Die Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) ist ein Schlüsselenzym des reduktiven Acetyl-CoA Wegs, und katalysiert in diesem die Reduktion von CO2 zu CO mit Raten von bis zu 12 s 1. Die Rückreaktion, die Oxidation von CO, katalysiert die CODH mit Raten von bis zu 31000 s-1. Beide Reaktionen finden am aktiven Zentrum des Enzyms, einem [NiFe4S4OHx]-Cluster (C Cluster), statt. Das Genom des hydrogenogenen Bakteriums C. hydrogenoformans beinhaltet fünf putative CODHs, welche vermutlich unterschiedliche Funktionen im Organismus ausüben. Diese Arbeit charakterisiert CODH-II und CODH-IV strukturell und biochemisch. In CODH-II wurden dafür Seitenketten der 1. und 2. Koordinationssphäre des C-Clusters ausgetauscht und einer strukturellen und kinetischen Analyse unterzogen. Der zweite Teil der Arbeit analysiert den Einfluss von O2 auf CODH-II und CODH-IV. In Lösung zeigte CODH-II bei Inkubation mit O2 einen Verlust der CO-Oxidationsaktivität. Analog dazu konnte in CODH-II Kristallen die Zerstörung des C Clusters durch O2 verfolgt werden. Elektrochemisch wurde das Verhalten der CODH-II in der Gegenwart von O2 mit der CODH-IV, für welche eine Rolle in der oxidativen Stressantwort von C. hydrogenoformans diskutiert wird, verglichen. CODH-IV ist sauerstofftoleranter als CODH-II und katalysiert die Oxidation von CO hocheffizient nahe des CO-Diffussionslimits. Die Aufklärung der Struktur von CODH-IV erlaubte die Identifikation einer möglichen Ursache der höheren O2-Toleranz. Die Strukturen beider CODHs ähneln sich stark. Allerdings weist CODH IV an der Rückseite des C-Clusters eine dichtere Packung der Seitenketten auf, wodurch der Cluster von einem Angriff durch O2 abgeschirmt werden könnte. / CO-Dehydrogenase (CODH) is a key enzyme of the reductive acetyl-CoA pathway, in which it catalyses the reduction of CO2 to CO with rates up to 12 s-1. CODH catalyses the reverse reaction, the oxidation of CO with rates up to 31000 s-1. Both reactions take place at the active site of the enzyme, a [NiFe4S4OHx] cluster (cluster C). The genome of the hydrogenogenic bacterium C. hydrogenoformans contains five putative CODHs which might serve distinctive functions within the organism. This study characterises CODH-II and CODH-IV structurally and biochemically. Residues of the first and second coordination sphere of cluster C from CODH-II were exchanged and analysed concerning their structural and biochemical properties. The second part of this study analyses the influence of O2 on CODH-II and CODH-IV. CODH-II showed in solution a loss in CO-oxidation activity upon incubation with O2. In an analogous experiment, the destruction of cluster C by O2 was followed crystallographically. A role for CODH-IV in the oxidative stress response of C. hydrogenoformans has been discussed previously. Therefore, the behaviour of CODH-II and CODH-IV was analysed electrochemically in the presence of O2. CODH IV is more O2-tolerant than CODH-II and catalyses the oxidation of CO with high efficiency close to the diffusion limit of CO. Reasons for the enhanced O2-tolerance of CODH-IV could be deduced by elucidating its structure. Generally, both CODHs show high structural similarity. However, at the backside of cluster C CODH-IV shows a tighter packing of residues by which the cluster C might be shielded from O2.

