Models of the Ni-L and Ni-SIa States of the [NiFe]-Hydrogenase Active Site

Inorganic Chemistry

Volumn 55, Issue 2, 2016, Pages 419-431

  Chambers, Geoffrey M ^a,b   Huynh, Mioy T ^a   Li, Yulong ^a   Hammes Schiffer, Sharon ^a   Rauchfuss, Thomas B ^a,b   Reijerse, Edward ^c   Lubitz, Wolfgang ^c  

^a UNIVERSITY OF ILLINOIS AT URBANA CHAMPAIGN   (United States)

^b KYUSHU UNIVERSITY   (Japan)

^c MAX PLANCK INSTITUTE FOR CHEMICAL ENERGY CONVERSION   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

HYDROGENASE; NICKEL; NICKEL-IRON HYDROGENASE;

CATALYSIS; CHEMISTRY; ELECTRON SPIN RESONANCE; ENZYME ACTIVE SITE; MOSSBAUER SPECTROSCOPY; THERMODYNAMICS;

CATALYSIS; CATALYTIC DOMAIN; ELECTRON SPIN RESONANCE SPECTROSCOPY; HYDROGENASE; NICKEL; SPECTROSCOPY, MOSSBAUER; THERMODYNAMICS;

EID: 84955316024     PISSN: 00201669     EISSN: 1520510X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5b01662     Document Type: Review

References (87)

