加州大学Nature Catalysis：探究Mo固氮酶催化N2还原内在机制

成果展示

钼（Mo）固氮酶催化N₂在M团簇处的环境还原为NH₃，M团簇是一种复杂的辅因子，由两个金属硫（S）部分立方烷组成，由间隙碳化物和三个带S连接。结晶学研究表明，N₂的结合是通过在翻转时置换M团簇的带S来实现的，但是在催化过程中N₂结合和带S移动的直接证据仍然难以捉摸。

基于此，美国加州大学尔湾分校Yilin Hu和Markus W. Ribbe（共同通讯作者）等人报道了N₂通过电子和S的耗尽被捕获在M团簇上，并且N₂捕获状态在生成NH₃方面具有催化活性。此外，作者还证明了只有同时提供亚硫酸盐与还原剂时，才会释放产物，亚硫酸盐以硫化物的形式插入到带S置换位置，并且在催化过程中，带S是动态的进出。总之，这些结果证明辅因子带S的动员是固氮酶反应中一个关键但被忽视的机械因素。

背景介绍

固氮酶（nitrogenase）是一种复杂的金属酶，与农学、环境和能源领域有着密切的关系。其中，固氮酶不仅可以催化大气N₂转化为生物可利用的NH，而且还可以在模拟环境反应中将CO和CO₂还原为碳氢化合物（CH₄、C₂H₆等）用于生产碳燃料。传统钼（Mo）固氮酶的催化作用是通过双组分系统完成的，该系统利用还原酶组分将电子传递给催化组分以还原底物。

还原酶成分为铁（Fe）蛋白，是一种同源二聚体，含有一个亚基桥接[Fe₄S₄]簇和每个亚基内的ATP结合位点，而催化成分为钼铁（MoFe）蛋白，是一种α₂β₂-异四聚体在每个α/β-亚基界面含有一个P-簇（[Fe₈S₇]），在每个α-亚基内含有一个M-簇（[(R-homocitrate)MoFe₇S₉C]）。在底物周转过程中，Mo固氮酶的两种成分蛋白相互形成功能复合物，使ATP依赖的电子从Fe蛋白的[Fe₄S₄]簇，通过P簇转移到M簇。然而，在催化工程中，N2结合和带硫（S）调动的直接证据仍然不清楚。

图文速递

图1. N₂结合的Av1*的GC-MS和频率选择性NMR分析

图2.各种Av1蛋白种类的EPR和GC-MS分析

图3.亚硫酸盐类物种对底物周转的要求

图4. Av1*(TOS)的晶体学分析

图5.带S的催化依赖性

图6. Av1*(TOSe)的XAS/EXAFS分析

图7. SO₃^2-的配位和还原

小结

总之，通过氘交换、频率选择性核磁共振、EPR和硒标记实验，为Av1*作为N₂或衍生物结合中间体的结构分配提供了令人信服的证据，同时确定了Av1*与N₂。通过酶学、晶体学、XAS/EXAFS和DFT分析揭示了特定硫源以及电子驱动固氮酶反应性的要求，从而为固氮酶的机制考虑增加了另一个转折，该考虑在历史上一直专注于连续添加电子到M团簇结合的底物上。更重要的是，带S在与SO₃^2-周转时进出的能力表明某些硫物种和S之间发生相互转化的可能性伴随着通过带S置换结合N₂。此外，带S的不断进出可能导致SO₃^2-/S^2-相互转换的闭合循环中硫的频繁净损失，因此需要重新填充SO₃^2-。该工作提供了一个有用的工具，用于解耦硫和电子源对固氮酶反应性的贡献，有助于进一步研究和重新校准这种金属酶的机械模型。

文献信息

Evidence of substrate binding and product release via belt-sulfur mobilization of the nitrogenase cofactor. Nature Catalysis, 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00782-7.

https://doi.org/10.1038/s41929-022-00782-7.