Lipoxygenasen sind nichthämeisenhaltige Dioxygenasen, die die Bildung von Hydroperoxiden aus molekularem Sauerstoff und mehrfach ungesättigten Fettsäuren katalysieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Lipoxygenase-Ligand-Wechselwirkungen untersucht: a) Durch gezielte Substratveränderungen und ortsgerichtete Mutagenese konnte gezeigt werden, dass Fettsäuren normalerweise mit dem Methylende in der Bindungstasche tierischer Lipoxygenasen gebunden werden. Unterschiedliche Positionsspezifitäten basieren demzufolge auf dem Volumen der Substratbindungstasche (Volumenhypothese). Darüber hinaus konnte bei der 15-Lipoxygenase eine inverse Substratbindung (Carboxylgruppe im aktiven Zentrum) durch Modifikation beider Enden der Fettsäure erzwungen werden, wodurch ausschließlich 5-Lipoxygenierung katalysiert wurde. b) Untersuchungen mit dem Hemmstoff Ebselen ergaben unterschiedliche Hemmmechanismen für verschiedene Enzymzustände. Die Hemmung der Lipoxygenase im Grundzustand (Fe[II]) erfolgt durch kovalente Bindung und Veränderung der Eisenligandensphäre irreversibel nach einem nicht-kompetitiven Mechanismus. Dagegen wird die aktive Lipoxygenase (Fe[III]) nur noch kompetitiv durch Ebselen gehemmt. c) Die Membranbindung der tierischen 15-Lipoxygenase erfolgt über hydrophobe Wechselwirkungen, vermittelt durch oberflächenexponierte, hydrophobe Aminosäuren aus beiden Enzymdomänen. Die Expression einer enzymatisch aktiven Trunkationsmutante, der die N-terminale Domäne fehlt, zeigte, dass diese nicht essentiell ist für die Membranbindung. / Lipoxygenases are nonheme iron-containig dioxygenases that catalyze the oxygenation of polyunsaturated fatty acids to hydroperoxy derivatives. Here, the interaction of lipoxygenases with various ligands was investigated: a) From substrate modifications and site directed mutagenesis it was concluded that fatty acids are bound with their methyl end in the substrate binding pocket of mammalian lipoxygenases. The positional specificity is therefore related to different volumes of this binding pocket (space-based hypothesis). For the 15-lipoxygenase an inverse substrate binding (carboxy terminus in the pocket) could be forced by simultaneous modification of both ends of the fatty acid. This lead to an exclusive 5-lipoxygenation by the 15-lipoxygenase. b) The mechanism of lipoxygenase inhibition by ebselen depends on the enzyme's state. The groundstate lipoxygenase (containing Fe[II]) is irreversibly inhibited in a non-competetive manner due to covalent modification and alteration of the iron ligand sphere. The active enzyme (containing Fe[III]) on the other hand is only competetively inhibited. c) The membrane binding of the mammalian 15-lipoxygenase is based on hydrophobic interactions mediated by solvent exposed, hydrophobic amino acid residues of both enzyme domains. The expression of an enzymatically active truncation mutant, which lacks the entire N-terminal domain, showed that this domain is not essential for membrane binding.

