FeMoco
LeFeMoco,oucofacteur FeMo,est le principalcofacteurde lanitrogénase,enzymequicatalysela conversion desmoléculesd'azoteatmosphériqueN2enammoniacNH3par le processus connu sous le nom defixation de l'azote.Il a pourformule chimiqueFe7MoS9Cet contient dusoufre,dufer,dumolybdèneet ducarbone.
Structure
[modifier|modifier le code]Le cofacteur FeMo est unclusterde composition Fe7MoS9C.Ce grandclusterpeut être considéré comme composé d'une unité Fe4S3(dérivée dusulfure de fer(III)Fe2S3) et d'une unité MoFe3S3.Les deux unités sont liées par troisligandssulfurepontants.Unatomedeferest lié à l'apoprotéinepar unrésidudecystéine.Il est également lié à trois ligands sulfure, d'où unegéométrie moléculaire tétraédrique.Les six centres fer supplémentaires dans leclustersont chacun liés à trois ligands sulfure et définissent unegéométrie prismatique trigonaleautour d'uncarburecentral. L'atome demolybdèneest lié à trois ligands sulfure et à la protéine par legroupeimidazoled'un résidu d'histidine.Un cofacteur d'homocitratebidentateest également lié à l'atome demolybdène,ce qui conduit à unegéométrie octaédrique[1].L'analyse cristallographique de la protéine MoFe avait permis de proposer une géométrie pour le FeMoco, qui a été confirmée par des étudesEXAFS[2],[3].La longueur desliaisonsFe–S,Fe–FeetFe–Moa été déterminée à232pm,264pmet273pmrespectivement[3].
Propriétés électroniques
[modifier|modifier le code]D'après l'analyse parrésonance paramagnétique électronique(RPE), l'état de spin du cofacteur FeMo au repos est deS=3⁄2.Lors d'uneréductionpar unélectron,le cofacteur devient silencieux par RPE. Comprendre le processus dans lequel un électron est transféré dans l'adduitprotéique permet d'affiner le modèle cinétique du cofacteur FeMo[4].Les calculs parthéorie de la fonctionnelle de la densitésuggèrent que lesétats d'oxydationformels sont MoIV-2FeII-5FeIII-C4−-H+,tandis que les états d'oxydation réels n'ont pas été confirmés expérimentalement[5].
Biosynthèse
[modifier|modifier le code]Labiosynthèsedu FeMoco est un processus compliqué qui nécessite plusieurs produits desgènesNif(en),en particulier ceux denifS,nifQ,nifB,nifE,nifN,nifV,nifH,nifDetnifK,expriméssous forme desprotéinesNifS, NifU,etc.On pense que l'assemblage du FeMoco est amorcée par NifS et NifU qui mobilisent leferet lesulfureen petits fragmentsFe–S.Ces fragments sont transférés sur l'échafaudage NifB et disposés dans unclusterFe7MoS9Cavant le transfert vers la protéine NifEN,codéepar lesgènesnifEetnifN,et réarrangés avant d'être apportés à la protéine MoFe[6].Plusieurs autres facteurs contribuent à la biosynthèse. Par exemple, NifV est l'homocitrate synthasequi fournit l'homocitrate au FeMoco. On pense que NifV est impliqué dans le stockage et/ou la mobilisation dumolybdène.La protéine Fe est le donneur d'électrons de la protéine MoFe. Ces facteurs biosynthétiques ont été élucidés et caractérisés avec leurs fonctions et séquences exactes, confirmées par des analyses biochimiques, spectroscopiques et structurelles.
Isolation
[modifier|modifier le code]L'isolation du FeMoco de lanitrogénaseest réalisée parsédimentationcentrifuge de la nitrogénase pour donner la protéine MoFe et la protéine Fe. Le FeMoco est extrait en traitant la protéine MoFe avec desacides.La première extraction est obtenue avec duN,N-diméthylformamideet la seconde par un mélange deN-méthylformamideet d'hydrogénophosphate de sodiumNa2HPO4avant sédimentation finale par centrifugation[7].
