Nitrogenase

Nitrogenase er et enzymkompleks som er i stand til å redusere elementært, molekylært nitrogen (N ₂ ) og dermed omdanne det til en biologisk tilgjengelig form. Denne prosessen er kjent som nitrogenfiksering . Nitrogenaser er til stede i forskjellige bakterier og noen arkeaer . Nitrogenfiksende aktinomyceter er kjent, det samme er cyanobakterier (for eksempel Anabaena ) og proteobakterier (for eksempel Azotobacter ).

Struktur og egenskaper

FeMoCo: jern-molybden-kofaktor i dinitrogenase.

Enzymkomplekset består av to enzymatisk aktive proteiner, dinitrogenase (hetero tetramer α ₂ β ₂ ) og dinitrogenase reductase (homo dimer ). Reaksjonen finner sted i dinitrogenase, reduktasen overfører elektronene den mottar fra ferredoksin ved hjelp av en [4Fe-4S] jern-svovelklynge . Det aktive sentrum av dinitrogenase består av en annen [8Fe-7S] jern-svovelklynge og jern-svovel-molybden-kofaktoren (FeMoCo). I lang tid var identiteten til det sentrale atomet i FeMoCo-faktoren uklar. Både et karbon, et oksygen og et nitrogenatom var sannsynlige kandidater. To uavhengige røntgenutslippsspektroskopistudier i 2011 viste at det interstitielle atomet i midten av klyngen er et karbonatom. Styrken til det sentrale karbonet ble også bestemt i 2017 ved hjelp av nyere datasimuleringer. I tilfelle molybdenmangel er det noen bakterier som kan produsere alternative kofaktorer som inneholder vanadium eller bare jern i stedet for molybden . Nitrogenasen til de fleste bakterier, som alle enzymer med jern-svovelklynger, er ekstremt følsom for oksygen. For å beskytte enzymet mot oksygen har bakterier utviklet forskjellige tilpasninger, for eksempel tykke slimkapsler eller spesielt tykkveggede celler. Bakterier som utfører oksygenisk fotosyntese skiller nitrogenfikserende celler ( heterocyster ) romlig fra oksygenfrigivende celler, eller de assimilerer bare nitrogen om natten når lysreaksjonen fra fotosyntese er inaktiv. Noen bakterier kan bare fiksere nitrogen i symbiose, for eksempel rhizobia (knuterbakterier) som lever med planter (ofte belgfrukter ). Siden plantene selv ikke er i stand til å fiksere elementært, molekylært nitrogen, er de avhengige av produktet av den bakterielle nitrogenasen. Den dannede ammoniakken er utgangsmaterialet for dannelsen av glutaminsyre og glutamin .

Katalysert reaksjon

Siden N _{2 er} en meget stabil og inert molekyl (den bindingsenergien er 945 kJ / mol), en stor mengde energi er nødvendig for å bryte trippelbindingen mellom de to nitrogenatomene . Energien som kreves for dette blir levert av energibæreren ATP . Ammoniakk er produktet av denne reaksjonen .

Sumligningen for reaksjonen katalysert av nitrogenase er:

${\ displaystyle \ mathrm {N_ {2} +8 \ H ^ {+} + 8 \ e ^ {-} + 16 \ ATP + 16 \ H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ NH_ {3} + H_ {2 } +16 \ ADP + 16 \ H_ {3} PO_ {4}}}$

Aktiviteten til nitrogenase er ikke begrenset til nitrogen; enzymet reduserer også andre trippelbindinger, for eksempel de av etyn , cyanid , azider eller nitrogenoksider . Under naturlige forhold har denne eiendommen sannsynligvis ingen betydning. Imidlertid brukes reduksjonen av etyn til eten for å påvise nitrogenase eksperimentelt.

regulering

Hele prosessen med biologisk nitrogenfiksering er relativt kompleks og krever samspillet mellom flere enzymer, hvorav nitrogenase er det viktigste. Genene til disse enzymene er underlagt streng regulering. Deres transkripsjon er slått av , for eksempel, ved oksygen- og nitrogenforbindelser slik som nitrat og enkelte aminosyrer . Å slå av med nitrogenforbindelser er fordelaktig fordi bruk av nitrogen fra disse kildene bruker mye mindre energi.

I Klebsiella pneumoniae reguleres nitrogenaseaktivitet på transkripsjonsnivå via nifLA- operonet. Proteinet NifL er en sensor for O ₂ , NifA er blant annet en transkripsjonsaktivator for nifHDKY- operonet, som koder for de strukturelle elementene i nitrogenase. Hvis bakterien utsettes for oksygen, danner NifL og NifA en heterodimer, kan NifA ikke fungere som en aktivator og nitrogenase uttrykkes ikke. Denne effekten er fornuftig fordi nitrogenase vil bli inhibert av O ₂ og uttrykk i nærvær av O ₂ vil være et rent sløsing med energi. Uttrykket av genene nifL og nifA i seg selv er startet av NtrC. Denne faktoren signaliserer behovet for å fikse nitrogen.

Se også

• Nitrogenfiksering
• Rhizobia

Individuelle bevis

1. ↑ T. Spatzal, M. Aksoyoglu, L. Zhang, SLA Andrade, E. Schleicher, S. Weber, DC Rees, O. Einsle: Evidence for Interstitiell Carbon i nitrogenase FeMo kofaktor. I: Vitenskap. 334, 6058, s. 940, doi: 10.1126 / science.1206445 .
2. ↑ KM Lancaster, M. Roemelt, P. Ettenhuber, Y. Hu, MW Ribbe, F. Neese, U. Bergmann, S. DeBeer: X-ray utslipp spektroskopi Bevis en Sentral Carbon i nitrogenase Iron-molybden kofaktor. I: Vitenskap. 334, 2011, s. 974-977, doi: 10.1126 / science.1206445 .
3. ↑ J. Grunenberg: Det interstitielt bundne karbonet i nitrogenasen er betydelig mer stabilt enn tidligere antatt. I: Angewandte Chemie. 2017, 129, s. 7394-7397, doi: 10.1002 / anie.201701790 .
4. ↑ PROSITE-dokumentasjon PDOC00085. Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), åpnet 20. september 2011 (engelsk). 
5. ↑ PROSITE-dokumentasjon PDOC00580. Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), åpnet 20. september 2011 (engelsk). 
6. N RN Pau, ME Eldridge, DJ Lowe, LA Mitchenall, RR Eady: Molybdenuavhengig nitrogenaser av Azotobacter vinelandii: en funksjonell art av alternativ nitrogenase-3 isolert fra en molybden-tolerant stamme inneholder en jern-molybden-kofaktor . I: Biochem. J .. 293 (Pt 1), juli 1993, s. 101-7. PMID 8392330 . PMC 1134325 (gratis fulltekst).
7. ↑ AN Glazer, KJ Kechris: Konserverte aminosyresekvensegenskaper i alfa-underenhetene til MoFe, VFe og FeFe nitrogenaser . I: PLoS ONE . 4, nr. 7, 2009, s. E6136. doi : 10.1371 / journal.pone.0006136 . PMID 19578539 . PMC 2700964 (gratis fulltekst).
8. ↑ Bruk av klonet nif (nitrogenfiksering) DNA for å undersøke transkripsjonsregulering av nif-ekspresjon i Klebsiella pneumoniae
9. ↑ Positiv kontroll og autogen regulering av promotoren nifLA i Klebsiella pneumoniae