1. Bullock, R. M.; Appel, A. M.; Helm, M. L. Chem. Commun. 2014, 50, 3125 10.1039/c3cc46135a
2. Wang, M.; Chen, L.; Sun, L. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6763 10.1039/c2ee03309g
3. Lansing, J. C.; Manor, B. C.; Rauchfuss, T. B. In Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry; Scott, R. A., Ed.; John Wiley: Chichester, U.K., 2014.
4. Bioinspired Catalysis; Schollhammer, P.; Weigand, W., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2014.
5. Frey, M. ChemBioChem 2002, 3, 153 10.1002/1439-7633(20020301)3:2/3<153::AID-CBIC153>3.0.CO;2-B
6. Lubitz, W.; Ogata, H.; Rüdiger, O.; Reijerse, E. Chem. Rev. 2014, 114, 4081 10.1021/cr4005814
7. Tard, C.; Pickett, C. J. Chem. Rev. 2009, 109, 2245 10.1021/cr800542q
8. Parkin, A.; Sargent, F. Curr. Opin. Chem. Biol. 2012, 16, 26 10.1016/j.cbpa.2012.01.012
9. Wulff, P.; Day, C. C.; Sargent, F.; Armstrong, F. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2014, 111, 6606 10.1073/pnas.1322393111
10. Berggren, G.; Adamska, A.; Lambertz, C.; Simmons, T. R.; Esselborn, J.; Atta, M.; Gambarelli, S.; Mouesca, J. M.; Reijerse, E.; Lubitz, W.; Happe, T.; Artero, V.; Fontecave, M. Nature 2013, 499, 66 10.1038/nature12239
11. Carroll, M. E.; Barton, B. E.; Rauchfuss, T. B.; Carroll, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18843 10.1021/ja309216v
12. Ohki, Y.; Tatsumi, K. Eur. J. Inorg. Chem. 2011, 2011, 973 10.1002/ejic.201001087
13. Chiou, T.-W.; Liaw, W.-F. C. R. Chim. 2008, 11, 818 10.1016/j.crci.2008.04.003
14. Barton, B. E.; Rauchfuss, T. B. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14877 10.1021/ja105312p
15. Manor, B. C.; Rauchfuss, T. B. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11895 10.1021/ja404580r
16. Ogo, S.; Ichikawa, K.; Kishima, T.; Matsumoto, T.; Nakai, H.; Kusaka, K.; Ohhara, T. Science 2013, 339, 682 10.1126/science.1231345
17. Ogata, H.; Nishikawa, K.; Lubitz, W. Nature 2015, 520, 571 10.1038/nature14110
18. Jiang, J.; Maruani, M.; Solaimanzadeh, J.; Lo, W.; Koch, S. A.; Millar, M. Inorg. Chem. 2009, 48, 6359 10.1021/ic900929u
19. Krämer, T.; Kampa, M.; Lubitz, W.; van Gastel, M.; Neese, F. ChemBioChem 2013, 14, 1898 10.1002/cbic.201300104
20. Kampa, M.; Lubitz, W.; van Gastel, M.; Neese, F. JBIC, J. Biol. Inorg. Chem. 2012, 17, 1269 10.1007/s00775-012-0941-9
21. Schilter, D.; Nilges, M. J.; Chakrabarti, M.; Lindahl, P. A.; Rauchfuss, T. B.; Stein, M. Inorg. Chem. 2012, 51, 2338-2348 10.1021/ic202329y
22. Huynh, M. T.; Schilter, D.; Hammes-Schiffer, S.; Rauchfuss, T. B. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 12385 10.1021/ja505783z
23. Carroll, M. E.; Chen, J.; Gray, D. E.; Lansing, J. C.; Rauchfuss, T. B.; Schilter, D.; Volkers, P. I.; Wilson, S. R. Organometallics 2014, 33, 858 10.1021/om400752a
24. De Lacey, A. L.; Fernández, V. M.; Rousset, M.; Cammack, R. Chem. Rev. 2007, 107, 4304 10.1021/cr0501947
25. Siegbahn, P. E. M.; Tye, J. W.; Hall, M. B. Chem. Rev. 2007, 107, 4414 10.1021/cr050185y
26. Wu, H.; Hall, M. B. C. R. Chim. 2008, 11, 790 10.1016/j.crci.2008.04.005
27. Hidalgo, R.; Ash, P. A.; Healy, A. J.; Vincent, K. A. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 7110 10.1002/anie.201502338
28. Greene, B. L.; Wu, C.-H.; McTernan, P. M.; Adams, M. W. W.; Dyer, R. B. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4558 10.1021/jacs.5b01791
29. Schilter, D.; Rauchfuss, T. B.; Stein, M. Inorg. Chem. 2012, 51, 8931 10.1021/ic300910r
30. Priego, J. L.; Doerrer, L. H.; Rees, L. H.; Green, M. L. H. Chem. Commun. 2000, 779 10.1039/b001190h
31. Seiler, P.; Dunitz, J. D. Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Crystallogr. Cryst. Chem. 1980, 36, 2255 10.1107/S0567740880008539
32. Byers, L. R.; Dahl, L. F. Inorg. Chem. 1980, 19, 680 10.1021/ic50205a021
33. Lubitz, W.; van Gastel, M.; Gärtner, W. In Nickel and Its Surprising Impact in Nature; Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R. K. O., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2007; p 279.
34. Carroll, M. E.; Chen, J. Z.; Gray, D. E.; Lansing, J. C.; Rauchfuss, T. B.; Schilter, D.; Volkers, P. I.; Wilson, S. R. Organometallics 2014, 33, 858 10.1021/om400752a
35. Kellers, P.; Pandelia, M.-E.; Currell, L. J.; Görner, H.; Lubitz, W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 8680 10.1039/b913635e
36. Pandelia, M.-E.; Infossi, P.; Stein, M.; Giudici-Orticoni, M.-T.; Lubitz, W. Chem. Commun. 2012, 48, 823 10.1039/C1CC16109A
37. Kampa, M.; Pandelia, M.-E.; Lubitz, W.; van Gastel, M.; Neese, F. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 3915 10.1021/ja3115899
38. Gütlich, P.; Bill, E.; Trautwein, A. X. Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. Fundamentals and Applications; Springer: Berlin, 2011.
39. Pandelia, M.-E.; Bykov, D.; Izsak, R.; Infossi, P.; Giudici-Orticoni, M.-T.; Bill, E.; Neese, F.; Lubitz, W. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 483 10.1073/pnas.1202575110
40. Surerus, K. K.; Chen, M.; van der Zwaan, J. W.; Rusnak, F. M.; Kolk, M.; Duin, E. C.; Albracht, S. P. J.; Muenck, E. Biochemistry 1994, 33, 4980 10.1021/bi00182a029
41. Pereira, A. S.; Tavares, P.; Moura, I.; Moura, J. J. G.; Huynh, B. H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 2771 10.1021/ja003176+