Nature et rôle de l'atome central du cofacteur
[modifier|modifier le code]Les trois protéines qui jouent un rôle direct dans la synthèse duclustersont NifH, NifEN et NifB. La protéine NifB est responsable de l'assemblage ducomplexeFe-Sducofacteur,selon un processus qui implique d'emboîter deux centres [4Fe-4S]. Cette protéine appartient à lasuperfamilledite àradical SAM,c'est-à-dire qui utilisent unradical désoxyadénosyle(en)issu duclivagede laS-adénosylméthionine(SAM) commeintermédiaire réactionnel.Lors de labiosynthèsedu cofacteur FeMo, NifB et son cofacteur SAM sont directement impliqués dans l'insertion d'un atome de carbone au centre du complexe Fe-S. Un équivalent de la SAM cède un groupeméthyle,qui donne lecarbureinterstitiel ducluster.Le groupe méthyle de la SAM est mobilisé par élimination radicalaire d'un atome d'hydrogène par unradical5’-désoxyadénosine (5’-dA·). On pense qu'il se forme un radical transitoireCH2•qui est par la suite incorporé dans leclustermétalliquepour former uneespècede carbure de Fe6.Cet atome de carbone interstitiel reste associé au FeMoco après insertion dans lanitrogénase[8].La nature de l'élément chimiquea été confirmée par marquage aucarbone 13parrésonance paramagnétique électronique pulsée(en)[9].La présence d'un atome central dans le FeMoco a été par ailleurs confirmée pardiffactométrie aux rayons X,la nature de cet atome étant par ailleurs confirmée comme étant du carbone par l'observation de latransition électroniquecarbone-fer2p→1s[10].La cristallographie aux rayons X a montré que le carbone maintient la structure rigide du FeMoco lorsqu'il n'est pas sous forme catalytique, ce qui aide à comprendre la réactivité de la nitrogénase.
Notes et références
[modifier|modifier le code]- (en)G. J. Leigh,Structure and Spectroscopic Properties of Metallo-sulfur Clusters Nitrogen Fixation at the Millennium,chapitre 5, Elsevier Science, Amsterdam, 2002,p.209-210.(ISBN978-0444509659)
- (en)Jongsun Kim et D. C. Rees,«Structural Models for the Metal Centers in the Nitrogenase Molybdenum-Iron Protein»,Science,vol.257,no5077,,p.1677-1682(PMID1529354,DOI10.1126/science.1529354,Bibcode1992Sci...257.1677K,lire en ligne)
- (en)R. M. Roat-Malone, « Chapitre 6: MoFe Protein Structure »,Bioinorganic Chemistry,John Wiley, Hoboken, New Jersey, 2002,p.253-254.(ISBN978-0471265337)
- (en)Barbara K. Burgess et David J. Lowe,«Mechanism of Molybdenum Nitrogenase»,Chemical Reviews,vol.96,no7,,p.2983-3012(PMID11848849,DOI10.1021/cr950055x,lire en ligne)
- (en)Travis V. Harris et Robert K. Szilagyi,«Comparative Assessment of the Composition and Charge State of Nitrogenase FeMo-Cofactor»,Inorganic Chemistry,vol.50,no11,,p.4811-4824(PMID21545160,PMCID3105220,DOI10.1021/ic102446n,lire en ligne)
- (en)Yilin Hu et Markus W. Ribbe,«Biosynthesis of nitrogenase FeMoco»,Coordination Chemistry Reviews,vol.255,nos9-10,,p.1218-1224(PMID21503270,PMCID3077758,DOI10.1016/j.ccr.2010.11.018,lire en ligne)
- (en)Barbara K. Burgess, Deloria B. Jacobs et Edward I. Stiefel,«Large-scale purification of high activityAzotobacter vinelandiinitrogenase»,Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology,vol.614,no1,,p.196-209(PMID6930977,DOI10.1016/0005-2744(80)90180-1,lire en ligne)
- (en)Amie K. Boal et Amy C. Rosenzweig,«A Radical Route for Nitrogenase Carbide Insertion»,Science,vol.337,no6102,,p.1617-1618(PMID23019640,DOI10.1126/science.1229088,Bibcode2012Sci...337.1617B,S2CID98713038,lire en ligne)
- (en)S. Ramaswamy,«One Atom Makes All the Difference»,Science,vol.334,no6058,,p.914-915(PMID22096179,DOI10.1126/science.1215283,Bibcode2011Sci...334..914R,S2CID206538126,lire en ligne)
- (en)Oliver Einsle,«Nitrogenase FeMo cofactor: an atomic structure in three simple steps»,JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry,vol.19,no6,,p.737-745(PMID24557709,DOI10.1007/s00775-014-1116-7,S2CID17069669,lire en ligne)
