Noi date despre modul în care azotaza, o enzimă critică pentru viață, transformă azotul în amoniac

Chimiștii MIT au determinat structura complexului care se formează atunci când dinitrogenul gazos, sau N2, se leagă de o legătură fier-sulf, oferind dovezi ale modului în care microbii (în galben) folosesc azotaze pentru a rupe legătura azot-azot (în roz) și verde)) Credit: Jose-Luis Olivares, MIT

Modul în care metalele funcționează împreună pentru a slăbi legături puternice azot-azot

Azotul, un element esențial pentru toate celulele vii, reprezintă aproximativ 78% din atmosfera Pământului. Cu toate acestea, majoritatea organismelor nu pot folosi acest azot până când nu este transformat în amoniac. Până când oamenii au inventat procesele industriale pentru sinteza amoniacului, aproape tot amoniacul de pe planetă a fost creat de microbi folosind azotaze, singurele enzime care pot rupe legătura azot-azot găsită în dinitrogenul gazos sau N2.

Aceste enzime conțin grupuri de atomi de metal și sulf care ajută la realizarea acestei reacții critice, dar mecanismul prin care fac acest lucru nu este bine înțeles. Pentru prima dată, cu chimiștii au determinat acum structura unui complex care se formează atunci când N2 se leagă de aceste grupuri și au descoperit că grupurile sunt capabile să slăbească legătura azot-azot într-o măsură surprinzătoare.

„Acest studiu ne permite să obținem o perspectivă asupra mecanismului care vă permite să activați această moleculă cu adevărat inertă, care are o legătură foarte puternică, care este greu de rupt”, spune Daniel Suess, profesor asistent de chimie la 48 în MIT Career Development și autor principal al studiului.

Alex McSkimming, fost postdoctor al MIT, care este acum profesor asistent la Universitatea Tulane, este autorul principal al lucrării, care a fost publicată recent în Chimia naturală.

Fixarea azotului

Azotul este o componentă critică a proteinelor, ADNși alte molecule biologice. Pentru a elimina azotul din atmosferă, microbii timpurii au dezvoltat azotaze, care transformă azotul gazos în amoniac (NH).3) printr-un proces numit fixare a azotului. Celulele pot utiliza acest amoniac pentru a construi compuși mai complexe care conțin azot.

„Capacitatea de a accesa azot fix pe scară largă a fost esențială pentru a permite răspândirea vieții”, spune Suess. „Dinitrogenul are o legătură foarte puternică și este într-adevăr nereactiv, așa că chimiștii consideră practic o moleculă inertă. Este o enigmă pe care viața a trebuit să o descopere: cum să transformăm această moleculă inertă în specii chimice utile”.

Toate azotazazele conțin un set de atomi de fier și sulf, iar unele dintre ele includ și molibden. Dinitrogen se crede că se leagă de aceste grupuri pentru a iniția conversia în amoniac. Cu toate acestea, natura acestei interacțiuni este neclară și, până acum, oamenii de știință nu au fost capabili să caracterizeze N2 lipindu-se de o grămadă de fier-sulf.

Pentru a face lumină asupra modului în care nitrogazele leagă N2, chimiștii au conceput versiuni mai simple de clustere de fier-sulf pe care le pot folosi pentru a modela clustere care apar în mod natural. Cea mai activă azotază folosește o legătură fier-sulf cu șapte atomi de fier, nouă atomi de sulf, un molibden atomși un atom de carbon. Pentru acest studiu, echipa MIT a creat unul care are trei atomi de fier, patru atomi de sulf, un atom de molibden și fără carbon.

O provocare în încercarea de a imita legătura naturală a dinitrogenului cu grupul de fier-sulf este aceea că, atunci când grupurile sunt într-o soluție, ele pot reacționa cu ele însele în loc de a lega substraturi precum dinitrogenul. Pentru a o depăși, Suess și studenții săi au creat un mediu protector în jurul grămezii prin alăturarea unor grupuri chimice numite liganzi.

Cercetătorii au atașat câte un ligand la fiecare dintre atomii metalici, pe lângă un atom de fier, care este locul unde N2 se conectează la turmă. Acești liganzi previn reacțiile nedorite și permit dinitrogenului să intre în ambreiaj și să se lege de unul dintre atomii de fier. Odată ce această conexiune a avut loc, cercetătorii au reușit să determine structura complexului folosind cristalografia cu raze X și alte tehnici.

De asemenea, au descoperit că legătura triplă dintre doi atomi de azot N2 a slăbit într-o măsură surprinzătoare. Această slăbire apare atunci când atomii de fier își transferă o mare parte din densitatea electronilor către legătura azot-azot, ceea ce face legătura mult mai puțin stabilă.

Colaborarea grupurilor

O altă descoperire surprinzătoare a fost că toți atomii de metal din masă contribuie la acest transfer de electroni, nu doar atomul de fier de care este atașat dinitrogenul.

„Acest lucru sugerează că aceste grupuri pot colabora electronic pentru a activa această legătură inertă”, spune Suess. „Legătura azot-azot poate fi slăbită de atomii de fier care altfel nu l-ar slăbi. Deoarece sunt într-un grup, o pot face în colaborare. “

Constatările reprezintă „o etapă importantă în chimia masei de fier-sulf”, a declarat Theodore Betley, șeful Departamentului de Chimie și Biologie Chimică de la Universitatea Harvard, care nu a fost implicat în studiu.

„Deși enzimele de azot cunoscute pentru reglarea azotului atmosferic sunt compuse din grupe de fier-sulf topite, chimiștii sintetici nu au reușit, până acum, să demonstreze absorbția azotului folosind analogi sintetici”, spune Betley. „Această lucrare este o descoperire majoră pentru comunitatea cu sulf feros și pentru chimiștii bio-organici în general. Mai mult decât orice, această descoperire a arătat că grupurile de fier-sulf au o reacție chimică bogată care nu a fost încă descoperită. ”

Descoperirile cercetătorilor au confirmat, de asemenea, că versiunile mai simple ale grupului de fier-sulf, precum cele create pentru acest studiu, ar putea slăbi efectiv legătura azot-azot. Primii microbi care au dezvoltat capacitatea de a regla azotul ar fi putut evolua tipuri similare de grupuri simple, spune Suess.

Suess și studenții săi lucrează acum la modalități de a studia modul în care versiunile mai complexe, naturale, ale grupelor de fier-sulf interacționează cu dinitrogenul.

Referință: „Legarea și activarea dinitrogenului într-o masă de molibden-fier-sulf” de Alex McSkimming și Daniel LM Suess, 27 mai 2021, Chimia naturală.
DOI: 10.1038 / s41557-021-00701-6

Cercetarea a fost finanțată de fondul Comitetului de sprijin pentru cercetare al MIT.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.