Фемоко - FeMoco

Структура кофактора FeMo с указанием сайтов связывания с нитрогеназой. Указаны аминокислоты цистеин (Cys) и гистидин (His).

FeMoco ( ферромолибден кофактор ) является основным кофактором из нитрогеназа . Нитрогеназа - это фермент, который катализирует превращение молекул азота из атмосферы N 2 в аммиак (NH 3 ) посредством процесса, известного как фиксация азота . Кофактор, содержащий железо и молибден , называется FeMoco. Его стехиометрия - Fe 7 MoS 9 C.

Состав

Кофактор FeMo представляет собой кластер с составом Fe 7 MoS 9 C. Fe является химическим символом элемента железа (железа), а Mo является символом молибдена . Этот большой 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. Уникальное железо (Fe) , прикрепляется 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 тригонально-призматическое расположение вокруг центрального карбидного центра. Молибден присоединен к трем сульфидам и прикреплен к белку имидазольной группой остатка гистидина. Также с Мо связан бидентатный гомоцитратный кофактор, приводящий к октаэдрической геометрии. Кристаллографический анализ белка MoFe первоначально предполагал геометрию FeMoco, что было подтверждено расширенными исследованиями тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (EXAFS). Расстояния Fe-S, Fe-Fe и Fe-Mo были определены как 2,32, 2,64 и 2,73 Å соответственно.

Электронные свойства FeMoco

Согласно анализу с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса , состояние покоя кофактора FeMo имеет спиновое состояние S = 3/2. При одноэлектронном восстановлении кофактор становится бесшумным. Понимание процесса, в котором электрон переносится в белковом аддукте, показывает более точную кинетическую модель кофактора FeMo. Расчеты по теории функционала плотности показали, что формальной степенью окисления является Mo IV -2Fe II -5Fe III -C 4- -H + , но «истинные» степени окисления не были подтверждены экспериментально.

Биосинтез

Биосинтез FeMoco - сложный процесс, требующий нескольких продуктов гена Nif, в частности продуктов nifS, nifQ, nifB, nifE, nifN, nifV, nifH, nifD и nifK (выраженных как белки NifS, NifU и т. Д.). Предполагается, что сборка FeMoco инициируется NifS и NifU, которые мобилизуют Fe и сульфид в небольшие фрагменты Fe-S. Эти фрагменты переносятся на каркас NifB и собираются в кластер Fe 7 MoS 9 C перед переносом в белок NifEN (кодируемый nifE и nifN) и перегруппировываются перед доставкой в ​​белок MoFe. В биосинтезе участвует несколько других факторов. Например, NifV - это гомоцитрат-синтаза, которая обеспечивает гомоцитрат FeMoco. Предполагается, что NifV, белковый фактор, участвует в хранении и / или мобилизации Mo. Белок Fe является донором электронов для белка 6 MoFe . Эти биосинтетические факторы были выяснены и охарактеризованы с точными функциями и последовательностью, подтвержденными биохимическим, спектроскопическим и структурным анализами.

Изоляция

Выделение кофактора FeMo из нитрогеназы осуществляется путем центрифугирования нитрогеназы в белок MoFe и белок Fe. Кофактор FeMo экстрагируется обработкой белка MoFe кислотами. Первая экстракция выполняется N, N-диметилформамидом, а вторая - смесью N-метилформамида и Na 2 HPO 4 перед окончательным осаждением центрифугированием.

Идентичность основного атома в кофакторе

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 карбидом внедрения М-кластера. Метильная группа SAM мобилизуется путем радикального удаления H 5'-дезоксиаденозиновым радикалом (5'-dA ·). Предположительно, образуется переходный радикал –CH2 ·, который затем встраивается в металлический кластер, образуя карбид Fe 6 . Межузельный углерод остается связанным с кофактором FeMo после введения в нитрогеназу. Центральный атом углерода был подтвержден мечением 13 C с детектированием с помощью импульсной спектроскопии ЭПР. Помимо спектроскопии ЭПР, рентгеновская дифрактометрия использовалась для проверки наличия центрального атома в середине кофактора FeMo, а рентгеновские эмиссионные спектроскопические исследования показали, что центральный атом был углеродом из-за перехода углерод-железо 2p → 1s. . Использование рентгеновской кристаллографии показало, что, хотя кофактор FeMo не находится в каталитической форме, углерод сохраняет структуру жесткой, что помогает описать реакционную способность нитрогеназы.

Связывание субстратов

Место прикрепления субстрата к комплексу еще не выяснено. Считается, что атомы Fe, наиболее близкие к межузельному углероду, участвуют в активации субстрата, но концевой молибден также является кандидатом для фиксации азота.

Рекомендации

  1. ^ GJ Leigh. Гл. 5 Структура и спектроскопические свойства металло-серных кластеров. Азотфиксация на тысячелетии. Elsevier Science BV, Амстердам, 2002. 209–210. ISBN   9780444509659 .
  2. ^ Ким, J; Рис, округ Колумбия (1992). «Структурные модели металлических центров в белке молибден-железо нитрогеназы». Наука . 257 (5077): 1677–82. Bibcode : 1992Sci ... 257.1677K . DOI : 10.1126 / science.1529354 . PMID   1529354 .
  3. ^ a b Роут-Мэлоун, RM Глава 6 Структура белка MoFe. Биоинорганическая химия. John Wiley & Sons, Inc., Хобокен, Нью-Джерси, 2002. 253–254. ISBN   9780471265337 .
  4. ^ Берджесс, BK; Лоу, ди-джей (1996). «Механизм действия нитрогеназы молибда». Chem. Ред . 96 (7): 2983–3011. DOI : 10.1021 / cr950055x . PMID   11848849 .
  5. ^ Харрис, ТВ; Силагьи, РК (2011). «Сравнительная оценка состава и зарядового состояния FeMo-кофактора нитрогеназы» . Inorg Chem . 50 (11): 4811–4824. DOI : 10.1021 / ic102446n . PMC   3105220 . PMID   21545160 .
  6. ^ Ху, Ю. Ribbe (2011). «Биосинтез нитрогеназы FeMoco» . Coord Chem Ред . 255 (9–10): 1218–1224. DOI : 10.1016 / j.ccr.2010.11.018 . PMC   3077758 . PMID   21503270 .
  7. ^ Берджесс, CF; Джейкобс, ДБ; Штифель, Э.И. (1980). «Крупномасштабная очистка высокоактивной нитрогеназы Azotobacter Vinelandii». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Энзимология . 1980 (614): 196–209. DOI : 10.1016 / 0005-2744 (80) 90180-1 . PMID   6930977 .
  8. ^ Боал, AK; Розенцвейг, AC (2012). «Радикальный путь введения карбида нитрогеназы». Наука . 337 (6102): 1617–1618. Bibcode : 2012Sci ... 337.1617B . DOI : 10.1126 / science.1229088 .
  9. ^ Ramaswamy, S (2011). «Все решает один атом». Наука . 334 (6058): 914–915. Bibcode : 2011Sci ... 334..914R . DOI : 10.1126 / science.1215283 . PMID   22096179 .
  10. ^ Einsle, О (2014). «Кофактор нитрогеназы FeMo: атомная структура в трех простых шагах». J. Biol. Неорг. Chem . 19 (6): 737–745. DOI : 10.1007 / s00775-014-1116-7 . PMID   24557709 .
  11. ^ Hallmen, PP; Кестнер, Дж. «Связывание N2 с FeMo-кофактором нитрогеназы. Z. Anorg. Allg. Chem. 2014. doi : 10.1002 / zaac.201400114