Wie macht das eigentlich die Natur mit der Stickstofffixierung?
Neue Wege zur Stickstofffixierung - Teil 3
In der Natur gibt es Bakterien und symbiotische Diazotrophe, die aus N2 Stickstoffverbindungen erzeugen. Diese natürliche Stickstofffixierung wird durch Nitrogenase-Enzyme katalysiert. Die Nitrogenasen arbeiten anaerob bei Raumtemperatur und Normaldruck. Die dabei ablaufenden Reaktionen können wie folgt zusammengefasst werden:
Die erste Strukturanalyse einer Nitrogenase wurde 1992 von Kim und Rees publiziert (J. Kim, D. Rees: Structural models for the metal centers in the nitrogenase molybdenum-iron protein, Science 257 (1992) 1677-1682). Die Nitrogenase besteht aus zwei Proteinen. Das eine ist ein elektronenreiches Eisen-Schwefel-Protein mit einem [4Fe:4S]-Cluster, welcher dem Elektronentransfer dient. Das andere ist ein Eisen-Molybdän-Protein mit einem [8Fe:7S]-Cluster (der "P-Cluster"), der ebenfalls dem Elektronentransfer dient und einem Eisen-Molybdän-Cluster (der "M-Cluster"). Dieser wird auch als Eisen-Molybdän-Cofaktor ("FeMeco") bezeichnet. Die Gesamtstruktur einer Nitrogenase ist in Abbildung 1 gezeigt.
Abbildung 1: Proteinstruktur einer Nitrogenase nach Science 334 (2011) 940-940. (Die Abbildung wurde aus den in der PDB hinterlegten Daten erzeugt.)
Die von Kim und Rees gefundene Struktur des Eisen-Molybdän-Cofaktors zeigte eine äußerst ungewöhnliche Komplexverbindung, bestehend aus sieben Eisenatomen und einem Molybdänatom, die durch Schwefelatome verbrückt sind. Im Zentrum dieses Komplexes soll sich ein Hohlraum von ca. 4 Angström Durchmesser befinden. Durch detaillierte Untersuchungen an Nitrogenasen konnte gezeigt werden, dass in diesem Cluster wahrscheinlich die Stickstofffixierung abläuft (Seefeldt, L. C.; Hoffman, B. M.; Dean, D. R. Mechanism of Mo-Dependent Nitrogenase, Annu. Rev. Biochem. 2009,78, 701-722, Volltext abrufbar bei NIH Public Access). Daher konzentrierten sich viele weitere Forschungsarbeiten auf diesen Cluster.
Eine erneute Strukturanalyse der Nitrogenase mit einer Auflösung von 1.16 Angström wurde 2002 veröffentlicht (O. Einsle, F. A. Tezcan, S. L. A. Andrade, B. Schmid, M. Yoshida, J. B. Howard, D. C. Rees: Nitrogenase MoFe-Protein at 1.16 Å Resolution: A Central Ligand in the FeMo-Cofactor, Science 297 (2002) 1696-1700). Darin konnten die Autoren anhand der Elektronendichteverteilung zeigen, dass sich im Zentrum des Komplexes keinen Hohlraum sondern ein Atom befindet! Dabei kann es sich um Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff handeln. Anhand der vorliegenden Daten wurde ein Stickstoffatom vermutet.
Nach neuesten Erkenntnissen befindet sich im Zentrum des Komplexes vermutlich ein Kohlenstoffatom und kein Stickstoffatom! Einerseits deuten Untersuchungen mit Röntgenemissionsspektroskopie in Kombination mit DFT-Rechnungen auf eine zentrales Kohlenstoffatom hin (K. M. Lancaster, M. Roemelt, P. Ettenhuber, Y. Hu, M. W. Ribbe, F. Neese, U. Bergmann, S. DeBeer: X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor, Science 334 (2011) 974-977). Andererseits wurde ungefähr zur selben Zeit eine erneute Verfeinerung der Strukturanalyse des Eisen-Molybdän-Cofaktors veröffentlicht, in der das zentrale Atom mit größerer Wahrscheinlichkeit als Kohlenstoff identifiziert wurde. Außerdem verwendeten die Autoren isotopenmarkierte Verbindungen in Kombination mit einer komplizierten EPR-Technik (ESEEM), um dem zentralen Atom in diesem Komplex auf die Spur zu kommen (T. Spatzal, M. Aksoyoglu, L. Zhang, S. L. A. Andrade, E. Schleicher, S. Weber, D. C. Rees, O. Einsle: Evidence for Interstitial Carbon in Nitrogenase FeMo Cofactor, Science 334 (2011) 940-940. Volltext verfügbar unter NIH Public Access).
Der genaue Mechanismus der natürlichen Stickstofffixierung ist immer noch unbekannt, da es bisher noch nicht gelungen ist, Kristalle zu erhalten, bei denen N2 an die Nitrogenase gebunden ist. Daher bleibt dieses Forschungsgebiet spannend und es sind weitere aufregende Entdeckungen zu erwarten.
Weitere Links zum Thema:
- X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor von Serena DeBeer
- The mysterious central atom in the nitrogenase FeMo cofactor von Kevin Hwang, Literature Seminar
- SLAC Research Cracks Puzzle of Enzyme Critical to Food Supply - Pressemitteilung von SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA
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