42. Popescu, C. V.; Münck, E. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 7877 10.1021/ja991243y
43. Zhu, W.; Marr, A. C.; Wang, Q.; Neese, F.; Spencer, D. J. E.; Blake, A. J.; Cooke, P. A.; Wilson, C.; Schröder, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005, 102, 18280 10.1073/pnas.0505779102
44. Schilter, D.; Pelmenschikov, V.; Wang, H.; Meier, F.; Gee, L. B.; Yoda, Y.; Kaupp, M.; Rauchfuss, T. B.; Cramer, S. P. Chem. Commun. 2014, 50, 13469 10.1039/C4CC04572F
45. Pipek, J.; Mezey, P. G. J. Chem. Phys. 1989, 90, 4916 10.1063/1.456588
46. Glendening, E. D.; Reed, A. E.; Carpenter, J. E.; Weinhold, F. NBO, version 3.1; University of Wisconsin System: Madison, WI, 1996.
47. Pool, D. H.; DuBois, D. L. J. Organomet. Chem. 2009, 694, 2858 10.1016/j.jorganchem.2009.04.010
48. Wang, W.; Rauchfuss, T. B.; Moore, C. E.; Rheingold, A. L.; De Gioia, L.; Zampella, G. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 15476 10.1002/chem.201303351
49. Li, Z.; Ohki, Y.; Tatsumi, K. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8950 10.1021/ja051590+
50. Pandelia, M.-E.; Ogata, H.; Currell, L. J.; Flores, M.; Lubitz, W. Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 2010, 1797, 304 10.1016/j.bbabio.2009.11.002
51. Weber, K.; Krämer, T.; Shafaat, H. S.; Weyhermüller, T.; Bill, E.; van Gastel, M.; Neese, F.; Lubitz, W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20745 10.1021/ja309563p
52. Chambers, G. M.; Mitra, J.; Rauchfuss, T. B.; Stein, M. Inorg. Chem. 2014, 53, 4243 10.1021/ic500389p
53. Tschierlei, S.; Ott, S.; Lomoth, R. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2340 10.1039/c0ee00708k
54. Gloaguen, F.; Rauchfuss, T. B. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 100 10.1039/B801796B
55. Reijerse, E.; Lendzian, F.; Isaacson, R.; Lubitz, W. J. Magn. Reson. 2012, 214, 237 10.1016/j.jmr.2011.11.011
56. Stoll, S.; Schweiger, A. J. Magn. Reson. 2006, 178, 42 10.1016/j.jmr.2005.08.013
57. Salzer, A.; Werner, H. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1972, 11, 930 10.1002/anie.197209301
58. de Beer, J. A.; Haines, R. J. J. Organomet. Chem. 1972, 36, 297 10.1016/S0022-328X(00)80678-6
59. Perdew, J. P. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1986, 33, 8822 10.1103/PhysRevB.33.8822
60. Becke, A. D. Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. 1988, 38, 3098 10.1103/PhysRevA.38.3098
61. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648 10.1063/1.464913
62. Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787 10.1002/jcc.20495
63. Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2006, 125, 194101 10.1063/1.2370993
64. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1997, 107, 8554 10.1063/1.475007
65. Kamiya, M.; Tsuneda, T.; Hirao, K. J. Chem. Phys. 2002, 117, 6010 10.1063/1.1501132
66. Chai, J.-D.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6615 10.1039/b810189b
67. Dolg, M.; Wedig, U.; Stoll, H.; Preuss, H. J. Chem. Phys. 1987, 86, 866 10.1063/1.452288
68. Hariharan, P. C.; Pople, J. A. Theoret. Chim. Acta 1973, 28, 213 10.1007/BF00533485
69. Hehre, W. J.; Ditchfield, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1972, 56, 2257 10.1063/1.1677527
70. Francl, M. M.; Pietro, W. J.; Hehre, W. J.; Binkley, J. S.; Gordon, M. S.; DeFrees, D. J.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1982, 77, 3654 10.1063/1.444267
71. Barone, V.; Cossi, M. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 1995 10.1021/jp9716997
72. Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Barone, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669 10.1002/jcc.10189
73. Bondi, A. J. Phys. Chem. 1964, 68, 441 10.1021/j100785a001
74. Floris, F.; Tomasi, J. J. Comput. Chem. 1989, 10, 616 10.1002/jcc.540100504
75. Floris, F. M.; Tomasi, J.; Ahuir, J. L. P. J. Comput. Chem. 1991, 12, 784 10.1002/jcc.540120703
76. Pierotti, R. A. Chem. Rev. 1976, 76, 717 10.1021/cr60304a002
77. Alecu, I. M.; Zheng, J.; Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 2872 10.1021/ct100326h
78. Peng, C.; Bernhard Schlegel, H. Isr. J. Chem. 1993, 33, 449 10.1002/ijch.199300051
79. Peng, C.; Ayala, P. Y.; Schlegel, H. B.; Frisch, M. J. J. Comput. Chem. 1996, 17, 49 10.1002/(SICI)1096-987X(19960115)17:1<49::AID-JCC5>3.3.CO;2-#
80. Page, M.; McIver, J. W. J. Chem. Phys. 1988, 88, 922 10.1063/1.454172
81. Koseki, S.; Gordon, M. S. J. Phys. Chem. 1989, 93, 118 10.1021/j100338a027
82. Solis, B. H.; Hammes-Schiffer, S. Inorg. Chem. 2011, 50, 11252 10.1021/ic201842v
83. Fernandez, L. E.; Horvath, S.; Hammes-Schiffer, S. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 3171 10.1021/jp210690q
84. Solis, B. H.; Hammes-Schiffer, S. Inorg. Chem. 2014, 53, 6427 10.1021/ic5002896
85. Qi, X.-J.; Fu, Y.; Liu, L.; Guo, Q.-X. Organometallics 2007, 26, 4197 10.1021/om0702429
86. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery, J. A., Jr.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M.; Heyd, J. J.; Brothers, E.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, J. M.; Klene, M.; Knox, J. E.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, revision D.01; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2010.
87. Roncaroli, F.; Bill, E.; Friedrich, B.; Lenz, O.; Lubitz, W.; Pandelia, M. E. Chem. Sci. 2015, 6, 4495-4507 10.1039/C5SC01560J