Combination of advanced X-ray spectroscopy and quantum chemistry to determine electronic structures of metal-organic cofactors in proteins

Abstract

Proteins with metal cofactors (metalloproteins) are capable to facilitate a large variety of chemical processes and are involved in the most challenging catalytic reactions e.g. activating small and stable molecules like N2, CO2, H2, H2O, CH4 and O2 with superior energetic efficiency and turnover rates. Each of these processes was optimized for millennia in nature under conditions of high interest for industrial application such as atmospheric pressure, room temperature and neutral pH, while utilizing earth abundant elements. Understanding of these enzymatic reactions and metal-ligand bonding thus will be helpful in addressing challenges in synthetic catalysts. Advanced X-ray absorption and emission spectroscopy (XAS/XES) allows to determine the oxidation and spin state of metal cofactors by probing unoccupied and occupied electronic states. However, metal cofactors in reactive high-valent states are prone to radiation damage. In this thesis, XAS/XES data collection was significantly accelerated by development of time-resolved energy-sampling (TRES) detection approaches and efficiency evaluation in comparison with conventional measurement approaches. TRES facilitated monitoring of weak spectral XES features with high signal-to-noise ratio on highly diluted and X-ray sensitive materials. Quantitative correlation of XAS/XES data with quantum chemical (QC) simulations derived from density functional theory (DFT) or the complete active space self-consistent field (CASSCF) approach from molecular orbital theory allows description of key structural and electronic parameters in metalloproteins and synthetic compounds. In this thesis, QC calculation protocols were established in our laboratory and spectral simulations were benchmarked with XAS/XES data from selected metalloproteins and synthetic compounds with a special focus on heme proteins. The heme group is the dominant cofactor in proteins that involve oxygen as reactant. Hemoglobin (HB) and myoglobin (MB) are essential for transport, storage and sensing of molecular oxygen in vertebrates and their physiological function has been investigated for more than a century. However, the nature of the electronic configuration of the Fe – O2 bonding in oxygenated HB/MB (oxy) was not settled so far. Mostly differing in the spin state of Fe and the O2 ligand, apparent contradictory models have dominated the debate. We combined advanced XAS/XES with QC simulations from DFT and CASSCF to determine the electronic configuration of HB/MB in different ligation states and three porphyrin model compounds. Our finding on the spin state and electronic configuration in oxygenated heme in HB and MB provided an adequate description of the metal-ligand interaction, which merged the classical models in a holistic description of the Fe – O2 bonding situation.

Proteine mit metallischen Kofaktoren (Metalloproteine) vollführen eine große Bandbreite an chemischen Prozessen und sind involviert in anspruchsvolle katalytische Reaktionen, z. B. die Aktivierung von kleinen und stabilen Molekülen wie N2, H2, H2O, CH4 und O2, mit hoher energetischer Effizienz und Umsetzungsrate. Jeder dieser Prozesse wurde über Jahrmillionen von der Natur optimiert unter Konditionen, die von hohem Interesse für industrielle Anwendung sind, wie Atmosphärendruck, Raumtemperatur und neutralem pH, unter Einsatz von weitverbreiteten Elementen. Das Verständnis dieser enzymatischen Reaktionen und der Metall-Liganden Bindungen wird daher helfen, Herausforderungen in synthetischer Katalyse zu begegnen. Fortschrittliche Röntgenabsorptions- und Röntgenemissionsspektroskopie (RAS/RES) ermöglicht die Bestimmung von Oxidations- und Spinzustand von metallischen Kofaktoren durch Detektieren von unbesetzten und besetzten elektronischen Zuständen. Jedoch sind metallische Kofaktoren in hoch reaktiven hochvalenten Zuständen anfällig für Strahlenschäden. In dieser Arbeit wurde die Messung von RAS/RES Daten durch Entwicklung einer Messmethode mit zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen (ZAFM) und Evaluierung der Messeffizienz im Vergleich zu konventionellen Ansätzen signifikant beschleunigt. ZAFM ermöglichte die Detektion von schwachen spektralen Merkmalen mit hohem Signal-Rausch Verhältnis von dünn konzentrierten und hoch strahlungssensitiven Proben. Quantitative Korrelation von RAS/RES Daten mit quantenchemischen (QC) Kalkulationen aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder der complete active space self-consistent field (CASSCF) Methode als Teil der Molekülorbitaltheorie (MO-Theorie) ermöglicht die Beschreibung von wichtigen strukturellen und elektronischen Parametern in Metalloproteinen und synthetischen Verbindungen. QC Kalkulationen wurden während dieser Arbeit in unserem Labor etabliert und die Simulation von spektralen Merkmalen verifiziert mit RAS/RES Daten von ausgewählten Metalloproteinen und synthetischen Verbindungen. Ein Fokus wurde insbesondere auf Proteine der Hämgruppe gelegt, welche der dominante Kofaktor bei Sauerstoffreaktionen ist. Hämoglobin (HB) und Myoglobin (MB) sind essenziell für Transport, Aufbewahrung und Detektion von molekularem Sauerstoff in Wirbeltieren und deren physiologische Funktion seit mehr als einem Jahrhundert untersucht. Nichtsdestotrotz wurde die Natur der elektronischen Konfiguration in mit Sauerstoff angereichertem HB/MB (oxy) noch nicht hinreichend geklärt. Die sich widersprechenden, debattierten Modelle unterscheiden sich hauptsächlich im Spinzustand des Fe Atoms und des O2 Liganden. Wir haben fortschrittliche RAS/RES mit QC Simulationen kombiniert um die elektronische Konfiguration von HB/MB in verschiedenen Präparationen und drei Porphyrin Modelkomplexen, zu untersuchen. Unsere Ergebnisse bezüglich des Spinzustandes und der elektronischen Konfiguration in oxy HB und MB lieferte eine adäquate Beschreibung der Metall-Liganden Interaktion und vereinte die klassischen Modelle in ein holistisches Bild der Fe – O2 Bindung.