Enzymkatalyse durch gezielte Kompression sperriger ringförmiger Substrate

Der Hydridtransfer zwischen Methylen-Tetrahydromethanopterin und NADP⁺

Hochaufgelöste Kristallstrukturen von tertiären Methylen-Tetrahydromethanopterin (H₄MPT)-Substrat-Komplexen zeigen, wie die Substrate NADP⁺ und Methylen-H₄MPT zunächst in eine offene katalytische Spalte gebunden und dann durch Verengung der Spalte in eine gespannte aber aktivierte Konformation überführt werden. Die zusammengepressten Substratringe erlauben einen effizienten Hydridtransfer, der vermutlich auf einem Wasserstoff-Tunneleffekt beruht.

Ein Forscherteam der Max-Planck-Institute für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und für Biophysik in Frankfurt untersuchten den Hydridtransfer von Methylentetrahydromethanopterin (Methylen-H₄MPT) auf NADP⁺. Diese von einer Methylen-H₄MPT-Dehydrogenase katalysierte Reaktion stellt einen wichtigen Schritt im Energiemetabolismus von Bakterien dar, die Methanol bzw. Methan zu CO₂ oxidieren. Manchen Bakterien nutzen das Coenzym H₄MPT als Ein-Kohlenstoff (C1)-Überträger bzw. -Aktivator, während die Mehrheit der Mikroorganismen Tetrahydrofolat verwendet. Die Strukturen der Methylen-H₄MPT-Dehydrogenase-NADP⁺-Methylen-/Methenyl⁺ -H₄MPT-Komplexe aus Methylorubrum extorquens wurden bis zu einer Auflösung von 1.08 bzw. 1.5 Å in einer aktiven Konformation bestimmt. Dies erlaubte eine detaillierte Analyse der deformierbaren Substratringe, ihrer konformationellen Änderungen infolge des Schließvorgangs der Bindungsspalte und des Transferwegs des Hydrids.  Der extrem kurze Abstand von 2.5 Å zwischen den Hydrid-übertragenden Nikotinamid-C4- und Imidazolin-C14A-Atomen ist ein Indikator für den auferlegten Druck und lässt auf einen Hydridtransfer auf der Basis eines Wasserstoff-Tunnelmechanismus schließen.