Zahlreiche strikt anaerob lebende Mikroorganismen, darunter acetogene Bakterien, Sulfatreduzierer und methanogene Archaeen, nutzen den reduktiven Acetyl-CoA-Weg zur autotrophen Kohlenstoff-Fixierung oder Energiegewinnung. Die letzten Schritte der Acetyl-CoA-Bildung beruhen hierbei auf dem Zusammenspiel dreier Proteine, dem Corrinoid-Eisen/Schwefel-Protein (CoFeSP), der Methyltetrahydrofolat:CoFeSP-Methyltransferase (MeTr) und dem Acetyl-CoA-Synthase/CO-Dehydrogenase-Komplex (ACS/CODH). In der vorliegenden Arbeit wurde die Substratbindung an MeTr durch thermodynamische und kinetische Messungen untersucht. MeTHF bindet stärker an das Enzym als das demethylierte Produkt Tetrahydrofolat (THF) und scheint dabei einem einstufigen Bindungsmodell zu folgen. Das Substrat wird bei der Bindung an MeTr protoniert, wobei Asn200 eine protonierte H-N5(+)-CH3-Position des MeTHF durch eine alternative Konformation stabilisieren könnte. Asp44 und Asp76 bilden eine funktionelle Dyade bei der Substratbindung, kommen als Protondonoren zur Substrataktivierung jedoch nicht in Frage. Die Kristallstruktur von CoFeSP wurde erstmals vollständig mit der flexiblen N-terminalen [4Fe4S]-Cluster-Bindedomäne bestimmt. Die für die Cobalamin-Bindedomäne erwarteten Konformationsänderungen wurden anhand der Interaktion mit dem reduktiven Aktivator von CoFeSP (RACo) analysiert. Durch Förster-Resonanzenergietransfer wurde eine Annäherung der ortsspezifisch markierten CoFeSP-Positionen beobachtet und anhand des Fluoreszenzsignals die Kinetik der Komplexbildung mit RACo bestimmt. Durch gepulste Elektronendoppelresonanz konnte ebenfalls eine Abstandsänderung nachgewiesen werden. ACS wurde als apo-Enzym gereinigt und durch NiCl2-Rekonstitution in die aktive Form überführt. Durch die Kristallisation der C-terminalen ACS-Domäne wurden hochaufgelöste Strukturen erzeugt, welche eine Diskussion der strukturellen Details des aktiven Zentrums ermöglichen. / Several anaerobic microorganisms, including acetogenic bacteria, sulfate-reducing bacteria and methanogenic archaea operate the reductive acetyl-CoA pathway for autotrophic carbon fixation or to gain energy. The last steps of acetyl-CoA formation rely on three enzymes, the corrinoid-iron/sulfur-protein (CoFeSP), the methyltetrahydrofolate:CoFeSP methyltransferase (MeTr) and the acetyl-CoA synthase/CO dehydrogenase complex (ACS/CODH). Substrate binding to MeTr was investigated by thermodynamic and kinetic meassurements. MeTHF binds slightly stronger than the demethylated product tetrahydrofolate (THF), likely following a simple one-step-binding mechanism. Substrate binding to MeTr is coupled to proton uptake. A H-N5(+)-CH3-transition state of MeTHF could be stabilized by an alternative conformation of Asn200. Asp44 and Asp76 form a functional dyade in substrate binding but can be excluded as proton donors for substrate activation. The crystal structure of CoFeSP was solved completely, including the previously disordered N-terminal [4Fe4S]-cluster binding domain. The expected conformational change of the corrinoid binding domain was characterized by analyzing the interaction between CoFeSP and its reductive activator (RACo). An approach of the labeled CoFeSP positions in the CoFeSP:RACo complex was observed by Förster resonance energy transfer. Based on the corresponding fluorescence signal, the kinetics of complex formation were meassured in solution. Pulsed electron double resonance also showed that the labeled positions approach upon complex formation. Full-length ACS was purified in the apo state. A reconstitution of the A-cluster with NiCl2 resulted in active enzyme. Different crystal structures of the isolated C-terminal domain of ACS were solved at high resolution. Therefore, structural details of the active site could be discussed.

Die Verknüpfung einer exergonischen mit einer endergonischen Reaktion zur Ermöglichung der letzteren ist eine in biologischen Systemen weit verbreitete Strategie. Energetisch benachteiligte Elektronenübertragungsreaktionen im Rahmen der reduktiven Aktivierung von Nitrogenasen, Radikal-abhängigen β,α-Dehydratasen, der zu diesen verwandten Benzoyl-CoA-Reduktasen und diversen Cobalamin-abhängigen Methyltransferasen sind gekoppelt an die Hydrolyse von ATP. Der Methylgruppentransfer des reduktiven Acetyl-CoA-Weges von Carboxydothermus hydrogenoformans erfordert den Co(I)-Zustand des Corrinoid/Eisen-Schwefel Proteins (CoFeSP). Um diese superreduzierte Form nach einer oxidativen Inaktivierung zu regenerieren ist ein „Reparaturmechanismus“ erforderlich. Ein offenes Leseraster (orf7), welches möglicherweise für eine reduktive Aktivase von Corrinoid Enzymen (RACE) kodiert, wurde in dem Gencluster der am reduktiven Acetyl-CoA-Weg beteiligten Proteine entdeckt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses potenzielle RACE Protein biochemisch und strukturell charakterisiert und die ATP-abhängige reduktive Aktivierung von CoFeSP untersucht. Auf Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse wurde ein Mechanismus für die ATP-abhängige Aktivierung entworfen. Dieser gibt Einblicke wie die durch ATP-Hydrolyse bereitgestellte Energie einen energetisch ungünstigen Elektronentransfer ermöglichen kann. Hierzu kombiniert RACo das Ausgleichen von Bindungsenergien mit Modulationen am Elektronenakzeptor. Eine vergleichbare Strategie wurde bisher in keinem anderen ATP-abhängigen Elektronenübertragungssystem wie dem von Nitrogenasen, Radikal-abhängigen β,α-Dehydratasen oder Benzoyl-CoA-Reduktasen beobachtet und könnte ein für RACE Proteine allgemein gültige Eigenschaft darstellen. / The principle of coupling an exergonic to an endergonic reaction to enable the latter is a widespread strategy in biological systems. Unfavoured electron transfer reactions in the reductive activation of nitrogenases, radical-dependent β,α-dehydratases and the related benzoyl- CoA reductases, as well as different cobalamin-dependent methyltransferases are coupled to the hydrolysis of ATP. The reductive acetyl-CoA pathway of Carboxydothermus hydrogenoformans relies on the superreduced Co(I)-state of the corrinoid/iron-sulfur protein (CoFeSP) that requires a “repair mechanism” in case of incidental oxidation. An open reading frame (orf7) coding for a putative reductive activase of corrinoid enzymes (RACE) was discovered in the gene cluster of proteins involved in the reductive acetyl-CoA pathway. In this work, this putative RACE protein was biochemically and structurally characterised and the ATP-dependent reductive activation of CoFeSP was investigated. Based on the results of this study, a mechanism for the ATP-dependent reactivation of CoFeSP was deduced providing insights into how the energy provided by ATP could trigger this unfavourable electron transfer. The reductive activator of CoFeSP combines balance of binding energies and modulations of the electron acceptor to promote the uphill electron transfer to CoFeSP. A comparable strategy has not been observed in other ATP-dependent electron transfer systems like nitrogenases, radical-dependent β,α-dehydratases and benzoyl- CoA reductases and could be a universal feature of RACE proteins.