Yaşam için Kritik Bir Enzim olan Nitrojenazın Azotu Amonyağa Nasıl Dönüştürdüğüne İlişkin Yeni İpuçları

Metaller, Sert Azot-Azot Bağlarını Zayıflatmak İçin Birlikte Nasıl Çalışır?

Tüm canlı hücreler için gerekli olan bir element olan azot, Dünya atmosferinin yaklaşık yüzde 78’ini oluşturur. Ancak çoğu organizma bu azotu amonyağa dönüşene kadar kullanamaz. İnsan amonyak sentezi için endüstriyel işlemler icat kadar, gezegen hemen hemen tüm amonyak nitrogenases kullanarak mikrop tarafından oluşturulan, nitrojen-nitrojen bağı kırmak tek enzimler gaz dınitrojen bulunabilir, ya da N 2 .

Bu enzimler, bu kritik reaksiyonu gerçekleştirmeye yardımcı olan metal kümeleri ve kükürt atomları içerir, ancak bunu nasıl yaptıklarının mekanizması iyi anlaşılmamıştır. İlk defa, MİT kimyagerler hemen formları, N olduğunda bu kompleks yapısını belirledikten 2 bu kümeler için bağlanır, ve kümeler şaşırtıcı ölçüde nitrojen-nitrojen bağı zayıflatan mümkün olduğunu keşfettik.

“Bu çalışma, kırılması zor olan çok güçlü bir bağa sahip olan bu gerçekten atıl molekülü aktive etmenize izin veren mekanizma hakkında fikir edinmemizi sağlıyor” diyor ’48 Kariyer Gelişimi Kimya Bölümü Yardımcı Doçenti Daniel Suess. MIT ve çalışmanın kıdemli yazarı.

Şu anda Tulane Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan eski bir MIT doktora sonrası öğrencisi olan Alex McSkimming, yakın zamanda Nature Chemistry’de yayınlanan makalenin baş yazarıdır .

Azot Fiksasyonu

Azot, proteinlerin, DNA’nın ve diğer biyolojik moleküllerin kritik bir bileşenidir. Atmosferden özü azot için, erken mikroplar nitrogenases, amonyağa dönüştürmek azot gazı (NH gelişti 3 adı verilen bir işlem azot bağlanması yoluyla). Hücreler daha sonra bu amonyağı daha karmaşık azot içeren bileşikler oluşturmak için kullanabilir.

Suess, “Büyük ölçeklerde sabit nitrojene erişim yeteneği, yaşamın çoğalmasını sağlamada etkili oldu” diyor. “Dinitrojen gerçekten güçlü bir bağa sahip ve gerçekten reaktif değil, bu yüzden kimyacılar temelde onu inert bir molekül olarak görüyorlar. Bu, hayatın çözmesi gereken bir bilmecedir: Bu hareketsiz molekülün nasıl faydalı kimyasal türlere dönüştürüleceği.”

Tüm nitrojenazlar bir dizi demir ve kükürt atomu içerir ve bazıları ayrıca molibden içerir. Dinitrojenin, amonyağa dönüşümü başlatmak için bu kümelere bağlandığına inanılmaktadır. Bununla birlikte, bu etkileşimin doğası açık değildir ve şu ana kadar, bilim adamları, N karakterize etmek mümkün olmamıştı 2 , bir demir-sülfür küme bağlanma.

Nitrogenases N bağlamak nasıl ışık tutacak 2 , kimyagerler onlar doğal olarak oluşan kümeleri modellemek için kullanabileceği demir-kükürt kümeleri daha basit versiyonlarını tasarladık. En aktif nitrojenaz, yedi demir atomu, dokuz kükürt atomu, bir molibden atomu ve bir karbon atomu içeren bir demir-kükürt kümesi kullanır. Bu çalışma için MIT ekibi, üç demir atomu, dört kükürt atomu, bir molibden atomu olan ve karbon içermeyen bir tane oluşturdu.

Dinitrojenin demir-kükürt kümesine doğal bağlanmasını taklit etmeye çalışmanın bir zorluğu, kümeler bir çözelti içindeyken dinitrojen gibi alt tabakaları bağlamak yerine kendileriyle reaksiyona girebilmeleridir. Bunun üstesinden gelmek için Suess ve öğrencileri, ligand adı verilen kimyasal grupları bağlayarak küme çevresinde koruyucu bir ortam yarattılar.

Araştırmacılar burada N olan bir demir atomuna için hariç olmak üzere metal atomunun her biri için bir ligand bağlı 2 bağlandığı kümeye. Bu ligandlar istenmeyen reaksiyonları önler ve dinitrojenin kümeye girmesine ve demir atomlarından birine bağlanmasına izin verir. Bu bağlanma gerçekleştiğinde, araştırmacılar X-ışını kristalografisi ve diğer teknikleri kullanarak kompleksin yapısını belirleyebildiler.

Ayrıca, N iki azot atomu arasında üç bağ olduğu bulunmuştur 2 şaşırtıcı ölçüde zayıflar. Bu zayıflama, demir atomları elektron yoğunluğunun çoğunu nitrojen-azot bağına aktardığında meydana gelir, bu da bağı çok daha az kararlı hale getirir.

Küme İşbirliği

Bir başka şaşırtıcı bulgu, kümedeki tüm metal atomlarının bu elektron transferine sadece dinitrojenin bağlı olduğu demir atomunun değil, katkıda bulunmasıydı.

Suess, “Bu, bu kümelerin bu atıl bağı etkinleştirmek için elektronik olarak işbirliği yapabileceğini gösteriyor” diyor. “Azot-azot bağı, aksi halde onu zayıflatmayacak olan demir atomları tarafından zayıflatılabilir. Bir kümede oldukları için bunu işbirliği içinde yapabilirler.”

Araştırmada yer almayan Harvard Üniversitesi Kimya ve Kimyasal Biyoloji Bölümü başkanı Theodore Betley, bulguların “demir-kükürt küme kimyasında önemli bir kilometre taşını” temsil ettiğini söylüyor.

Betley, “Atmosferik nitrojeni sabitlediği bilinen nitrojenaz enzimleri, kaynaşmış demir-kükürt kümelerinden oluşmasına rağmen, sentetik kimyagerler şimdiye kadar hiçbir zaman, sentetik analogları kullanarak dinitrojen alımını gösteremediler” diyor. “Bu çalışma, demir-kükürt küme topluluğu ve genel olarak biyoinorganik kimyagerler için büyük bir ilerlemedir. Her şeyden çok, bu ilerleme, demir-kükürt kümelerinin henüz keşfedilmemiş zengin bir reaksiyon kimyasına sahip olduğunu göstermiştir.”

Araştırmacıların bulguları ayrıca, bu çalışma için yarattıkları gibi demir-kükürt kümesinin daha basit versiyonlarının nitrojen-azot bağını etkili bir şekilde zayıflatabileceğini doğruladı. Suess, nitrojeni sabitleme yeteneğini geliştiren en eski mikropların benzer tipte basit kümeler geliştirmiş olabileceğini söylüyor.

Suess ve öğrencileri şimdi, demir-kükürt kümelerinin daha karmaşık, doğal olarak oluşan versiyonlarının dinitrojen ile nasıl etkileşime girdiğini incelemenin yolları üzerinde çalışıyorlar.

Referans: Alex McSkimming ve Daniel LM Suess, 27 Mayıs 2021, Nature Chemistry .
DOI: 10.1038/s41557-021-00701-6

Kaynak: Scitechdaily

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir