Как зафиксировать азот

Наука постоянно стремится к увеличению приборного разрешения: сначала была лупа, затем обычный микроскоп, потом электронный микроскоп и т.д. В течение 1990-х гг. ученые сумели снизить порог разрешения при рентгеноструктурном анализе тех же белков с 3 до 2 .

Сейчас довольно странно читать, что Дж.Уотсон и Ф.Крик с трудом различали ДНК на размытых рентгенограммах в лаборатории Кембриджа. А что вы хотите? Ведь тогда все делалось вручную, эмульсии были фотографические, а источники излучения некогерентные.

Но самое главное даже не в этом. У того поколения не было компьютеров, а уж тем более суперкомпьютеров. Поэтому попытки увеличить разрешение при рентгеноструктурном анализе наталкивались на «рябь» (подобную той, что на поверхности воды изредка пробегает в тихий летний вечер) от образований, окружающих искомый атом.

Однако технология не стоит на месте. Специалистам Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе удалось с помощью компьютеров избавиться от этой «ряби» и тем самым повысить разрешение своего прибора до 1 !

С использованием усовершенствованного оборудования был проведен рентгеноструктурный анализ знаменитого фермента нитрогеназы, с помощью которого азотфиксирующие микроорганизмы и бобовые растения связывают атмосферный азот и восстанавливают его до «удобоваримого» для растений аммиака.

Нитрогеназа, подобно гемоглобину, состоит из двух - и двух -цепей, т.е. является тетрамером, в активном центре которого располагается железомолибденовый кофактор, представляющий собой гомоцитрат, соединенный одним из своих концов с атомом молибдена. За этим атомом следует сложная пространственная конструкция металлического кластера, составленного из атомов железа. Для прочности кластерной конструкции между атомами железа «вставлены» атомы серы. В целом кофактор может быть представлен следующим образом:

гомоцитрат–[1Мо:7Fe:9S].

В молекуле нитрогеназы помимо фрагмента с железомолибденовым кофактором есть также просто железосодержащая субъединица (аналогичная имеющейся в гемоглобине, цитохроме и других подобных протеинах). Эта часть энзима «поставляет» электроны для кофактора.

Поначалу структура фермента наблюдалась при разрешении 2,8 , затем – 1,6 . Однако при таких «низких» разрешениях не удавалось рассмотреть «сердцевину» – металлический кластер, где и происходит разрушение молекулы атмосферного азота.

Благодаря увеличению разрешения до 1 удивительная структура предстала перед учеными во всей своей химически безупречной красоте. Белок присоединен к ее двум «остриям»: с одного конца к атому молибдена, а с другого – к одному из атомов железа. С атомом молибдена связан нуклеофильный атом N гистидинового кольца, а с атомом железа связь осуществляет атом серы цистеинового фрагмента (схема).

На обоих полюсах либо из четырех атомов железа, либо из атома молибдена и трех атомов железа образованы тетраэдры. В этих тетраэдрах треугольные основания обращены внутрь кластера, формируя треугольную призму. Посередине ребер тетраэдров и призмы в три «этажа» расположены тройки атомов серы, служащие как бы «прокладками» между соответствующими атомами железа или железа и молибдена (в приведенной выше схематичной структуре «сердцевины» они не показаны).

Расстояния между атомами в металлическом кластере измерены с точностью до 0,03 . Среди этих расстояний малые находятся в пределах от 1,95 до 2,03 , а большие – от 1,99 до 2,07 . Атомы в вершинах тетраэдров удалены от атомов в их основаниях на ~2,7 .

Интересно, что в катализаторе известного промышленного способа связывания азота и производства аммиака расстояния между атомами практически те же самые. Но без белка синтез аммиака происходит при высоких температурах и давлениях.

В центре треугольной призмы фиксируется молекула атмосферного азота, причем к тетраэдру из четырех атомов железа она находится чуть ближе, чем к тетраэдру, содержащему атом молибдена, на другом полюсе. Вполне возможно, что именно это и создает те квантово-химические условия, которые необходимы для разрыва молекулы азота.

Среднее расстояние между атомами в металлическом железе значительно меньше, чем в однородном кластерном тетраэдре. Не исключено, что более рассосредоточенные в пространстве атомы железа легче отдают электроны на восстановление молекулярного азота.

Теперь, когда структура каталитической «сердцевины» фермента известна, надо приниматься за ее моделирование, чтобы со временем создать катализатор, который будет так же эффективно и при обычных (комнатных) условиях фиксировать столь нужный нам азот из атмосферы.

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Science, 2002, v. 197, № 5587, p. 1696)