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FeMoco ( FeMo補因子) は、ニトロゲナーゼの主な補因子です。ニトロゲナーゼは、窒素固定と呼ばれるプロセスを通じて、大気中の窒素分子 N 2をアンモニア(NH 3 )に変換する触媒作用を持つ酵素です。鉄とモリブデンを含むため、この補因子は FeMoco と呼ばれています。その化学量論はFe 7 MoS 9 C です。
構造
FeMo 補因子は、組成 Fe 7 MoS 9 Cのクラスターです。このクラスターは、1 つの Fe 4 S 3 (硫化鉄 (III) ) クラスターと 1 つの MoFe 3 S 3クラスターから構成される 2 つのサブユニットとして考えることができます。2 つのクラスターは、3 つの硫化物リガンドと架橋炭素原子によって結合しています。固有の鉄 (Fe) は、システインによってタンパク質に固定されています。また、3 つの硫化物にも結合しており、四面体分子構造を形成しています。クラスター内の追加の 6 つの Fe 中心は、それぞれ 3 つの硫化物に結合しています。これらの 6 つの内部 Fe 中心は、中央の炭化物中心の周囲に三角柱状の配置を定義します。モリブデンは 3 つの硫化物に結合しており、ヒスチジン残基のイミダゾール基によってタンパク質に固定されています。Mo には、二座ホモクエン酸補因子も結合しており、八面体構造を形成しています。[2] MoFeタンパク質の結晶構造解析により、FeMocoの形状と化学組成が最初に明らかになり、[3] [4] [5]その後、拡張X線吸収微細構造（EXAFS）研究によって確認されました。[6] Fe-S、Fe-Fe、Fe-Mo距離はそれぞれ2.32、2.64、2.73Åと決定されました。[6]
生合成
FeMocoの生合成は、いくつかのNif遺伝子産物、具体的にはnifS、nifQ、nifB、nifE、nifN、nifV、nifH、nifD、およびnifK（タンパク質NifS、NifUなどとして発現）を必要とする複雑なプロセスです。FeMocoの組み立ては、Feと硫化物を小さなFe-Sフラグメントに動員するNifSとNifUによって開始されると提案されています。これらのフラグメントはNifBスキャフォールドに転送され、Fe 7 MoS 9 Cクラスターに配置されてから、NifENタンパク質（nifEとnifNによってコードされる）に転送され、MoFeタンパク質に送達される前に再配置されます。[7]生合成には他にもいくつかの因子が関与しています。たとえば、NifVはホモクエン酸をFeMocoに供給するホモクエン酸シンターゼです。タンパク質因子である NifV は、Mo の貯蔵および/または動員に関与していると考えられています。Fe タンパク質は、MoFe タンパク質の電子供与体です。これらの生合成因子は解明され、生化学、分光学、構造分析によって確認された正確な機能と配列によって特徴付けられています。
核原子の正体
M クラスター合成に直接関与する 3 つのタンパク質は、NifH、NifEN、および NifB です。NifB タンパク質は、補因子の Fe-S コアの組み立てを担っており、2 つの [4Fe-4S] クラスターを縫い合わせるプロセスです。NifB は SAM (S-アデノシル-L-メチオニン) 酵素スーパーファミリーに属します。FeMo 補因子の生合成中、NifB とその SAM 補因子は、Fe-S 複合体の中心への炭素原子の挿入に直接関与します。SAM の同等物はメチル基を供与し、これが M クラスターの格子間炭化物になります。SAM のメチル基は、5'-デオキシアデノシンラジカル (5'-dA·) による H のラジカル除去によって動員されます。おそらく、一時的な –CH2· ラジカルが形成され、その後、金属クラスターに組み込まれて Fe 6 -炭化物種を形成します。格子間炭素は、窒素固定酵素に挿入された後もFeMo補因子と関連したままになります。[8] FeMocoの中心原子が炭素種であることは、2011年に特定されました。[5] [9]特定方法は、13 C/ 15 N標識とパルスEPR分光法、および完全な原子分解能でのX線結晶構造解析の組み合わせに依存していました。[5]さらに、X線回折法を使用して、FeMo補因子の中央に中心炭素原子があることを確認し、X線発光分光研究では、2p→1s炭素-鉄遷移により中心原子が炭素であることが示されました。[9] X線結晶構造解析の使用により、FeMo補因子は触媒型ではありませんが、炭素が構造を強固に保ち、窒素固定酵素の反応性を説明するのに役立つことが示されました。
電子特性
電子常磁性共鳴分光法による分析によると、FeMo補因子の静止状態ではスピン状態はS=3/2である。1電子還元により、補因子はEPRサイレントになる。タンパク質付加物で電子が移動するプロセスを理解することで、FeMo補因子のより正確な運動モデルが示される。[10]密度汎関数理論計算および空間分解異常分散改良により、正式な酸化状態はMo IV -2Fe II -5Fe III -C 4− -H +であることが示唆されているが、「真の」酸化状態は実験的に確認されていない。[11] [12]
基質結合
複合体への基質の結合位置はまだ解明されていない。格子間炭素に最も近い Fe 原子が基質の活性化に関与していると考えられているが、末端モリブデンも窒素固定の候補である。[13] MoFe タンパク質と窒素と等電子である一酸化炭素(CO) を使用したX 線結晶構造解析研究では、一酸化炭素が FeMoco の Fe2-Fe6 端に結合することが実証された。[14]追加の研究では、2 つの CO 分子が FeMoco に同時に結合することが示され、生物学的フィッシャー・トロプシュ型化学の構造的基礎が示された。 [15] [16]時間分解X 線結晶構造解析と組み合わせた Se 取り込み研究では、基質結合イベント時に FeMoco 構造の主要な構造再配置が証明された。[17]
分離
FeMo補因子を窒素固定酵素から分離するには、窒素固定酵素をMoFeタンパク質とFeタンパク質に遠心沈降させる。FeMo補因子は、MoFeタンパク質を酸で処理して抽出する。最初の抽出はN,N-ジメチルホルムアミドで行い、2回目の抽出はN-メチルホルムアミドとNa 2 HPO 4の混合物で行い、最後に遠心分離で沈降させる。[18]
参考文献
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