Direkte Zellreprogrammierung basiert auf Transkriptionsfaktoren (TFs), die die Identität bestimmter Zelltypen induzieren.Diese TF vermittelte Zellreprogrammierung ist in den meisten Zelltypen häufig durch hemmende Mechanismen limitiert.Um solche Barrieren in C. elegans zu identifizieren, verwendeten wir den zuvor charakterisierten Zinkfinger-TF CHE-1, der erforderlich ist, um glutamaterge ASE-Neuronen zu induzieren.In dieser Studie haben wir eine mögliche Barriere für die Reprogrammierung von Keimzellen zu Neuronen identifiziert und charakterisiert:die NAD+ abhängige mitochondriale Isocitratdehydrogenase 3 (IDH3).Der RNAi-Knockdown ergab in Kombination mit ektopischer Expression von CHE-1 einen konsistenten Phänotyp hinsichtlich der Expression des neuronalen ASE- Reporters in der Keimbahn. Wir konnten feststellen,dass IDH3-Knockdowns zu globalen Veränderungen der repressiven Histonmodifikationen führen.Mittels genetischer Untersuchungen identifizierten wir Mitglieder der Jumonji-Proteine sowie die a-KG-abhängigen Histon-Demethylasen, die an diesem Reprogammierungsphänotyp beteiligt sind. Durch Massenspektrometrie und weiterführenden genetische Untersuchungen haben wir festgestellt, dass Zellen bei IDH3-Mangel eine sogenannte Glutamin-Anaplerose verwenden, um den a-KG-Spiegel wieder aufzufüllen und somit einen teilweise aktiven Zitronensäurezyklus beizubehalten.Des Weiteren sind diese Prozesse erforderlich, damit die TF vermittelte Zellreprogrammierung stattfinden kann.Wir haben außerdem festgestellt, dass Signale von Zellen der somatischen Gonade diesen durch IDH3-Mangel vermittelten Zellreprogrammierungsprozess von Keimzellen ermöglichen.Daher ist anzunehmen, dass der Reprogrammierungsphänotyp in der Keimbahn nicht gewebsautonom ist. Zusammengefasst identifiziert diese Studie die Rolle der evolutionär konservierten Isocitrat-Dehydrogenase 3 (IDH3) bei der Aufrechterhaltung der Zellidentität und damit auch als Barriere für die Zellreprogrammierung. / Direct reprogramming makes use of transcription factors (TFs) that induce the identity of specific cell types. These TFs often are restricted in most cell types by inhibitory mechanisms. In order to identify these barriers in C. elegans, we used the previously described zinc-finger TF CHE-1 that is required to induce the glutamatergic ASE neuron fate. In this study, we identified and characterized a candidate barrier for reprogramming germ cells into neurons, the NAD+ dependent mitochondrial isocitrate dehydrogenase 3 (IDH3). RNAi knockdown of alpha (IDHA-1) or gamma (IDHG-1) subunit of this complex gave a consistent and reliable phenotype of the expression of ASE reporter in the germ line upon ectopic expression of CHE- 1. This study shows that idha-1 depletion-mediated reprogramming of germ cells to neurons is partially repressed in animals that lack the hypoxia-induced factor, TF HIF-1. It has been shown that mitochondrial dynamics change during differentiation. This suggests that disturbing mitochondrial function may feed-back to chromatin thus altering gene expression and allowing reprogramming. We were able to identify that knock down of idha-1 leads to global histone modification changes; and by performing a genetic screen we identified members of the Jumonji proteins, the a-KG dependent histone demethylases, involved in this conversion phenotype. By performing Mass Spectrometry and genetic screens, we have identified that cells utilize glutamine anaplerosis to replenish a-KG levels and display a partially active citric acid cycle upon IDH3 depletion; and these processes are required for the TF- mediated reprogramming to occur. Furthermore, the IDH3 depletion-mediated germ cell reprogramming is not tissue autonomous. We identified that signals from the somatic gonad enable the reprogramming process. Overall, this study identifies the role of the conserved Isocitrate Dehydrogenase 3 in cell fate safeguarding and thus as a barrier to reprogramming.

