FeMoco

El FeMoco ( cofactor FeMo ) o clúster M es el cofactor principal de la nitrogenasa . La nitrogenasa es la enzima que cataliza la conversión de las moléculas de nitrógeno atmosférico (N₂) en _{amoníaco (} NH₃ ) mediante _el proceso conocido como fijación de nitrógeno . Debido a que contiene hierro y molibdeno , el cofactor se denomina FeMoco. Su estequiometría es _Fe₇MoS₉C .

El cofactor FeMo es un clúster con composición Fe ₇ MoS ₉ C. Este clúster puede considerarse como dos subunidades compuestas por un clúster Fe ₄ S ₃ ( sulfuro de hierro(III) ) y un clúster MoFe ₃ S _3. Los dos clústeres están unidos por tres ligandos de sulfuro y un átomo de carbono puente. El hierro (Fe) único está anclado a la proteína por una cisteína . También está unido a tres sulfuros, lo que resulta en una geometría molecular tetraédrica . Los seis centros de Fe adicionales en el clúster están unidos cada uno a tres sulfuros. Estos seis centros internos de Fe definen una disposición prismática trigonal alrededor de un centro de carburo central. El molibdeno está unido a tres sulfuros y está anclado a la proteína por el grupo imidazol de un residuo de histidina. También unido al Mo hay un cofactor homocitrato bidentado , lo que da lugar a una geometría octaédrica. ^{[ 2 ]} El análisis cristalográfico de la proteína MoFe reveló inicialmente la geometría y la composición química de FeMoco, ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} posteriormente confirmadas por estudios de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS). ^{[ 6 ]} Las distancias Fe-S, Fe-Fe y Fe-Mo se determinaron en 2,32, 2,64 y 2,73 Å respectivamente. ^{[ 6 ]}

La biosíntesis de FeMoco es un proceso complejo que requiere varios productos génicos Nif , específicamente los de nifS, nifQ, nifB, nifE, nifN, nifV, nifH, nifD y nifK (expresados ​​como las proteínas NifS, NifU, etc.). Se propone que el ensamblaje de FeMoco se inicia mediante NifS y NifU, que movilizan Fe y sulfuro en pequeños fragmentos [Fe₄S₄ _{] .} Un par de estos fragmentos (clúster K) se transfieren al andamio NifB y se organizan en un clúster L Fe₇MoS₉C antes _{de su} transferencia a la proteína NifEN (codificada por nifE y nifN) y su posterior reorganización antes de su entrega a la proteína MoFe. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

En la biosíntesis intervienen otros factores. Por ejemplo, NifV es la homocitrato sintasa que suministra homocitrato a FeMoco. Se ha propuesto que NifV, un factor proteico, participa en el almacenamiento y/o la movilización de Mo. La proteína Fe actúa como donante de electrones para la proteína MoFe. Estos factores biosintéticos han sido dilucidados y caracterizados, confirmándose sus funciones y secuencia exactas mediante análisis bioquímicos, espectroscópicos y estructurales.

Las tres proteínas que desempeñan un papel directo en la síntesis del clúster M son NifH, NifEN y NifB. La proteína NifB es responsable del ensamblaje del núcleo Fe-S del cofactor; un proceso que implica la unión de dos clústeres [4Fe-4S]. NifB pertenece a la superfamilia de enzimas SAM (S-adenosil-L-metionina). Durante la biosíntesis del cofactor FeMo, NifB y su cofactor SAM participan directamente en la inserción de un átomo de carbono en el centro del complejo Fe-S. Un equivalente de SAM dona un grupo metilo , que se convierte en el carburo intersticial del clúster M. El grupo metilo de SAM se moviliza mediante la eliminación radicalaria de un H por un radical 5'-desoxiadenosina (5'-dA·). Presumiblemente, se forma un radical –CH2· transitorio que posteriormente se incorpora al clúster metálico formando una especie de carburo Fe ₆ . El carbono intersticial permanece asociado con el cofactor FeMo después de la inserción en la nitrogenasa, ^{[ 9 ]} La naturaleza del átomo central en FeMoco como una especie de carbono fue identificada en 2011. ^{[ 5 ] [ 10 ]} El enfoque para la identificación se basó en una combinación de marcaje ¹³ C/ ^{15 N y} espectroscopia EPR pulsada , así como estudios cristalográficos de rayos X a resolución atómica completa. ^{[ 5 ]} Adicionalmente, se utilizó difractometría de rayos X para verificar que había un átomo de carbono central en el medio del cofactor FeMo y los estudios de espectroscopia de emisión de rayos X mostraron que el átomo central era carbono debido a la transición 2p→1s carbono-hierro. ^{[ 10 ]} El uso de cristalografía de rayos X mostró que mientras el cofactor FeMo no está en su forma catalítica, el carbono mantiene la estructura rígida, lo que ayuda a describir la reactividad de la nitrogenasa.

Según el análisis mediante espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica , el estado de reposo del cofactor FeMo tiene un estado de espín de S=3/2. Tras la reducción de un electrón, el cofactor se vuelve silencioso en la EPR. La comprensión del proceso en el que se transfiere un electrón en el aducto proteico muestra un modelo cinético más preciso del cofactor FeMo. ^{[ 11 ]} Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad , así como el refinamiento de dispersión anómala con resolución espacial, han sugerido que el estado de oxidación formal es Mo ^IV -2Fe ^II -5Fe ^III -C ⁴⁻ -H ⁺ , pero los estados de oxidación "verdaderos" no se han confirmado experimentalmente. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Aún no se ha dilucidado la ubicación de la unión del sustrato al complejo. Se cree que los átomos de Fe más cercanos al carbono intersticial participan en la activación del sustrato, pero el molibdeno terminal también es un candidato para la fijación de nitrógeno. ^{[ 14 ]} Estudios de cristalografía de rayos X que utilizan la proteína MoFe y monóxido de carbono (CO), que es isoelectrónico al dinitrógeno, demostraron que el monóxido de carbono se une al borde Fe2-Fe6 de FeMoco. ^{[ 15 ]} Estudios adicionales mostraron la unión simultánea de dos moléculas de CO a FeMoco, proporcionando una base estructural para la química biológica de tipo Fischer-Tropsch . ^{[ 16 ] [ 17 ]} Estudios de incorporación de Se en combinación con cristalografía de rayos X resuelta en el tiempo evidenciaron importantes reordenamientos estructurales en la estructura de FeMoco tras eventos de unión del sustrato. ^{[ 18 ]}

El aislamiento del cofactor FeMo de la nitrogenasa se realiza mediante sedimentación centrífuga de la nitrogenasa en la proteína MoFe y la proteína Fe. El cofactor FeMo se extrae tratando la proteína MoFe con ácidos. La primera extracción se realiza con ^N ,N-dimetilformamida y la segunda con una mezcla de N-metilformamida y Na₂HPO₄ antes _de la sedimentación final por centrifugación. _[ ^{19 ]}