Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5871

TDPAC-Untersuchungen zur Bindung von Molybdän im Eisen-Molybdän-Cofaktor der Nitrogenase

Abriß

Die Nitrogenase gehört zu den Molybdänenzymen und katalysiert die Reduktion von molekularem Stickstoff zu Ammoniak. Das Enzymsystem der konventionellen Nitrogenase besteht aus zwei Komponenten, dem Eisen-Protein und dem Molybdän-Eisen-Protein (MoFe-Protein). Das MoFe-Protein enthält zwei Arten von Metall-Clustern. Einer dieser Cluster, der Eisen-Molybdän-Cofaktor (FeMo-Cofaktor), gilt als das aktive Zentrum der biologischen Stickstoff-Fixierung. Der FeMo-Cofaktor besteht aus [Fe4S3]- und [Fe3MoS3]-Cubanfragmenten, die über drei Schwefelbrücken miteinander verbunden sind, sowie Homocitrat. Er ist in seiner Komplexität und Größe einzigartig in der Natur.

Die Bindung von Molybdän im FeMo-Cofaktor wurde mithilfe der Methode der zeitdifferentiellen Beobachtung von gestörten g-g-Winkelkorrelationen (TDPAC) untersucht. Die Beobachtung der Hyperfeinwechselwirkung des Kernquadrupolmomentes von Molybdän-99 mit dem elektrischen Feldgradienten am Kernort liefert Informationen über die dortige Ladungsdichteverteilung und somit über die Ligandenanordnung. Die gemessenen Quadrupolparameter beschreiben neben Größe und Symmetrie des elektrischen Feldgradienten auch die Einheitlichkeit der Bindung sowie Relaxationseffekte. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und Temperaturunabhängigkeit ist die TDPAC insbesondere für die Untersuchung biologischer Proben unter physiologischen Bedingungen geeignet.

Die TDPAC-Messungen an den Bakterienarten Rhodobacter capsulatus, Azotobacter vinelandii und Klebsiella oxitoca ergaben zwei definierte Mo-Bindungszustände im FeMo-Cofaktor der Nitrogenase. Ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Methoden zeigte, daß die zwei Bindungszustände unterschiedlichen Redoxzuständen des FeMo-Cofaktors zugeordnet werden können. Zusätzlich wurde in begleitenden Experimenten die Bindung von Molybdän am Mo-Speicherprotein von A. vinelandii untersucht. Die Ergebnisse der TDPAC-Messungen stimmen mit der Annahme überein, daß Molybdän in Form eines Polymolybdatkerns am Speicherprotein gebunden wird. In R. capsulatus konnten neben dem MoFe-Protein weitere Mo-bindende Proteine nachgewiesen werden, die zu einem kürzlich entdeckten Mo-Bindungs- und ­Transportsystem gehören.

TDPAC-Studies on the Binding of Molybdenum in the Iron-Molybdenum-Cofactor of Nitrogenase

Abstract

The nitrogenase belongs to the molybdoenzymes and catalyses the reduction of molecular nitrogen to ammonia. The enzyme system of the conventional nitrogenase consists of two components, the iron protein and the molybdenum-iron protein (MoFe-protein). The MoFe-protein contains two kinds of metal clusters. One of them, the iron-molybdenum cofactor (FeMo-cofactor), is postulated to be the catalytic center of the biological nitrogen fixation. The FeMo-cofactor consists of [Fe4S3]- und [Fe3MoS3]-cuban fragments bridged by three sulfur atoms and homocitrate. In its complexity and size it is unique in nature.

The binding of molybdenum in the FeMo-cofactor has been investigated using the time differential perturbed g-g-angular correlations (TDPAC) spectroscopy. By observing the hyperfine interaction of the nuclear quadrupole moment of molybdenum-99 with the electric field gradient at ist site information about the charge density distribution and thus about the ligand field configuration can be obtained. The measured quadrupole parameters describe size and symmetry of the electric field gadient as well as the homogenity of the binding state and relaxation effects. Because of its high sensitivity and temperature independence the TDPAC method is suitable for the investigation of biological probes under physiological conditions.

The TDPAC-measurements of the bacteria species Rhodobacter capsulatus, Azotobacter vinelandii and Klebsiella oxitoca yield two different Mo-binding states in the FeMo-cofactor of nitrogenase. Comparison with results of other methods has shown that the two binding states could be different redox states of the FeMo-cofactor. In further studies the binding of molybdenum at the Mo-storage protein of A. vinelandii has been investigated. The results of the TDPAC-measurements consist with the assumption that the storage protein contains a polymolybdate type nucleus. In addition to the MoFe-protein further Mo-binding proteins were found in R. capsulatus. They are part of a recently detected Mo-binding and ­transport system.