Hydrogenasen sind essentielle Enzyme im mikrobiellen H2-Kreislauf und werden als vielversprechende Katalysatoren in biologisch basierten H2-Technologien angesehen. Ein entscheidender Nachteil vieler Hydrogenasen ist ihre hohe O2-Sensitivität. Die membrangebundene Hydrogenase (MBH) aus Ralstonia eutropha ist eines der wenigen Beispiele für Hydrogenasen, die in Gegenwart von O2 katalytisch aktiv sind. Die molekularen Ursachen dieser O2 Toleranz sind bislang ungeklärt. In bisherigen Studien wurde lediglich das [NiFe]-Zentrum und dessen Umgebung auf Faktoren untersucht, die die O2-Toleranz des Enzyms hervorrufen könnten. In dieser Arbeit wurde daher der Fokus auf die kleine Untereinheit der MBH gelegt, in der sich drei elektronentransferierende Fe-S Cluster befinden. Die ligandierenden Aminosäuren dieser Fe-S Cluster wurden mittels ortsspezifischer Mutagenese verändert und die resultierenden MBH-Varianten physiologisch, biochemisch, spektroskopisch und elektrochemisch charakterisiert. Dabei wurde gezeigt, dass die O2-Toleranz der MBH maßgeblich auf einer Modifikation eines dieser drei Fe-S Cluster beruht. In der direkten Umgebung des zum aktiven Zentrum nächstgelegenen Fe-S Clusters befinden sich sechs statt vier Cysteine, wie in O2 sensitiven [NiFe]-Hydrogenasen. Die beiden zusätzlichen Cysteine um dieses proximale Cluster wurden gegen Glycine ausgetauscht, die an der entsprechenden Position in O2-sensitiven Hydrogenasen zu finden sind. Der Austausch der zusätzlichen Cysteine führte in vivo und in vitro zu einer erhöhten O2 Sensitivität der MBH. In EPR-spektroskopischen Untersuchungen wurde beobachtet, dass diese MBH-Variante veränderte elektronische Eigenschaften aufweist. Statt des für O2-tolerante Hydrogenasen typischen EPR-Spektrums wurde ein Signal detektiert, welches in O2-sensitiven Hydrogenasen zu finden ist. Anhand der Ergebnisse wurde ein Modell erstellt, das erklärt, wie eine modifizierte Fe-S Clusterkette zur O2-Toleranz von Hydrogenasen beiträgt. / Hydrogenases are essential for H2 cycling in microbial metabolism and serve as valuable blueprints for H2-based biotechnological application. Like many metalloproteins, most hydrogenases are extremely oxygen-sensitive and prone to inactivation by even traces of O2. The O2-tolerant membrane-bound [NiFe]-hydrogenase of Ralstonia eutropha is one of the few examples that have established a mechanism enabling H2 uptake in the presence of ambient O2. The molecular mechanisms of this O2 tolerance are not yet unravelled. However, up to date, only the large subunit harbouring the [NiFe] active site has been in the focus of studies on O2 tolerance. In the present study, the role of the small subunit with its electron relay, consisting of three Fe-S clusters, was investigated. Amino acid residues involved in coordination of all three clusters were exchanged, and the resulting MBH variants were investigated with physiological, biochemical, electrochemical and spectroscopic methods. It is shown that the rare feature of O2 tolerance is crucially related to a modification of the electron transfer chain. The Fe-S cluster proximal to the catalytic centre is surrounded by six instead of the four conserved coordinating cysteines. Removal of the two additional cysteines renders the protein O2-sensitive in vivo and in vitro. Electron paramagnetic resonance spectroscopy of this MBH variant revealed a signal resembling the spectrum usually detected in O2-sensitive [NiFe]-hydrogenases. The data imply that the major mechanism of O2 tolerance is based on the reductive removal of oxygenic species guided by the unique architecture of the electron transport chain rather than a restricted access of O2 to the active site.

