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》论文
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文章|开放获取|出版时间:2020年10月28日
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》论文
邓兰,王洪鑫,克里斯蒂·h·达珀,威廉·e·牛顿,谢尔盖·希洛夫,王顺林,斯蒂芬·p·克莱默,周兆辉
Doi:10.1038/s42004-020-00392-z |原文链接

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(*菲7年代9C (R- (H) homocit *](半胱氨酸)(hhi) (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。来自厦门大学周朝晖团队研究表明,高柠檬酸对于稳定原子和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。

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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[ΛΛ、ΛΛ(*4O11R-Hhomocit *)2]∙Cl∙5 h2O和一对质子化的R年代-乳酸钼(V)络合物[Δ/Λ(*2O22- s)(μ2- o) (R年代-Hlact *)2(trz)2(trz)]∙½H2O (R1年代2) (H2注射=乳酸,trz = 1, 2, 4 -三氮唑。以12、去质子化的R年代-乳酸钼(VI)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≡≡/切断哦VCD振动频率范围确定为1100 ~ 1000厘米1

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通过比较R -乳酸钼的ν(c)和ν(切断)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)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。