利用圆偏振振动光谱指认质子化R-高柠檬酸固氮酶铁钼辅基 |《通讯-化学》

来源：Nature自然科研

氮气约占地球大气的78%，但氮分子很惰性，只有转化为氨态氮才能被植物吸收利用。在自然界中，这种转化只限于固氮微生物，微生物的固氮催化剂称为固氮酶。酶的蛋白结构和光谱研究表明，固氮酶的催化活性中心铁钼辅基(FeMo-co)结构为Δ-Mo*Fe7S9C[R-(H)homocit*](cys)(Hhis) (H4homocit= 高柠檬酸，Hcys = 半胱氨酸，Hhis = 组氨酸)。铁钼辅基中的金属钼与三个硫，一个组氨酸和一个高柠檬酸配位。其中高柠檬酸通过α-烷氧基或α-羟基和α-羧基与钼双齿螯合。来自厦门大学的周朝晖团队研究表明，高柠檬酸对于稳定Mo原子和N2的还原是必需的，实验和理论分析它可能与质子或电子的传递、转移和存储钼有关。如下图所示，该团队曾提出固氮酶催化活性中心的加氢模型，并试图用蛋白结构的比较和红外光谱获得证据。由于光谱和晶体结构的分辨率有限，至今未能确认FeMo-co的加氢结构，因此，通过实验方法直观证明质子的存在很有挑战性。注意到FeMo-co金属钼具有Δ-构型，配位高柠檬酸为R-构型。因此，该团队选择圆偏振振动(VCD)光谱作为研究手段。VCD是一种测定手性分子的谱学工具，它有望用来反映红外区域R-高柠檬酸钼的质子化结构。首先成功地获得N-甲基甲酰胺(NMF)提取的铁钼辅基的VCD图谱，这可能归因于辅基的双不对称中心协同作用。接着，又得到了去质子化的R-高柠檬酸钼(VI)络合物K5[Λ,Λ,Λ,Λ-Mo*4O11(R-Hhomocit*)2]∙Cl∙5H2O和一对质子化的R或S-乳酸钼(V)络合物[Δ/Λ-Mo*2O2(μ2-S)(μ2-O)(R或S-Hlact*)2(trz)2(trz)]∙½H2O (R，1；S，2) (H2lact = 乳酸，trz= 1,2,4-三氮唑)。以1、2、去质子化的R,S-乳酸钼(VI)和R-高柠檬钼(VI)络合物作为模型化合物，通过比较铁钼辅基中的R-高柠檬酸钼的局部配位环境，对VCD谱峰进行归属：其中，配位的质子化和去质子化乳酸或高柠檬酸≡C–O/≡C–OH的VCD振动频率范围确定为1100~1000 cm-1。通过比较R-乳酸钼的ν(C–OH)和ν(C–O)特征振动峰，得出结论：当乳酸配位的α-烷氧基质子化后，ν(C–OH)将从高波数移动到低波数，即发生红移现象；同样地，在R-高柠檬酸钼和铁钼辅基也观察到相同的规律；为了进一步指认VCD振动峰，该团队还进行了密度泛函理论计算。综合上述研究，在NMF提取的FeMo-co中，质子化发生在R-高柠檬酸的α-烷氧基上。这一结论进一步扩展到钼固氮酶的FeMo-co质子化，这是第一次利用VCD谱学方法研究铁钼辅基质子化的实验报道，它将为生物体系的手性研究拓展有趣的方向。© naturecommschem | doi:10.1038/s42004-020-00392-z点击“阅读原文”阅读论文原文Assignment of protonated R-homocitrate in extracted FeMo-cofactor of nitrogenase via vibrational circular dichroism spectroscopy© 2020 Springer Nature Limited. All Rights Reserved