Die für Pflanzen lebenswichtige Synthese von Tetrapyrrolen bedarf einer fein justierten Anpassung an die Umweltbedingungen und erfolgt auf transkriptioneller und post-translationaler Ebene. In den Chloroplasten hat sich die Regulation von Enzymen über ihren Redox-Status als probates Mittel zur Koordination der photosynthetischen Energiegewinnung und des Metabolismus erwiesen. Die bei der Photosynthese generierten Reduktionsäquivalente werden zum Teil über die Ferredoxin-Thioredoxin-Reduktase auf eine Vielzahl plastidärer Thioredoxine (TRX) übertragen, welche Disulfidbrücken ihrer Zielproteine reduzieren können. Unter den Enzymen der Tetrapyrrolbiosynthese (TBS) wurden bisher mehrere TRX-Interaktionspartner identifiziert, darunter die Glutamyl-tRNA-Reduktase (GluTR) und die 5-Aminolävulinsäure-Dehydratase (ALAD). In Arabidopsis Mutanten, in denen die NADPH-abhängige Thioredoxin-Reduktase (NTRC) oder f- und m-Typ-TRX fehlen, konnten verringerte Chlorophyll- und Hämgehalte beobachtet werden. Diese ließen sich auf die verringerte Stabilität verschiedener TBS-Enzyme in den Mutanten zurückführen, darunter auch die GluTR und ALAD. Die Relevanz der Cysteine (Cys, C) für die Regulation der GluTR1-Stabilität wurde in vivo über transgene Arabidopsis Cys➔Serin (Ser, S)-Substitutionslinien untersucht. Dabei erwies sich GluTR1(C464S) stärker vor dem Abbau über die kaseinolytische Protease (Clp) geschützt als das WT-Protein. Eine intermolekulare Disulfidbrücke zwischen den beiden Cys464-Resten des GluTR1-Homodimers wird daher als Abbausignal postuliert. Mit Hilfe der rekombinanten ALAD1(Cys➔Ser)-Substitutionsmutanten konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Stabilität, sondern auch die Aktivität der ALAD1 in vitro vom Redox-Status des Enzyms abhängig ist. Die ALAD1(Cys➔Ser)-Substitutionsmutanten konnten über Enzymaktivitäts- und gel shift-Assays unter oxidierenden und reduzierenden Bedingungen zur Identifizierung der redox-sensitiven Cys beitragen. / The synthesis of tetrapyrroles, such as chlorophyll, is vital for plants and requires a finetuned regulation. The control mechanisms involved in tetrapyrrole biosynthesis (TBS) take place both on transcriptional and post-translational levels. A broadly spread post-translational regulatory mechanism in the chloroplast involves the reduction of inter- or intramolecular disulfide bonds of redox-sensitive target enzymes by thioredoxins (TRX). Thereby the coupling of photosynthetic energy production with several energy-consuming metabolic processes can be accomplished. The reduction of disulfide bonds in redox-sensitive enzymes was previously shown to lead usually to their activation. Regarding the TBS, several TRX interacting proteins have been identified, including glutamyl-tRNA-reductase (GluTR) as well as the 5-aminolevulinic acid dehydratase (ALAD). Through the detailed and combined analysis of mutants with deficient NADPH-dependent thioredoxin reductase C (NTRC), TRX-f and TRX-m, a correlation became evident between decreased chlorophyll and heme levels of the mutants and lower amounts of several TBS enzymes, including GluTR and ALAD. For GluTR1, transgenic Arabidopsis cysteine (Cys, C) ➔ serine (Ser, S) substitution lines were generated and analyzed to identify the redox-sensitive Cys residues in vivo. In these studies, GluTR1(C464S) was shown to be better protected from degradation by the caseinolytic protease (Clp) than the GluTR1 WT protein. Thus, an intermolecular disulfide bond between the Cys464 residues in the dimerization domain of the GluTR1 homodimer is postulated to serve as a degradation signal under oxidizing conditions. However, it was shown by activity- and gel shift-assays with recombinant ALAD1(Cys➔Ser) substitution mutants that not only the stability, but also the in vitro activity of ALAD1 depends on the enzyme's redox state. Redox-sensitive inter- and intramolecular disulfide bridges of ALAD1 were identified among Cys71, Cys152 and Cys251.

