Nitrogenase — ABC Chemicals

Бен Валслер

Некоторое время назад, @SimonBayly предложил в твиттере, чтобы мы посмотрели на нитрогеназу — класс ферментов, которые поддерживают наши экосистемы в нормальном режиме. Вот Катрина Крамер.

Катрина Крамер

В чистом виде азот является ленивым элементом. Что касается азота, то он составляет почти 80% от объема нашей атмосферы. Но в отличие от кислорода, который успешно реагирует со всеми видами вещей и является предпочтительным газом для дыхания, азот редко убеждается в каких-либо авантюрных химических связях. С тройной связью, соединяющей два атома азота, он вполне доволен.

Тем не менее, соединения азота имеют основополагающее значение для всей жизни на Земле. Они включают в себя нуклеиновые кислоты и белки, а также переносящую энергию молекулу аденозинтрифосфата или АТФ. Практически вся азотфиксация — преобразование N2 к какому-либо соединению, обычно аммиаку — это делают бактерии, которые содержат нитрогеназу.

Nitrogenase - ABC Chemicals

Источник: © Shutterstock

Нитрогеназы являются загадочными ферментами. Они чрезвычайно чувствительны к кислороду, поэтому бактерии, которые их укрывают, очень стараются не подвергать их воздействию газа. Большинство азотфиксирующих бактерий живут в почве, некоторые в симбиозе с растениями. Например, растения гороха имеют особые корневые структуры, в которых бактерии размещаются в среде с низким содержанием кислорода в обмен на живительные соединения азота.

Химики были очарованы внутренней работой нитрогеназы в течение долгого времени. И все же, после почти 100 лет исследований, они не совсем уверены, как фермент делает свое азотфиксирующее волшебство.

Вот химик Росс Милтон из Стэнфордского университета, рассказывающий о том, что ученые уже узнали:

Nitrogenase - ABC Chemicals

Росс Милтон

Нитрогеназа на самом деле является двухбелковой или двухферментной сборкой. Он имеет центральный каталитический белок, где N2 сводится к аммиаку, и все это спутано редуктазой. Этот белок доставляет электроны к каталитическому белку. Когда эти два временно связаны, электрон переносится, один за другим, от этого восстанавливающего белка к каталитическому белку. При этом мы знаем, что АТФ должен быть гидролизован, чтобы обеспечить этот перенос, но мы не совсем понимаем роль гидролиза АТФ и как это способствует активности.

Катрина Крамер

Но это только один перенос электрона. В целом, восемь из них должны накапливать достаточно электронов, чтобы зафиксировать N2 в аммиак. Для каждой производимой молекулы аммиака фермент расщепляет колоссальные 16 АТФ, что является высокой ценой в валюте биологической энергии. Тот факт, что для фиксации азота требуется так много энергии, а бактерии все еще делают это, показывает, насколько важен этот процесс.

Фактическая фиксация азота происходит в металлическом сердце нитрогеназы. Фермент содержит кластер атомов железа и молибдена, называемый FeMoco (для железо-молибденового кофактора).

Росс Милтон

Как это сокращается, все еще обсуждается. Поле соглашается с тем, что существует критическое состояние, называемое состоянием Е4, которое представляет собой четырехэлектронное восстановленное FeMoco — в случае молибдена — при котором N2 затем должен взаимодействовать с кофактором, прежде чем превратится в аммиак. Но как это происходит, мы на самом деле не знаем.

Nitrogenase - ABC Chemicals

Катрина Крамер

Предметом спора является сам металл. Многие выдающиеся химики обсуждают, является ли железо или молибден катализатором. Но это спор, который стоит иметь. Если бы ученые смогли найти катализатор, который даже приблизился бы к разлому тройной связи азота таким же образом, как это делают нитрогеназы, он мог бы конкурировать с самой энергоемкой реакцией в мире: процессом Хабера-Боша.

Nitrogenase - ABC Chemicals

Росс Милтон

В общей сложности мы производим около 500 миллионов тонн аммиака в год, и большая часть этого поступает из процесса Хабера-Боша. Для того чтобы процесс был эффективным — каким он есть — для него требуются высокие температуры, около 400 ° C, и высокое давление, 200 атмосфер, — давление примерно в сто раз выше, чем в типичной автомобильной шине. В результате весь процесс требует около 1% всей энергии, произведенной на Земле, и считается, что он отвечает за около 3% CO2 выбросы.

Катрина Крамер

Хотя процесс Хабера-Боша поглощает огромное количество энергии, он является основным источником удобрений для человечества. Растения, выращенные с использованием синтетических удобрений, полученных из аммиака, питают половину людей на планете. И это все еще лучший процесс, который у нас есть. Ни один другой процесс не может быть лучше при отрыве азота, чем этот 100-летний химический кувалда.

Nitrogenase - ABC Chemicals

Источник: © Shutterstock

Росс Милтон

Процесс Хабера-Боша требует много энергии, но он великолепен в том, что делает. Каждый проход N2 Фиксация аммиака в процессе Хабера-Боша эффективна только на 15%, но в целом, благодаря рециркуляции этих газов через систему, она достигает эффективности более 95%. Это очень хорошо в том, что он делает. Но я думаю, что будущее заключается в децентрализации процесса Хабера-Боша, так что нам не нужно иметь эти массивные реакторы под давлением и эти заводы по производству аммиака, расположенные в отдельных местах по всему миру. Если вы сможете производить этот аммиак без оборудования высокого давления на своей ферме, то мы сможем улучшить экологическую устойчивость.

Nitrogenase - ABC Chemicals

Источник: © Shutterstock

Катрина Крамер

Для Милтона и команды вокруг Шелли Минтир из Университета Юты, США, это было достаточно стимулом. Но вместо того, чтобы создавать новые металлические катализаторы, они использовали природный аммиачный завод.

Команда извлекла нитрогеназу из бактерий и прикрепила ее к электроду. Вместе с окисляющим водород ферментом, прикрепленным к другому электроду, установка преобразует смесь водорода и воздуха в аммиак — при комнатной температуре и давлении окружающей среды. И не только это, реакция также производит немного электричества в процессе.

Росс Милтон

На данный момент это всего лишь прототип системы, это очень низкий масштаб. Это сравнивает в том, что он может сделать N2 фиксация при атмосферном давлении и температуре, и демонстрирует, что можно извлечь небольшое количество электрохимической энергии из одного и того же процесса. Это требует гидролиза АТФ, который все еще химически довольно дорог. Таким образом, одним из путей продвижения вперед будет создание нитрогеназы или системы, которая не требует гидролиза АТФ.

Катрина Крамер

Является ли этот биологический топливный элемент способом продвижения для синтеза аммиака, еще неизвестно. Хотя нитрогеназа все еще является мастером превращения ленивого азота в жизненно важные удобрения, на данный момент процесс Хабера-Боша остается здесь.

Бен Валслер

Это была Катрина Крамер, разговаривающая с Россом Милтоном. Еще раз спасибо Саймону Бэйли за предложение! В следующий раз Майк Фримантл задает вопрос химии:

Майк Фримантл

Вот вопрос викторины для вас. Что связывает итальянского художника эпохи Возрождения Леонардо да Винчи, немецкого композитора 18-го века Иоганна Себастьяна Баха, дубы и сульфат железа?

Бен Валслер

Дайте нам знать, что вы думаете, и присоединяйтесь к Майку на следующей неделе, чтобы узнать. До тех пор, свяжитесь с нами обычными способами — пишите по электронной почте chemworld@rsc.org или пишите в Твиттер @chemistryworld. Спасибо за внимание, я Бен Валслер.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *