ФеМоко
FeMoco ( FeMo кофактор является основным кофактором нитрогеназы . ) Нитрогеназа — это фермент, который катализирует превращение молекул атмосферного азота N 2 в аммиак (NH 3 ) посредством процесса, известного как азотфиксация . Поскольку он содержит железо и молибден , кофактор называется FeMoco. Его стехиометрия Fe 7 MoS 9 C.
Структура
[ редактировать ]Кофактор FeMo представляет собой кластер состава Fe 7 MoS 9 C. Этот кластер можно рассматривать как две субъединицы, состоящие из одного кластера Fe 4 S 3 ( сульфид железа (III) ) и одного кластера MoFe 3 S 3 . Два кластера связаны тремя сульфидными лигандами и мостиковым атомом углерода. Уникальное железо (Fe) прикреплено к белку с помощью цистеина . Он также связан с тремя сульфидами, что приводит к тетраэдрической геометрии молекулы . Каждый из дополнительных шести центров Fe в кластере связан с тремя сульфидами. Эти шесть внутренних центров Fe образуют тригональное призматическое расположение вокруг центрального карбидного центра. Молибден присоединен к трем сульфидам и прикреплен к белку имидазольной группой остатка гистидина. С Mo также связан бидентатный гомоцитратный кофактор, что приводит к октаэдрической геометрии. [2] Кристаллографический анализ белка MoFe первоначально выявил геометрию и химический состав FeMoco. [3] [4] [5] позже подтверждено расширенными исследованиями тонкой структуры рентгеновского поглощения (EXAFS). [6] Расстояния Fe-S, Fe-Fe и Fe-Mo были определены как 2,32, 2,64 и 2,73 Å соответственно. [6]
Биосинтез
[ редактировать ]Биосинтез FeMoco представляет собой сложный процесс, требующий нескольких продуктов гена Nif , в частности продуктов nifS, nifQ, nifB, nifE, nifN, nifV, nifH, nifD и nifK (экспрессируемых в виде белков NifS, NifU и т. д.). Предполагается, что сборку FeMoco инициируют NifS и NifU, которые мобилизуют Fe и сульфид в небольшие фрагменты Fe-S. Эти фрагменты переносятся на каркас NifB и организуются в кластер Fe 7 MoS 9 C перед переносом на белок NifEN (кодируемый nifE и nifN) и реаранжируются перед доставкой к белку MoFe. [7] В биосинтезе участвуют и другие факторы. Например, NifV — это гомоцитратсинтаза , которая доставляет гомоцитрат в FeMoco. Предполагается, что NifV, белковый фактор, участвует в хранении и/или мобилизации Mo. Белок Fe является донором электронов для белка MoFe. Эти факторы биосинтеза были выяснены и охарактеризованы с точными функциями и последовательностью, подтвержденными биохимическими, спектроскопическими и структурными анализами.
Идентичность основного атома
[ редактировать ]Три белка, которые играют непосредственную роль в синтезе М-кластера, — это NifH, NifEN и NifB. Белок NifB отвечает за сборку ядра Fe-S кофактора; процесс, который включает в себя сшивание двух кластеров [4Fe-4S]. NifB принадлежит к суперсемейству ферментов SAM (S-аденозил-L-метионин). Во время биосинтеза кофактора FeMo NifB и его кофактор SAM непосредственно участвуют во внедрении атома углерода в центр комплекса Fe-S. Эквивалент SAM отдает метильную группу, которая становится межузельным карбидом М-кластера. Метильная группа SAM мобилизуется путем радикального удаления H с помощью 5'-дезоксиаденозинового радикала (5'-dA·). Предположительно, образуется переходный радикал –CH2·, который в последующем включается в металлический кластер, образуя разновидность карбида Fe 6 . Межузельный углерод остается связанным с кофактором FeMo после внедрения в нитрогеназу. [8] Природа центрального атома FeMoco как разновидности углерода была установлена в 2011 году. [5] [9] Подход к идентификации основывался на сочетании 13 С/ 15 N-мечение и импульсная ЭПР-спектроскопия , а также рентгеновские кристаллографические исследования при полном атомном разрешении. [5] Кроме того, рентгеновская дифрактометрия была использована для проверки наличия центрального атома углерода в середине кофактора FeMo, а рентгеновские эмиссионные спектроскопические исследования показали, что центральным атомом является углерод из-за перехода 2p → 1s углерод-железо. [9] Использование рентгеновской кристаллографии показало, что, хотя кофактор FeMo не находится в каталитической форме, углерод сохраняет структуру жесткой, что помогает описать реакционную способность нитрогеназы.
Электронные свойства
[ редактировать ]Согласно анализу методом электронной парамагнитной резонансной спектроскопии , состояние покоя кофактора FeMo имеет спиновое состояние S=3/2. При одноэлектронном восстановлении кофактор становится молчащим по ЭПР. Понимание процесса переноса электрона в белковом аддукте позволяет получить более точную кинетическую модель кофактора FeMo. [10] Расчеты по теории функционала плотности, а также уточнение аномальной дисперсии с пространственным разрешением показали, что формальной степенью окисления является Mo. IV -2Fe II -5Fe III -С 4− -ЧАС + , но «истинные» степени окисления не подтверждены экспериментально. [11] [12]
Связывание подложки
[ редактировать ]Место прикрепления субстрата к комплексу еще предстоит выяснить. Считается, что в активации субстрата участвуют ближайшие к межузельному углероду атомы Fe, однако терминальный молибден также является кандидатом на азотфиксацию. [13] Рентгеновские кристаллографические исследования с использованием белка MoFe и монооксида углерода (CO), который изоэлектронен диазоту, продемонстрировали, что монооксид углерода связывается с краем Fe2-Fe6 FeMoco. [14] Дополнительные исследования показали одновременное связывание двух молекул CO с FeMoco, что обеспечивает структурную основу биологической химии типа Фишера-Тропша . [15] [16] Исследования внедрения Se в сочетании с рентгеновской кристаллографией с временным разрешением продемонстрировали серьезные структурные перестройки в структуре FeMoco в результате событий связывания субстрата. [17]
Изоляция
[ редактировать ]Выделение кофактора FeMo из нитрогеназы осуществляется путем центрифугирования нитрогеназы в белок MoFe и белок Fe. Кофактор FeMo экстрагируется путем обработки белка MoFe кислотами. Первую экстракцию проводят N,N-диметилформамидом , а вторую - смесью N-метилформамида и Na 2 HPO 4 перед окончательным осаждением центрифугированием. [18]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эйнсле О, Рис, округ Колумбия (июнь 2020 г.). «Структурная энзимология ферментов нитрогеназы» . Химические обзоры . 120 (12): 4969–5004. doi : 10.1021/acs.chemrev.0c00067 . ПМЦ 8606229 . ПМИД 32538623 . S2CID 219703833 .
- ^ Ли Дж.Дж. (2002). «Глава 5: Структура и спектроскопические свойства металло-серных кластеров». Азотфиксация в эпоху тысячелетия . Амстердам: Elsevier Science BV, стр. 209–210. ISBN 978-0-444-50965-9 .
- ^ Ким Дж., Рис, округ Колумбия (сентябрь 1992 г.). «Структурные модели металлоцентров в белке нитрогеназы молибден-железо». Наука . 257 (5077): 1677–1682. Бибкод : 1992Sci...257.1677K . дои : 10.1126/science.1529354 . ПМИД 1529354 .
- ^ Эйнсле О, Тезкан Ф.А., Андраде С.Л., Шмид Б., Йошида М., Ховард Дж.Б., Рис Д.С. (сентябрь 2002 г.). «Нитрогеназа MoFe-белок с разрешением 1,16 А: центральный лиганд в FeMo-кофакторе» . Наука . 297 (5587): 1696–1700. Бибкод : 2002Sci...297.1696E . дои : 10.1126/science.1073877 . ПМИД 12215645 . S2CID 29558745 .
- ^ Перейти обратно: а б с Райхер М., Вибе Н., Своре К.М., Векер Д., Тройер М. (июль 2017 г.). «Выяснение механизмов реакций на квантовых компьютерах» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (29): 7555–7560. arXiv : 1605.03590 . Бибкод : 2017PNAS..114.7555R . дои : 10.1073/pnas.1619152114 . ПМК 5530650 . ПМИД 28674011 .
- ^ Перейти обратно: а б Роат-Мэлоун РМ (2002). «Глава 6: Структура белка MoFe». Бионеорганическая химия . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 253–254. ISBN 978-0-471-26533-7 .
