Struktur pusat pemangkin nitrogenase - enzim yang merosakkan nitrogen atmosfera • diuraikan • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Biologi molekul, Biokimia, Kimia

Struktur pusat pemangkin nitrogenase, enzim yang mengosongkan nitrogen atmosfera, diuraikan.

Struktur kofaktor besi-molybdenum, memangkinkan penetapan nitrogen atmosfera. Bola kelabu – atom besi, kuning – belerang, hitam – karbon, bola coklat besar – molibdenum atom. H dan C – asid amino (histidine dan cysteine), yang digunakan oleh cofactor; 442 dan 275 – kedudukan di mana asid amino ini terletak di dalam molekul enzim nitrogenase. Imej dari artikel yang dibincangkan Spatzal et al. dalamSains

Selepas bertahun-tahun usaha, saintis Amerika dan Jerman berjaya menguraikan struktur "cofactor besi-molybdenum", yang membentuk pusat pemangkin enzim nitrogenase dan memainkan peranan utama dalam menetapkan nitrogen atmosfera. Penemuan ini akan membantu dalam pembangunan teknologi cekap baru untuk pengeluaran baja nitrogen penting bagi manusia.

Penetapan nitrogen adalah proses biologi yang paling penting di mana nitrogen atmosfera (N2) diubah menjadi ammonia (NH4+). Tidak semua makhluk hidup dapat melakukan penetapan nitrogen. Hanya beberapa prokariot, termasuk sianobakteria, menghadapi tugas teknikal yang sangat sukar ini.Sehingga baru-baru ini, semua kehidupan di Bumi wujud semata-mata dengan mengorbankan nitrogen yang terikat oleh mikrob yang membaiki nitrogen (lihat: Nitrogen di lautan terikat di mana ia hilang, Elemen, 06.02.2007). Baru-baru ini, satu lagi sumber penting nitrogen terikat muncul di planet ini – buatan manusia baja nitrogen tiruan.

Untuk memecahkan ikatan triple yang kuat dalam molekul N2, anda memerlukan tekanan tinggi dan suhu, atau pemangkin yang sangat berkesan. Cara pertama adalah industri kimia kita, yang menghasilkan amonia dari nitrogen menggunakan "Haber proses" yang sangat intensif tenaga. Dianggarkan hari ini kira-kira separuh daripada jumlah nitrogen yang terkandung di dalam tubuh manusia adalah nitrogen, yang direkodkan menggunakan proses Haber (dan pertama kali dibebaskan menjadi baja nitrogen yang disintesis dari amonia, dan kemudian menjadi tanaman yang ditanam).

Prokariot yang membetulkan nitrogen, dengan kerja yang separuh kedua nitrogen dalam badan kita tetap, secara semula jadi memilih cara kedua. Mereka merosakkan nitrogen dengan bantuan enzim khas – nitrogenases, yang berkesan menangani tugas ini pada suhu dan tekanan normal.Ia tidak menghairankan bahawa orang telah lama ingin memahami bagaimana nitrogenase dibuat dan bagaimana ia berfungsi.

Untuk tujuan ini, ia tidak mencukupi untuk menguraikan urutan asid amino nitrogenase dan membina semula struktur tiga dimensi protein. Faktanya ialah fungsi pusat pemangkin dalam molekul nitrogenase tidak dilakukan oleh asid amino, tetapi oleh cofactor khas yang terdiri daripada besi, sulfur dan molibdenum. Sesetengah prokariota mempunyai vanadium atau atom besi di pusat aktif nitrogenase dan bukannya molibdenum atom, tetapi nitrogenases seperti itu kurang berkesan dan kurang difahami dengan baik.

Cofactor besi-molibdenum (disingkatkan sebagai FeMoco) adalah pemangkin biologi berasaskan logam yang paling banyak dan paling kompleks yang diketahui setakat ini. Karya nanoteknologi biologi ini dibuat oleh enzim khas (lihat gen Nif) dan dilampirkan pada nitrogenase berasaskan protein. Banyak butir-butir sintesis FeMoco belum dijelaskan. Ia adalah cofactor ini yang memainkan peranan penting dalam proses penetapan nitrogen: molekul nitrogen dilampirkan ke dalamnya, dan di sini pecahannya berlaku (lihat: Penetapan nitrogen yang berkesan muncul selepas pembentukan suasana oksigen di planet ini, Elemen, 25 Mei 2011).Oleh itu, untuk memahami prinsip operasi nitrogenase, pertama sekali diperlukan untuk mentafsirkan struktur kofaktor besi-molibdenum.

