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Mechanistic Insights into Nitrogenase-Catalyzed Nitrogen Fixation: A QM/MM Study

质子化 化学 催化作用 电子转移 固氮酶 氮气 分子动力学 计算化学 电子结构 反应中间体 序列(生物学) 反应中间体 密度泛函理论 立体化学 反应机理 结合能 反应性(心理学) 氧化还原 组合化学
作者
Jiabin Yin,Jianqiang Feng,Zhenjia Gan,Bowen Li,Binju Wang,Tong Zhu,John Z. H. Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (2): 1224-1238
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c06838
摘要

Nitrogenase catalyzes the reduction of dinitrogen (N2) to ammonia via proton-coupled electron transfer at the FeMo-cofactor (FeMo-co). However, the sequence of H2 evolution and N2 activation at the key E4 intermediate remains highly debated. To address this, we employ a multiscale computational approach combining broken-symmetry DFT (BS-DFT, TPSSh), QM/MM, and molecular dynamics (MD) simulations to investigate the electronic structure and reactivity of the E4 state. Our analysis reveals the lowest-energy electronic configuration, showing that protonation localizes two hydrides on the FeMo-co. MD simulations indicate that N2 preferentially prebinds near the Fe2–Fe6 edge, stabilized by residues α-Val70 and α-His195. A quantitative comparison of mechanistic pathways demonstrates that reductive H2 elimination (barrier = 7.4 kcal mol–1) preceding N2 binding (8.0 kcal mol–1) is strongly favored over direct N2 binding first (barrier = 17.0 kcal mol–1), supporting an “H2-first” (Janus) model. Subsequent N2 hydrogenation proceeds through distinct η1- and μ2-bound intermediates that channel reactivity toward distal (kinetically favored) or alternating (thermodynamically favored) pathways. These results provide a unified framework for E4-state reactivity, establishing that H2 evolution is crucial for efficient N2 binding and activation at the Fe2 site.
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