Секрет азотфиксаторов

Азот по химическим свойствам близок к инертным газам. Это и хорошо, потому что если бы азот легко расщеплялся и окислялся кислородом воздуха, то дожди состояли бы из растворов азотной и азотистой кислот.

Одной из причин кислотных дождей являются выбросы химических комбинатов, производящих азотные удобрения. Там в реакторах при большом давлении и высокой температуре с помощью железосодержащих катализаторов идет процесс восстановления азота до аммиака, который затем используется для получения удобрений.

В природе же все проходит гораздо тише и спокойнее. Вот уже многие миллиарды лет микроорганизмы с помощью фермента нитрогеназы усваивают атмосферный азот сами или в симбиозе с бобовыми растениями. Еще в конце 1980-х гг. была опубликована первая «картинка» фермента, полученная с разрешением 2,8 Е, затем более «четкая», когда разрешение увеличили почти в 2 раза.

Но при таком низком по современным понятиям разрешении не удавалось четко рассмотреть «сердцевину» энзима, а именно его кофактор, представляющий собой металлический кластер. Сам кофактор «гнездится» в глубине огромной молекулы белка массой 240 тыс. дальтон (240 кДа), который подобно гемоглобину красных кровяных клеток, состоит из двух альфа- и двух бета-цепей.

В целом нитрогеназа представлена двумя металлосодержащими частями: первая содержит железо и передает второй части, содержащей молибден, его электроны для восстановления азота. А во второй части находится кофактор, что характерно для многих ферментов. Кофактор нитрогеназы представлен гомоцитратом, который одним из полюсов связан химической связью с металлическим кластером, о котором шла речь выше.

Кластер удерживается белком всего лишь в двух точках. Молибден удерживается азотом пятичленного имидазольного кольца боковой цепи аминокислоты гистидина (в гемоглобине гистидин удерживает железо гема).

На противоположном полюсе кластера находится железо, которое связано с серой бокового радикала аминокислоты цистеина. В целом строение кофактора можно представить следующим образом.

Новый рентгеноструктурный анализ нитрогеназы из Azotobacter vinelandii проведен в Калифорнийском технологическом институте (Лос-Анджелес). Его разрешающая способность просто фантастическая и приближается к 1 ! Это достигнуто за счет усовершенствования оборудования и мощных компьютеров. Расстояния между атомами кластера измерены с точностью до 0,03 .

Металлический кластер представляет собой треугольную призму, на которую сверху и снизу прикреплены тетраэдры из железа и железа с молибденом (для сравнения – тетраэдрическую форму имеет молекула метана СН₄) в которой водороды находятся в четырех вершинах, а углерод – в центре этой пространственной геометрической фигуры):

В железном тетраэдре места водородов занимают атомы железа, в центре же ничего нет. В вершине тетраэдра на другом полюсе находится молибден, в его основании располагаются три атома железа. Почти в центре трехгранной призмы, образованной двумя треугольными основаниями тетраэдров, находится «фиксированный» азот. Он слегка подтянут к тетраэдру, составленному из четырех атомов железа, которые оказывают на него большее влияние, нежели тетраэдр с молибденом.

«Малые» расстояния от азота до железа колеблются от 1,95 до 2,03 , а большие – до молибденового тетраэдра, вернее атомов железа его основания, от 1,99 до 2,07. Расстояния между атомами железа в железном тетраэдре практически одинаковы (2,66–2,67 ), а вот от молибдена до атомов железа основания разнятся в большей степени: 2,67–2,73 . Ребро призмы с азотом имеет длину 2,58 .

Все это ученые увидели и смогли измерить в первый раз. Они отмечают, что расстояние между атомами железа в железистых металлах существенно меньше расстояния между атомами железа в кофакторе. Ученые полагают, что подобная «растянутость связей» способствует большей подвижности электронов железа, которые легче отдаются молекулой нитрогеназы на восстановление азота до аммиака.

Новый рентгеноструктурный анализ нитрогеназы приближает нас к пониманию сложных квантовых механизмов, лежащих в самом начале природного цикла азота – одного из важнейших биогенных элементов биосферы, без которого невозможны синтезы аминокислот, нуклеотидов, а следовательно, и белков с нуклеиновыми кислотами, являющимися основой жизни.

Есть и другой аспект этой работы. В настоящее время экология промышленных зон страдает от большого количества азотных выбросов, что ведет к кислотным дождям, от которых гибнут леса и страдают люди. К тому же процесс фиксации азота является чрезвычайно энергоемким, что также налагает огромное экологическое «бремя» на нашу среду обитания.

Вместе с тем микробы вот уже миллиарды лет «спокойно» фиксируют азот, восстанавливая его в активных центрах своих ферментов и не оказывая неблагоприятного воздействия на среду. Теперь мы точно, до долей ангстрема знаем, как устроена нитрогеназа и ее активный центр с металлосодержащим кофактором.

Схема кофактора нитрогеназы