Schematisk illustration av hur H2 bildas från en av reaktionsenzymatiska mellanprodukter (E2) för att regenerera vilotillståndet (E0) för nitrogenskatalytisk kofaktor, kallas FeMo-kofaktor. Väteatomen bunden till en av svavelatomerna inleder en resa som tar den för att träffa partnern som den kommer att bilda H2 -molekylen med:ett hydridiskt väte som tålmodigt väntar, sitter mellan två Fe -atomer. Upphovsman:Pacific Northwest National Laboratory
Nitrogenas är centralt för livet på vår planet. Det ger det mesta av kvävet (N) som används i proteiner och nukleinsyror och det är viktigt för att skapa växter, djur och andra organismer, att göra ammoniak (NH3) som sedan används i biosyntesen av aminosyror och sedan proteiner. Men medan nitrogenas är på jobbet, det skapar också något annat:dihydrogen (H2). Forskare har under en tid vetat att nitrogenas gör H2 genom två olika processer. Nu, en av dessa processer är tydlig genom ett team av forskare som studerat mekanismen för H2 -produktion.
Nitrogenas kommer att göra H2 om det körs i frånvaro av N2. Detta har betraktats som en "avslappning" av det enzymaktiva stället som laddas med järn-hydrider som behövs för N2-reduktionsreaktionen. Men vad är mekanismen för hur järnhydriderna på det aktiva nitrogenaset avslappnat för att göra denna H2? Ett team av forskare från Pacific Northwest National Laboratory, Utah State University, Northwestern University, och University of Utah försökte förstå denna H2 -avslappningsmekanism genom att övervaka effekterna av väte (H) vs deuterium (D) på kinetiken för H2 -bildning när nitrogenas är fäst till en elektrod. Teamet upptäckte att en närliggande H+ faktiskt var den aktiva partnern i produktionen av H2 när den kombineras med järnhydrid för att göra H2.
"Bara en proton gör allt, hydrid är bara en åskådare som väntar på lite action, "bekräftade Simone Raugei, en PNNL -forskare som är involverad i detta arbete.
Detta är ett viktigt steg för att förstå nitrogenas och hur och varför produktion av H2 krävs för dess aktivitet. Det illustrerar också en strategi för mekanistisk studie som kan appliceras på andra oxidoreduktasenzymer och på biomimetiska komplex.
För att isolera kinetiken för väteproduktion, ett team som leds av Lance Seefeldt, Brian Hoffman, Shelley Minteer, och Simone Raugei använde små molekyler för att snabbt skicka elektroner från en elektrod till den katalytiska halvan av nitrogenas. Att följa protonreaktionerna var en knepig och utmanande uppgift, sa Seefeldt, så för att säkerställa noggrannhet övervakade de protonets "inventering" (antalet väten som är involverade i den katalytiska produktionen av H2) genom att utföra kinetiska väte/deuterium kinetiska mätningar.
Resultaten av experimenten föreslog att endast ett väte faktiskt var involverat i det hastighetsbegränsande steget för H2-bildning, och inte två som stökiometri av reaktionen indikerar.
Teamets experimentella observationer upprätthölls genom beräkningskemi, som gav en detaljerad atomistisk beskrivning av reaktionsmekanismen. Det finns 2 typer av väten i den katalytiska kofaktorn (kallad FeMo-co):en i en överbryggande position där den binder till två järnatomer (en överbryggande hydrid), och en på en närliggande svavelatomligander (i princip en protonerad svavelatom:S-H). Det visar sig att under H2 -evolutionen den senare är den aktiva partnern. S-H-bindningen bryts och den resulterande H+ rör sig mot överbryggande hydrid och protonerar den och bildar H2:Beräkningarna ger en förklaring av den experimentella observationen att endast ett väte är "aktivt, "medan den andra bara är en åskådare som väntar på sin partners ankomst.
"Överensstämmelsen mellan observationerna och de beräknade kemiska resultaten var anmärkningsvärt hög, sa Raugei.
Detta arbete är ett kritiskt steg mot en mekanistisk förståelse av nitrogenasenzymet. Det finns fortfarande arbete att göra för att förstå mekanismen för den andra H2 -utvecklingsprocessen som leder till N2 -bindning, aktivering, och minskning till NH3.
