El cofactor de hierro-vanadio (FeV) en la nitrogenasa dependiente de vanadio se hizo reaccionar con monóxido de carbono (CO) y luego se gaseó a presión, permitiendo visualizar dos moléculas del sustrato en forma unida. El cofactor FeV es uno de los centros metálicos más grandes y complejos en proteínas que se conocen actualmente. Consiste en siete iones de hierro (gris), 9 iones de azufre (amarillo), un carbón central (negro), y un ion de vanadio (verde), y también lleva un ion carbonato y una molécula de homocitrato como ligandos orgánicos. Crédito:Oliver Einsle
Mediante la fijación biológica del elemento nitrógeno por la enzima nitrogenasa, los organismos obtienen acceso al nitrógeno molecular (N 2 ) en la atmósfera terrestre, que es esencial para la construcción de estructuras celulares. Además, una variante de nitrogenasa dependiente del vanadio puede reducir el gas tóxico monóxido de carbono (CO) a hidrocarburos. Estas reducciones de N 2 y el CO se encuentran entre los procesos más importantes de la química industrial, ya que se utilizan para producir tanto fertilizantes como combustibles sintéticos. Sin embargo, los investigadores aún no han podido descifrar las diferentes vías de las dos reacciones.
Dr. Michael Rohde del equipo del Prof.Dr. Oliver Einsle en el Instituto de Bioquímica de la Universidad de Friburgo, en colaboración con dos grupos de investigación de la Freie Universität Berlin, ahora ha podido mostrar cómo el sitio activo de la nitrogenasa dependiente de vanadio es capaz de unir dos moléculas de CO simultáneamente, creando así la base para combinar los átomos de carbono espacialmente adyacentes de ambas moléculas en un proceso reductor. Los investigadores presentaron recientemente sus resultados en la revista Avances de la ciencia .
Las reducciones industriales de N 2 y CO, conocido como los procesos de Haber-Bosch y Fischer-Tropsch, respectivamente, requieren altas temperaturas y presión. Mientras que N 2 La reducción conduce al producto biodisponible amonio (NH 4 + ), al menos dos átomos de carbono se combinan durante la conversión de CO. El producto de reacción predominante es etileno (eteno, C 2 H 4 ), un gas incoloro que juega un papel importante no solo en los combustibles sino también en la producción de plásticos. Aunque la escisión de un enlace N-N en la fijación de nitrógeno es químicamente muy diferente de la formación de un enlace C-C en la reducción de CO, Los científicos sospechaban previamente que la nitrogenasa utiliza los mismos principios mecánicos básicos para ambas reacciones.
En un trabajo anterior, el equipo dirigido por Rohde y Einsle utilizó nitrogenasa para reaccionar con el gas CO, resultando en la unión específica de una sola molécula. En su estudio actual, que se basa en este trabajo, los investigadores muestran que gasearon cristales de este primer estado con CO a presión y luego los sometieron a análisis cristalográfico de rayos X. Esto les permitió observar directamente cómo se une una segunda molécula de CO. "La forma de nitrogenasa obtenida de esta manera, con dos moléculas de CO en el sitio activo, probablemente representa un estado bloqueado, "Rohde explica, "pero proporciona pistas directas sobre el mecanismo de la enzima". Como resultado, El equipo de Einsle ahora puede esbozar un mecanismo detallado de reducción de CO a través de la nitrogenasa.