Zusammenfassung Das beta-Proteobakterium Ralstonia eutropha H16 besitzt zwei [NiFe]-Hydrogenasen, die dem Organismus das Wachstum mit H2 als alleiniger Energiequelle unter aeroben Bedingungen ermöglichen. Reguliert wird die Expression dieser [NiFe]-Hydrogenasen durch ein bakterielles Zweikomponentensystem. Die Signaltransduktionskette besteht aus einer H2-sensierenden, regulatorischen [NiFe]-Hydrogenase (RH), einer Histidin-Proteinkinase und einem Response-Regulator. Um Einblicke in die Struktur-Funktions-Beziehung der H2-sensierenden Komponente zu bekommen, wurden Aminosäure-Austausche in konservierten Bereichen nahe des NiFe-Zentrums der RH durchgeführt. Der Austausch des invarianten Glu13 (E13Q, E13L) resultierte im Verlust der regulatorischen, der H2-oxidierenden und der H/D-Austauschaktivitäten. Spektroskopische Daten wiesen auf ein vollständig assembliertes NiFe-Zentrum hin. Mit Hilfe der ortho-/para-Konversionsaktivität wurde gezeigt, dass dieses Zentrum nach wie vor H2 binden kann. Dies deutet darauf hin, dass eine H2-Bindung am aktiven Zentrum nicht für die regulatorische Funktion der RH ausreicht. Durch den Austausch des Asp15 in His wurde der Konsensus eines konservierten Motivs der Standard-Hydrogenasen hergestellt. Das entstandene RH-Mutantenprotein besaß nur noch eine sehr niedrige H2-oxidierende Aktivität, bei nahezu unveränderter H/D-Austauschrate sowie intakter regulatorischer Aktivität. Dies deutet darauf hin, dass der H2-Umsatz nicht entscheidend für die H2-Sensierung ist. Um Informationen über die Struktur des aktiven Zentrums der RH zu erhalten, war es notwendig, große Mengen RH zu isolieren. Hierfür wurde die Strep-tag-Technologie eingesetzt, die es ermöglichte, die RH als natives Doppeldimer und als homodimeres Protein zu reinigen. Röntgenabsorptionsspektroskopie ergab erstmals, dass sich die Koordination des Nickel-Atoms im aktiven Zentrum sowohl im oxidierten als auch im reduzierten Zustand der RH deutlich von der in Standard-Hydrogenasen unterscheidet. / The beta-proteobacterium Ralstonia eutropha H16 is capable of using H2 as a facultative energy source by means of two distinct, energy-converting [NiFe]-hydrogenases. Transcription of the hydrogenase genes is regulated in response to the availability of H2 via a histidyl-aspartyl phosphorelay comprising a heterodimeric, regulatory [NiFe]-hydrogenase (RH), a histidine protein kinase and a response regulator. In order to gain insights into the mechanism of H2-mediated signal transduction, conserved amino acid residues close to the NiFe active site of the RH were exchanged. Replacement of the strictly conserved Glu13 within the RH large subunit by glutamine and leucine resulted in the loss of the regulatory, H2-oxidizing and hydrogen/deuterium exchange activities. Infrared spectroscopic analysis revealed, that the RH E13Q and E13L derivatives contained a fully assembled NiFe active site and showed para-/ortho-H2 conversion activity. These results indicated that H2-binding at the active site is not sufficient for H2 sensing. Replacement of Asp15, a residue unique in H2 sensors, by histidine restored the consensus of energy-linked [NiFe]-hydrogenases. The resulting RH mutant protein showed only traces of H2-oxidizing activity, whereas the H/D-exchange activity and the regulatory activity were nearly unaffected. H2-dependent signal transduction in the respective mutant strain was less sensitive to O2 than in the wild type. These results suggest that the H2 sensing is independent of H2 turnover. To get insights into the structure of the RH it was necessary to isolate large amounts of RH. By establishing the Strep-tag technology, allowing a fast, mild and efficient purification, it was possible to isolate the native RH-double dimer as well as the modified monodimeric RHstop protein in sufficient amounts for spectroscopic analyses. X-ray absorption spectroscopy showed for the first time that the RH active site undergoes significant structural changes upon exposure to H2.

