Nitrogenase is een opmerkelijk enzymcomplex dat de omzetting van atmosferische stikstof (N2) in ammoniak (NH3) katalyseert, een cruciale stap in de stikstofcyclus en essentieel voor het leven op aarde. Het begrijpen van het ingewikkelde mechanisme van stikstofase is al lang een uitdaging in de biochemie, en er is de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt.

Het stikstofase-enzymcomplex bestaat uit twee metallo-enzymen:het molybdeen-ijzer (MoFe) eiwit en het ijzer-zwavel (FeS) eiwit. Het MoFe-eiwit herbergt de actieve plaats waar N2-reductie plaatsvindt, terwijl het FeS-eiwit dient als elektronendonor en ATP-hydrolyserende eenheid.

Stikstofbinding:

1. Substraattoegang: De actieve plaats van stikstofase ligt diep begraven in het MoFe-eiwit, waardoor een beschermende omgeving ontstaat voor het delicate N2-reductieproces. Een reeks aminozuurresiduen en een molybdeencofactor (MoFe7S9C-homocitraat) vormen de "FeMo-cofactor", die dient als bindingsplaats voor N2.

2. Zwakke binding: Stikstof bindt zich reversibel aan de FeMo-cofactor via een "zijwaartse" interactie, waarbij de N-N drievoudige binding parallel loopt aan het FeMo-cluster. Deze zwakke binding zorgt voor de noodzakelijke mobiliteit en activering van N2.

Stikstofreductie:

1. ATP-hydrolyse: Het FeS-eiwit hydrolyseert ATP om energie te leveren voor het stikstofreductieproces. Deze hydrolyse genereert een hoogenergetisch elektron dat wordt overgebracht naar het MoFe-eiwit.

2. Elektronenoverdracht: Het hoogenergetische elektron reduceert een reeks ijzer-zwavelclusters binnen het MoFe-eiwit, waardoor het elektron uiteindelijk wordt afgeleverd aan de FeMo-cofactor.

3. Protonatie en reductieve splitsing: De gereduceerde FeMo-cofactor interageert met protonen (H+) uit de omgeving. Deze protonen nemen, samen met de elektronen, deel aan een reeks protonatie-reductiestappen die leiden tot de splitsing van de N-N drievoudige binding. Dit proces resulteert in de vorming van twee NH3-moleculen.

Het stikstofasemechanisme omvat meerdere cycli van ATP-hydrolyse, elektronenoverdracht en protonatie-reductiereacties. Elke cyclus brengt N2 dichter bij volledige reductie, wat uiteindelijk twee moleculen ammoniak oplevert. Het enzymcomplex ondergaat ook een reeks conformationele veranderingen tijdens de katalytische cyclus, die substraatbinding, elektronenoverdracht en productafgifte vergemakkelijken.

Ondanks de aanzienlijke vooruitgang die is geboekt bij het begrijpen van stikstofase, zijn er nog steeds aspecten van het mechanisme die nog volledig moeten worden opgehelderd. Verder onderzoek heeft tot doel een gedetailleerder verslag te geven van de ingewikkelde stappen die betrokken zijn bij stikstofreductie en de regulering van de stikstofase-activiteit, en draagt ​​bij aan ons begrip van dit vitale biologische proces.