El FeMoco ( cofactor FeMo ) es el cofactor principal de la nitrogenasa . La nitrogenasa es la enzima que cataliza la conversión de las moléculas de nitrógeno atmosférico N2 en amoniaco ( NH3 ) a través del proceso conocido como fijación de nitrógeno . Debido a que contiene hierro y molibdeno , el cofactor se llama FeMoco. Su estequiometría es Fe7MoS9C .
El cofactor FeMo es un grupo con composición Fe7MoS9C . Este grupo puede verse como dos subunidades compuestas por un grupo Fe4S3 ( sulfuro de hierro(III) ) y un grupo MoFe3S3 . Los dos grupos 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 da como resultado una geometría molecular tetraédrica. Los seis centros Fe adicionales en el grupo están unidos cada uno a tres sulfuros. Estos seis centros Fe internos 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 a Mo hay un cofactor homocitrato bidentado , lo que da como resultado una geometría octaédrica. [2] El análisis cristalográfico de la proteína MoFe reveló inicialmente la geometría y la composición química de FeMoco, [3] [4] [5] confirmada posteriormente mediante estudios de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS). [6] Se determinó que las distancias Fe-S, Fe-Fe y Fe-Mo eran 2,32, 2,64 y 2,73 Å respectivamente. [6]
La biosíntesis de FeMoco es un proceso complicado que requiere varios productos del gen 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 es iniciado por NifS y NifU que movilizan Fe y sulfuro en pequeños fragmentos de Fe-S. Estos fragmentos se transfieren al andamiaje de NifB y se organizan en un grupo Fe 7 MoS 9 C antes de la transferencia a la proteína NifEN (codificada por nifE y nifN) y se reorganizan antes de la entrega a la proteína MoFe. [7] Varios otros factores participan en la biosíntesis. Por ejemplo, NifV es la homocitrato sintasa que suministra homocitrato a FeMoco. Se ha propuesto que el factor proteico NifV está involucrado en el almacenamiento y/o movilización de Mo. La proteína Fe es el donante de electrones para la proteína MoFe. Estos factores biosintéticos han sido dilucidados y caracterizados con funciones y secuencias exactas confirmadas mediante análisis bioquímicos, espectroscópicos y estructurales.
Las tres proteínas que desempeñan un papel directo en la síntesis del grupo M son NifH, NifEN y NifB. La proteína NifB es responsable del ensamblaje del núcleo Fe-S del cofactor; un proceso que implica unir dos grupos [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 están directamente involucrados 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 grupo M. El grupo metilo de SAM se moviliza mediante la eliminación radical de un H por un radical 5'-desoxiadenosina (5'-dA·). Presumiblemente, se forma un radical transitorio –CH2· que posteriormente se incorpora al grupo metálico formando una especie de carburo Fe6 . El carbono intersticial permanece asociado con el cofactor FeMo después de la inserción en la nitrogenasa, [8] La naturaleza del átomo central en FeMoco como una especie de carbono se identificó en 2011. [5] [9] El enfoque para la identificación se basó en una combinación de etiquetado 13 C/ 15 N y espectroscopia EPR pulsada , así como estudios cristalográficos de rayos X a resolución atómica completa. [5] Además, se utilizó difracción de rayos X para verificar que había un átomo de carbono central en el medio del cofactor FeMo y los estudios espectroscópicos de emisión de rayos X mostraron que el átomo central era carbono debido a la transición carbono-hierro 2p→1s. [9] El uso de cristalografía de rayos X mostró que si bien 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 por 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 respecto a la EPR. La comprensión del proceso en el que se transfiere un electrón en el aducto de proteína muestra un modelo cinético más preciso del cofactor FeMo. [10] Los cálculos de la teoría funcional de la densidad, así como el refinamiento de la dispersión anómala resuelta espacialmente, 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. [11] [12]
La ubicación de la unión del sustrato al complejo aún no se ha dilucidado. 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. [13] Los estudios cristalográficos de rayos X que utilizan 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. [14] Estudios adicionales mostraron la unión simultánea de dos moléculas de CO a FeMoco, lo que proporciona una base estructural para la química biológica de tipo Fischer-Tropsch . [15] [16] Los estudios de incorporación de Se en combinación con cristalografía de rayos X resuelta en el tiempo evidenciaron reordenamientos estructurales importantes en la estructura de FeMoco tras eventos de unión del sustrato. [17]
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. [18]