Hydrogenasen sind komplexe Enzyme, die die reversible Oxidation von molekularem Wasserstoff zu Protonen und Elektronen katalysieren. Diese Enzyme erlauben ihrem Wirtsorganismus das Wachstum unter chemolithoautotrophen Bedingungen. Der Modellorganismus Ralstonia eutropha besitzt drei gut charakterisierte Hydrogenasen der [NiFe]-Klasse, die sich durch ihre Sauerstofftoleranz auszeichnen. Ihr aktives Zentrum besteht aus einer komplexen prosthetischen Gruppe, welche aus einem Nickel- und einem Eisenatom besteht. Letzteres koordiniert drei diatomare Liganden, zwei Cyanide und ein CO. Die Synthese der gesamten Ni(SR)2(µ-SR)2Fe(CN)2(CO)-Gruppe ist ein komplexer Prozess. Die sogenannte Maturation benötigt wenigstens sechs akzessorische Proteine, die sogenannten Hyp-Proteine. Das umfassende Verständnis dieser Maturationsprozesse ermöglicht eine Vielzahl von biotechnologischen Anwendungen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Maturation unter verschiedenen Gesichtspunkten. Zentrale, offene Fragen sind die Herkunft des Carbonylliganden sowie die Prozesse, die zur Ligandierung des katalytischen Eisens führen. Dazu wurden molekularbiologische, biochemische und spektroskopische Methoden in Verbindung mit Isotopenmarkierung eingesetzt. Unter anderem konnte dabei gezeigt werden, dass das katalytische Eisen alle seine Liganden bereits im HypCD-Komplex, dem zentralen Element der Maturation, erhält. Ferner konnte in dieser Arbeit, erstmalig für [NiFe]-Hydrogenasen, eine konkrete Biosynthese des seltenen und toxischen diatomaren CO-Liganden beschrieben werden. Ausgehend vom Alpha-Kohlenstoff von Glycin wird der Tetrahydrofolat (THF)-abhängige C1-Metabolismus mit C1-Einheiten versorgt. Durch die enzymatische Aktivität von HypX wird die Formylgruppe von N10-Formyl-THF zu CO umgesetzt. / Hydrogenases are complex enzymes that catalyze the reversible oxidation of molecular hydrogen into protons and electrons. These enzymes allow their host organism to grow under chemolithoautotrophic conditions. The model organism Ralstonia eutropha has three well-characterized [NiFe]-hydrogenases, which exhibit an extraordinary high oxygen tolerance. Its active center is a complex prosthetic group which consists of a nickel and iron atom. The latter coordinates three diatomic ligands, two cyanides and one CO. The biosynthesis of the whole Ni(SR)2(μ-SR)2Fe(CN)2(CO)-group is a complex process. This so-called maturation process needs the activity of at least six accessory proteins, the Hyp-proteins. Understanding the maturation allows a variety of biotechnological applications. The present study examines the maturation of [NiFe]-hydrogenases under different aspects. The major questions concern the origin of the carbonyl ligand as well as the processes that lead to ligandation of the designated catalytic iron. To adress these tasks, molecular biological, biochemical and spectroscopic methods in combination with isotopic labeling were employed. Inter alia, it could be shown that the catalytic iron in the HypCD-complex, the central element of the maturation process, contains all three diatomic ligands. Furthermore, this study describes, for the first time in [NiFe]-hydrogenases, a specific biosynthetic route of the rare and toxic diatomic CO-ligand. Starting from the alpha-carbon of glycine the tetrahydrofolate (THF)-dependent one-carbon metabolism is replenished with one-carbon units. Subsequently the formyl group from N10-formyl-THF is hydrolyzed by the enzymatic activity from HypX and further converted to carbon monoxide as determined by isotopic labeling and infrared spectroscopy.

