【Nature】重大突破！固氮酶固氮的分子机制被揭示

氮对所有已知的生命都至关重要，但它主要以最不活泼的形式存在，即气态氮气(N 2 )。氮气被化学还原以产生生物可利用形式的氮，在自然界中只能通过闪电以及一组称为固氮菌的细菌和古细菌来实现。这些微生物使用由两个含有铁原子的融合立方体形分子组成的簇来实现固定，但结合和还原氮气的确切分子机制仍不清楚。2022年7月6日，Nature杂志在下发表了来自日本京都大学Yasuhiro Ohki为通讯作者等合作题为“Nitrogen reduction by the Fe sites of synthetic [Mo3S4Fe] cubes”的研究论文，该研究通过制备了一个含有角铁原子的立方体形金属硫合成簇，该簇模拟了固氮酶活性位点，揭示了位于合成立方体形分子角落的铁原子可以结合并还原氮气，这为自然界用于固氮的分子机制提供了新线索。众所周知，固氮菌使用固氮酶将氮气还原为氨 (NH 3 )，氨是构成蛋白质、DNA 和许多维生素的分子生物合成的关键组成部分。与自然界中发现的其他几种酶一样，固氮酶含有由铁原子和硫原子组成的立方体形分子，称为簇。这种铁硫簇通常用于在酶中传输和储存电子。然而，与其他酶不同，固氮酶还包含一个簇，两个铁硫立方体围绕一个碳原子融合在一起（见图 1a），该簇结合氮气并将其还原为氨的艰巨任务就发生在其中。经过数十年的的努力，已获得了 11 种不同的中间体的结构。然而，其中几种中间体的不稳定性阻碍了它们的结构表征。尤其需要深入了解氮气如何以及在何处与簇结合。2020 年报告了具有结合氮气分子的簇的晶体结构，但对于这些数据的解释仍有争议。越来越多的研究表明，在固氮过程中，硫原子被置换，暴露出一个铁原子，氮气在该处末端结合。分离具有结合氮气分子的合成铁硫簇的长期任务终于在去年被克服。然而，没有报道结合分子的化学反应。这可能是因为每个氮原子与不同的簇结合。

固氮酶通过将N2 转化为氨来固氮。负责固定的活性位点包含一个分子簇，两个立方体的铁和硫原子融合在一个碳原子周围。该簇中最活跃的变体还包含一个钼原子。

该研究制备了一个含有角铁原子的立方体形金属硫合成簇，该簇模拟了固氮酶活性位点中提出的氮气结合位点。在这种模式下，氮气中的两个原子中只有一个与铁原子结合，从而激活另一个氮原子，使其能够进行化学反应充分还原氮气分子以使其能够转化为氨类似物。这一突破的关键在于将大有机分子（称为 Cp XL配体）连接到位于立方体形簇三个角上的钼原子上。这些 Cp XL配体的体积迫使它们形成一种构象，在这种构象中它们在氮气分子与铁原子结合的空间周围折叠。这可以防止另一个簇与分子中的另一个氮原子结合，从而实施末端结合模式。该研究最大的突破点是第一次证明金属-硫簇中的铁原子可以在其一个氮原子上与氮气结合，同时充分还原氮气，从而对另一个氮原子进行化学修饰。这是提出的簇催化反应的第一步，也是最困难的一步。因此，该研究合成的立方体形簇的化学反应性为固氮酶活性位点中的分子簇如何结合并还原氮气提供了有价值的线索。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04848-1

转自：iPlants

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