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    Iluminando como a nitrogenase produz amônia

    As moléculas de água ligadas mais próximas ao mineral têm uma estrutura rígida, estrutura semelhante ao gelo e não pode se mover em arranjos que possibilitem reações químicas. As moléculas de água mais distantes da superfície do mineral têm uma forma menos restrita, estrutura semelhante a líquido e pode se organizar para promover a reatividade. Crédito:Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais

    Uma equipe de pesquisadores liderada pela cientista computacional Simone Raugei da PNNL revelou novos insights sobre como esta enzima complexa faz seu trabalho, descobrir que a formação aparentemente inútil de hidrogênio tem um propósito essencial. Seu papel, "A análise computacional crítica ilumina o mecanismo de eliminação redutiva que ativa a nitrogenase para N 2 redução, "foi publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences em novembro de 2018. Os co-autores de Raugei são Lance Seefeldt, que tem um cargo conjunto na PNNL e na Universidade Estadual de Utah, e Brian Hoffman, da Northwestern University.

    A nitrogenase pode converter nitrogênio em amônia em temperatura ambiente e pressão atmosférica. Indústria, por outro lado, depende do processo Haber-Bosch, uma técnica centenária que usa alta temperatura e pressão. Os combustíveis fósseis normalmente fornecem a energia para este processo, É por isso que a produção industrial de amônia sozinha responde por mais de 1% do total de emissões de carbono relacionadas à energia no mundo. Entender o que empresta à nitrogenase seu músculo de quebra de ligações pode levar a novos, ideias estimulantes para o design de catalisadores sintéticos para a produção de amônia.

    Para cada molécula de nitrogênio transformada em amônia, nitrogenase faz pelo menos uma molécula de hidrogênio (H 2 ), que é "um dos mistérios mais intrigantes da nitrogenase, "Disse Raugei." Em vez de apenas produzir amônia, você também produz esse subproduto. Por que isso é necessário? "

    Os pesquisadores descobriram que esse fenômeno na verdade ajuda a nitrogenase a combater as fortes ligações do nitrogênio. "A natureza encontrou uma solução acoplando a produção de hidrogênio, que libera energia, com clivagem de nitrogênio, que requer energia, "Raugei disse." É o equilíbrio total.

    Para chegar aos resultados, a equipe usou uma mistura de métodos teóricos e experimentais. Raugei conduziu cálculos químicos quânticos em modelos do núcleo da enzima, contando com a orientação de Seefeldt e Hoffman, que são especialistas em bioquímica da nitrogenase. Seus dados experimentais ajudaram a informar os cálculos, e vice versa.

    Os pesquisadores se concentraram no núcleo catalítico da nitrogenase, composto de ferro, molibdênio e enxofre (FeMo-co). Durante o evento catalítico, quando FeMo-co adquiriu um número crítico de elétrons e prótons (H +) na forma de dois hidretos de ligação (Fe-H-Fe) em seu cinturão periférico, geração de um H 2 ligado a FeMo-co e seu deslocamento por N 2 fornece o dar e receber de energia para estimular a redução de nitrogênio, os pesquisadores descobriram.

    "Estávamos muito bem posicionados para fazer essa descoberta porque combinamos informações experimentais sobre nitrogenase com as informações computacionais, "Raugei disse." Essa foi a chave.

    Os pesquisadores procuram estender a pesquisa examinando os detalhes do acúmulo de elétrons e prótons no sítio ativo da nitrogenase e exatamente como o N 2 ligação é quebrada para formar amônia.


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