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Enzymsysteme – Ni-haltige Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) und [NiFe]-haltige Hydrogenase – strukturell untersucht. Im 1. Teil werden die Untersuchungen des ACDS-Komplexes aus A. fulgidus mittels Transmissionselektronenmikroskopie (Negativkontrastierung und der Kryo-Einbettung) geschildert. Die 3D-Rekonstruktion mit einer Auflösung von 29 Å wird de novo ermittelt und drei mögliche Positionen für die CODH-Untereinheit vorgeschlagen. Im 2. Teil wird die Röntgenkristallstrukturanalyse der CODH-Untereinheit des ACDS Komplexes aus A. fulgidus geschildert. Das Protein besteht aus α- und ε-Untereinheiten, die zusammen eine α2ε2-Stöchiometrie bilden (Afα2ε). Während die Gesamtstruktur von Afα2ε2 jener von M. barkeri (Mbα2ε2) ähnelt, führt der Austausch der koordinierenden Cys zu Asp und Glu zu einer Deletion des verbrückenden FeS-Zentrums. Die Rolle der ε-Untereinheit wird durch kinetische Studien untersucht. Die CO-abhängige FAD-Reduktionsaktivität von Afα2ε2 folgt einer Michaelis-Menten Kinetik. Die Mbα2ε2 hat ein ähnliches Kinetikverhalten. Im Gegensatz dazu weist die CODH-II von C. hydrogenoformans, die keine ε-Untereinheit hat, eine lineare Abhängigkeit der CO-abhängigen FAD-Reduktionsaktivität von Flavin auf. Diese Beobachtungen sind im Einklang mit der Annahme, dass die ε-Untereinheit ein Gerüst für die Flavinbindung bereitstellt. Der 3. Teil ist der F420-reduzierenden Hydrogenase aus M. barkeri (MbFRH) gewidmet. Die Struktur von MbFRH wird mittels Röntgenkristallographie bestimmt und ergibt eine dodekamerische Anordnung von ca. 1.2 MDa. Zusammen mit der etablierten Elektronenübertragungskette, beobachtet in FRH aus M. marburgensis, wird in MbFRH auch ein [2Fe2S]-Cluster und eine Fe-Stelle detektiert. Schließlich führen die schwingungsspektroskopischen Analysen zusammen mit der Röntgenkristallographie zu dem Schluss, dass MbFRH in einem bisher strukturell nicht charakterisierten, katalytisch aktiven Nia-S Zustand isoliert wird. / In this work, we structurally characterize two metal-based enzyme systems from archaea: Ni-containing CO dehydrogenase (CODH) and [NiFe] containing hydrogenase. In the first chapter we investigate, using transmission electron microscopy, the ACDS complex from A. fulgidus (AfACDS). The purified ACDS complex can be visualized as an intact globular protein particle by negative stain and vitrification techniques. The 3D reconstruction is determined de novo to 29 Å-resolution by single-particle analysis. We suggest three possible positions for the CODH subunit within ACDS by rigid-body fitting. In the second chapter we determine the X-ray crystal structure of the CODH subunit. The 220 kDa protein is composed of α- and ε-subunits that form a heterodimer with (α2ε2) stoichiometry (Afα2ε2). While the overall structure of Afα2ε2 resembles the previously reported structure of the α2ε2-subunit from M. barkeri (Mbα2ε2), the naturally-occurring exchange of the Cys to Asp and Glu results in a depletion of the bridging iron-sulfur cluster. The role of the ε-subunit is investigated by kinetics studies. CO-dependent FAD reduction activity of Afα2ε2 exhibits Michaelis-Menten type kinetics. The same kinetic type is demonstrated for the Mbα2ε2-subunit. In contrast, the ε-subunit lacking CODH-II from C. hydrogenoformans shows linear dependency between CO-dependent FAD reduction activity and flavin concentration. The data suggests that the ε-subunit provides a scaffold for the flavin binding. In the third chapter we study the F420-reducing hydrogenase from M. barkeri (MbFRH). Its structure is solved by X-ray crystallography, revealing a dodecameric arrangement of 1.2 MDa. Along with the established ET chain observed in FRH from M. marburgensis, one solvent-exposed [2Fe2S] cluster and an additional Fe metal site are detected. The combined approach of X-ray crystallography and vibrational spectroscopy reveals that MbFRH is isolated in the previously structurally uncharacterized Nia-S state.