Nitrilo hidratasa

Las nitrilo hidratasas ( NHasas ; EC 4.2.1.84 ) son enzimas mononucleares de hierro o cobalto no corronoides que catalizan la hidratación de diversos nitrilos a sus amidas correspondientes :

RC≡N + H₂ O→RC(O)NH₂

Las nitrilo hidratasas utilizan Fe(III) o Co(III) en sus sitios activos. Estos iones son de bajo espín. ^{[ 1 ]}

Las nitrilo hidratasas basadas en cobalto son ejemplos poco comunes de enzimas que utilizan cobalto. Cuando el cobalto se encuentra en las enzimas, generalmente está unido a un anillo de corrina , como en la vitamina _B12 .

El mecanismo por el cual el cobalto se transporta a la NHasa sin causar toxicidad no está claro, aunque se ha identificado una permeasa de cobalto que lo transporta a través de la membrana celular. La identidad del metal en el sitio activo de una nitrilo hidratasa puede predecirse mediante el análisis de la secuencia de la subunidad alfa en la región donde se une el metal. La presencia de la secuencia de aminoácidos VCTLC indica una NHasa centrada en cobalto, y la presencia de VCSLC indica una NHasa centrada en hierro.

La nitrilo hidratasa y la amidasa son dos enzimas hidratantes e hidrolíticas responsables del metabolismo secuencial de los nitrilos en bacterias capaces de utilizarlos como única fuente de nitrógeno y carbono, y actúan conjuntamente como alternativa a la actividad de la nitrilasa , que realiza la hidrólisis del nitrilo sin la formación de una amida primaria intermedia. Se sugirió que una secuencia en el genoma del coanoflagelado Monosiga brevicollis codificaba una nitrilo hidratasa. ^{[ 2 ]} El gen de M. brevicollis consistía en las subunidades alfa y beta fusionadas en un solo gen. Desde entonces, se han identificado genes de nitrilo hidratasa similares, que consisten en una fusión de las subunidades beta y alfa, en varios supergrupos eucariotas, lo que sugiere que dichas nitrilo hidratasas estaban presentes en el último ancestro común de todos los eucariotas . ^{[ 3 ]}

Las NHasas se han utilizado eficientemente para la producción industrial de acrilamida a partir de acrilonitrilo ^{[ 4 ]} a una escala de 600 000 toneladas por año, ^{[ 5 ]} y para la eliminación de nitrilos de aguas residuales. Las NHasas fotosensibles poseen intrínsecamente óxido nítrico (NO) unido al centro de hierro, y su fotodisociación activa la enzima. La nicotinamida se produce industrialmente ^{[ 4 ]} mediante la hidrólisis de 3-cianopiridina catalizada por la nitrilo hidratasa de Rhodococcus rhodochrous J1, ^{[ 6 ] [ 7 ]} produciendo 3500 toneladas por año de nicotinamida para su uso en la alimentación animal. ^{[ 5 ]}

Las NHasas están compuestas por dos tipos de subunidades, α y β, que no están relacionadas en su secuencia de aminoácidos. Las NHasas existen como dímeros αβ o _{tetrámeros α₂β₂} y se unen a un átomo de metal por unidad αβ. Se han determinado las estructuras tridimensionales de varias NHasas. La subunidad α consta de un largo brazo N-terminal extendido, que contiene dos hélices α, y un dominio C-terminal con una estructura inusual de cuatro capas (α-β-β-α). La subunidad β consta de un largo bucle N-terminal que envuelve la subunidad α, un dominio helicoidal que se empaqueta con el dominio N-terminal de la subunidad α, y un dominio C-terminal que consta de un rollo β y una hélice corta.

La vía de ensamblaje de la nitrilo hidratasa se propuso por primera vez cuando experimentos de filtración en gel revelaron que el complejo existe en las formas αβ y α2β2. ^{[ 9 ]} Experimentos in vitro mediante espectrometría de masas revelaron además que las subunidades α y β se ensamblan primero para formar el dímero αβ. Posteriormente, los dímeros pueden interactuar para formar un tetrámero. ^{[ 10 ]}

El centro metálico se encuentra en la cavidad central, en la interfaz entre dos subunidades. Todos los ligandos proteicos al átomo metálico son proporcionados por la subunidad α. Los ligandos proteicos al hierro son las cadenas laterales de los tres residuos de cisteína (Cys) y dos nitrógenos amida de la cadena principal. El ion metálico está coordinado octaédricamente, con los ligandos proteicos en los cinco vértices de un octaedro. La sexta posición, accesible a la hendidura del sitio activo, está ocupada por NO o por un ligando intercambiable con el disolvente (hidróxido o agua). Los dos residuos de Cys coordinados al metal se modifican postraduccionalmente a ácidos Cys- sulfínico (Cys-SO₂H ₎ y -sulfénico (Cys-SOH).

Estudios de química cuántica predijeron que el residuo Cys-SOH podría desempeñar un papel como base (activando una molécula de agua nucleofílica) ^{[ 11 ]} o como nucleófilo. ^{[ 12 ]} Posteriormente, el papel funcional del centro SOH como nucleófilo ha recibido apoyo experimental. ^{[ 13 ]}