- ^ Ху Ю, Риббе М.В. (май 2011 г.). «Биосинтез нитрогеназы FeMoco» . Обзоры координационной химии . 255 (9–10): 1218–1224. дои : 10.1016/j.ccr.2010.11.018 . ПМК 3077758 . ПМИД 21503270 .
- ^ Боал АК, Розенцвейг АК (сентябрь 2012 г.). «Биохимия. Радикальный путь внедрения карбида нитрогеназы». Наука . 337 (6102): 1617–1618. Бибкод : 2012Sci...337.1617B . дои : 10.1126/science.1229088 . ПМИД 23019640 . S2CID 98713038 .
- ^ Перейти обратно: а б Ланкастер К.М., Ремельт М., Эттенхубер П., Ху Ю., Риббе М.В., Низ Ф. и др. (ноябрь 2011 г.). «Рентгеновская эмиссионная спектроскопия свидетельствует о наличии центрального углерода в железомолибденовом кофакторе нитротазы» . Наука . 334 (6058): 974–977. Бибкод : 2011Sci...334..974L . дои : 10.1126/science.1206445 . ПМЦ 3800678 . ПМИД 22096198 .
- ^ Берджесс Б.К., Лоу DJ (ноябрь 1996 г.). «Механизм нитрогеназы молибдена». Химические обзоры . 96 (7): 2983–3012. дои : 10.1021/cr950055x . ПМИД 11848849 .
- ^ Харрис ТВ, Силадьи РК (июнь 2011 г.). «Сравнительная оценка состава и зарядового состояния нитрогеназы FeMo-кофактора» . Неорганическая химия . 50 (11): 4811–4824. дои : 10.1021/ic102446n . ПМК 3105220 . ПМИД 21545160 .
- ^ Спатцал Т., Шлезье Дж., Бургер Э.М., Сиппель Д., Чжан Л., Андраде С.Л. и др. (март 2016 г.). «Нитрогеназа FeMoco исследована методом аномального уточнения дисперсии с пространственным разрешением» . Природные коммуникации . 7 (1): 10902. Бибкод : 2016NatCo...710902S . дои : 10.1038/ncomms10902 . ПМЦ 4793075 . ПМИД 26973151 .
- ^ Холлмен П.П., Кестнер Дж. (июнь 2015 г.). «Связывание N2 с кофактором FeMo нитрогеназы». Журнал неорганической и общей химии . 641 (1): 118–122. дои : 10.1002/zaac.201400114 .
- ^ Спатцаль Т., Перес К.А., Эйнсле О., Ховард Дж.Б., Рис, округ Колумбия (сентябрь 2014 г.). «Связывание лиганда с FeMo-кофактором: структуры CO-связанной и реактивированной нитрогеназы» . Наука . 345 (6204): 1620–1623. Бибкод : 2014Sci...345.1620S . дои : 10.1126/science.1256679 . ПМК 4205161 . ПМИД 25258081 .
- ^ Бускаган Т.М., Перес К.А., Маджиоло А.О., Рис Д.К., Спатцаль Т. (март 2021 г.). «Структурная характеристика двух молекул CO, связанных с активным центром нитрогеназы» . Ангеванде Хеми . 60 (11): 5704–5707. дои : 10.1002/anie.202015751 . ПМЦ 7920927 . ПМИД 33320413 .
- ^ Роде М., Лаун К., Зебгер И., Стрип С.Т., Эйнсл О. (май 2021 г.). «Два сайта связывания лиганда в CO-восстанавливающей V-нитрогеназе раскрывают общий принцип механизма» . Достижения науки . 7 (22). Бибкод : 2021SciA....7.4474R . дои : 10.1126/sciadv.abg4474 . ПМК 8163085 . ПМИД 34049880 .
- ^ Спатцаль Т., Перес К.А., Ховард Дж.Б., Рис, округ Колумбия (декабрь 2015 г.). «Катализ-зависимое включение и миграция селена в железомолибденовом кофакторе активного центра нитрогеназы» . электронная жизнь . 4 : е11620. дои : 10.7554/eLife.11620 . ПМЦ 4755756 . ПМИД 26673079 .
- ^ Берджесс Б.К., Джейкобс Д.Б., Стифель Э.И. (июль 1980 г.). «Крупномасштабная очистка высокоактивной нитрогеназы Azotobacter vinelandII». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 614 (1): 196–209. дои : 10.1016/0005-2744(80)90180-1 . ПМИД 6930977 .