamente conservados dentro de las hidrogenasas NiFe del Grupo 1. Estos hallazgos reconciliar modelos de larga data de la heterogeneidad Ni-L/Ni-R y revelan cómo la dinámica de segunda esfera regula la transferencia de protones en la hidrogenasa NiFe, ofreciendo principios de diseño para catalizadores de evolución de hidrógeno bioinspirados de próxima generación.
Moorthy et al. (Wed,) estudiaron esta cuestión.