Ternyata tidak begitu mudah dilakukan. Pada tahun 1992, apabila percubaan yang pertama dilakukan untuk menembusi rahsia ini, resolusi kaedah yang tersedia untuk saintis tidak mencukupi untuk mengesan sebuah atom yang terletak di tengah-tengah FeMoco (lihat gambar kiri dalam gambar). Pada tahun 2002, ia menunjukkan bahawa atom pusat wujud, tetapi tidak mungkin untuk menubuhkan sifatnya untuk masa yang lama. Formula cofactor telah ditulis seperti ini: [Mo: 7Fe: 9S: X], yang bermaksud "satu atom molibdenum, 7 atom besi, 9 atom sulfur, dan atom lain yang tidak diketahui." Ia boleh menjadi oksigen, karbon atau nitrogen, dan yang terakhir kelihatannya (imej sederhana). Kemajuan dalam mentafsirkan struktur kofaktor besi-molibdenum. Merah atom oksigen ditunjukkan, biru – nitrogen, kuning – belerang, hijau – molibdenum, oren – besi, dalam warna biru – karbon (kecuali atom karbon pusat, yang ditunjukkan hitam). Gambar dari artikel yang dibincangkan S.Ramaswamy dalamSains

Dan sekarang, dengan serta-merta, dua pasukan saintis dari Jerman dan Amerika Syarikat secara serentak dan secara bebas dari satu sama lain menunjukkan bahawa di tengah cofactor FeMoco sebenarnya ada atom karbon (gambar kanan). Pasukan pertama – orang yang menganggap bahawa ia adalah nitrogen pada tahun 2002 – digunakan untuk mentafsirkan struktur cofactor dengan kaedah yang lebih baik resonans paramagnetik elektron berdenyut (lihat: Resonans paramagnetik elektron berdenyut). Pasukan kedua membuat kesimpulan bahawa terdapat atom karbon di pusat kofaktor, menggunakan spektroskopi pelepasan X-ray (lihat: spektroskopi pelepasan sinar-X).

Oleh itu, hampir dua dekad usaha telah dimahkotakan dengan kejayaan: struktur salah satu pemangkin biologi yang paling penting untuk mengekalkan kehidupan di planet kita akhirnya diuraikan. Penemuan ini bukan sahaja teori tetapi juga praktikal. Mengetahui struktur FeMoco, lebih mudah bagi ahli kimia untuk membangunkan teknologi baru untuk penetapan industri nitrogen atmosfera – lebih cekap dan kurang intensif tenaga daripada proses Haber.

Sumber:
1) Thomas Spatzal, Müge Aksoyoglu, Limei Zhang, Susana L.A. Andrade, Erik Schleicher, Stefan Weber, Douglas C. Rees, Oliver Einsle. Bukti untuk Karbon Interstitial dalam FeMo Cofactor Nitrogenase // Sains. 2011. V. 334. P. 940.
2) Kyle M. Lancaster, Michael Roemelt, Patrick Ettenhuber, Yilin Hu, Markus W. Ribbe, Frank Neese, Uwe Bergmann, Serena DeBeer. Spektroskopi Pelepasan sinar-X Pengelasan Karbon Tengah dalam Cofactor Iron-Molibdenum Nitrogenase // Sains. 2011. V. 334. P. 974-977.
3) S. Ramaswamy.Satu Atom Membuat Semua Perbezaan // Sains. 2011. V. 334. P. 914-915.

Lihat juga:
1) Penetapan nitrogen yang berkesan muncul selepas pembentukan suasana oksigen di planet ini, "Unsur", 05/25/2011.
2) Nitrogen di lautan terikat di mana ia hilang, "Unsur", 06.02.2007.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: