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【J. Am. Chem. Soc.】FeMo辅酶中心碳化物的作用究竟是什么2021-07-25
生物固氮作用可在温和的条件下将氮气还原成两个氨(NH3),其主要是由固氮酶进行催化实现的。目前的研究工作重点是含钼的FeMo辅酶,其为由含铁蛋白和钼铁蛋白的两个催化伙伴所组成。铁蛋白可向钼铁蛋白传递电子,钼铁蛋白则具有与氮气结合和还原的位点。
几年前,通过高分辨率(1.0 Å)的X射线结构研究发现,FeMo辅酶的中心存在着”六配位”的碳原子,即一个碳化物(C4-)中心位于三角棱柱状的CFe6核内,类似于碳化铁的结构。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

从生物合成的研究方面来看,则表明它来自于甲基S-腺苷甲硫氨酸 (SAM)。但是,尽管FeMo-辅酶中的三角棱柱形CFe6核心的中央碳化物的表征已经完成,但至今关于它在FeMo辅酶对氮气进行结合和对抑制剂的激活中所起的作用却仍是未知的。
所以,为了探索这个碳化物在其中的作用,Northwestern University的Brian M. Hoffman教授、Utah State University的Lance C. Seefeldt教授和Virginia Tech的Dennis R. Dean教授通过靶向的13C标记和ENDOR光谱来探索FeMo辅酶的中心碳化物的实际作用。
该研究将中心碳化物先选择性地进行13C标记,并通过ENDOR/ESEEM光谱对其进行详细检查。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

他们发现,在S = 3/2的静止状态 (E0) 的13C-碳化物的ENDOR光谱是很明显的,且具有极小的各向同性超精细耦合,Ca = +0.86 MHz。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

此外,在高CO分压下,可发现酶中心发生转换,产生了S = 1/2的hi-CO状态,其中两个CO分子与FeMo-辅酶有结合的现象。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

值得注意的是,这个转换仅使13C 碳化物的各向同性超精细耦合常数发生小幅度变化,甚至可说是基本不变的,Ca = -1.30 MHz。
这个结果表明了E0 和 hi-CO 状态都表现出一种交换偶联现象,几乎抵消了由碳化物束缚的铁离子的三个自旋向上和三个自旋向下对Ca的贡献。
相比之下,各向异性超精细耦合常数在E0转化为hi-CO时发生了对称变化,这可能与Fe离子的键合和配位变化有关。
所以,结合E0和hi-CO的CFe6核心结构之间可以忽略不计的差异,这些结果表明,在CO抑制的hi-CO中,FeMo辅酶的碳化物的主要作用是维持核心结构,而不是通过Fe-碳化物共价的变化或碳化物-Fe键的拉伸/断裂来促进抑制剂的结合。

 

参考文献:Exploring the Role of the Central Carbide of the Nitrogenase Active-Site FeMo-cofactor through Targeted 13C Labeling and ENDOR Spectroscopy

J. Am. Chem. Soc. 2021, jacs.1c04152

原文作者:Ana Pérez-González,# Zhi-Yong Yang,# Dmitriy A. Lukoyanov,# Dennis R. Dean,* Lance C. Seefeldt,* and Brian M. Hoffman*

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