Mo-, V- und Fe-Nitrogenasen verwenden einen universellen acht-Elektronen reduktiven Eliminierungsmechanismus zur Erreichung der N2-Reduktion

Drei genetisch unterschiedliche, aber strukturell ähnliche Isoenzyme der Nitrogenase katalysieren die biologische N2-Reduktion zu 2NH3: Mo-, V- und Fe-Nitrogenase, benannt nach dem Metall (M) in ihren aktiven Standort-Metallcofaktoren (Metallion-Zusammensetzung, MFe7). Studien an dem Mo-Enzym haben wichtige Aspekte seines Mechanismus für N2-Bindung und -Reduktion enthüllt. Zentral für diesen Mechanismus ist die Ansammlung von vier Elektronen und Protonen auf seinem aktiven Standort-Metallcofaktor, genannt FeMo-co, als metallgebundene Hydride, um den Schlüsselzustand E4(4H) ("Janus") zu erzeugen. Die N2-Bindung/-Reduktion in diesem Zustand ist gekoppelt an die reduktive Eliminierung (re) der beiden Hydride als H2, die Vorwärtsrichtung eines reduktiven Eliminierungs-/oxidativen Hinzufügungs-(re/oa) Gleichgewichts. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass die Fe-Nitrogenase denselben re/oa-Mechanismus verfolgt, insbesondere belegt durch die HD-Bildung während des Umsatzes unter N2/D2. Kinetische Analysen haben ergeben, dass Mo- und Fe-Nitrogenasen ähnliche Geschwindigkeitskonstanten für die wasserstoffaseähnliche H2-Bildung durch Hydrid-Protonolyse (kHP) aufweisen, jedoch signifikante Unterschiede in der Geschwindigkeitskonstante für die H2-re mit N2-Bindung/-Reduktion (kre) bestehen. Wir berichten nun, dass die V-Nitrogenase ebenfalls HD-Bildung während des N2/D2-Umsatzes zeigt (und H2-Hemmung der N2-Reduktion), wodurch das re/oa-Gleichgewicht als universeller Mechanismus für die N2-Bindung und -Aktivierung unter den drei Nitrogenasen etabliert wird. Kinetische Analysen zeigen weiter, dass Unterschiede in den katalytischen Effizienzen nicht aus signifikanten Unterschieden in der Geschwindigkeitskonstante (kHP) für die H2-Produktion durch die wasserstoffaseähnliche Seitenreaktion stammen, sondern direkt aus den Unterschieden in der Geschwindigkeitskonstante (kre) für die re von H2 gekoppelt an die N2-Bindung/-Reduktion, die in der Reihenfolge Mo > V > Fe abnimmt.