molibdeno y sus enzimas - unamdepa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/molibdeno_27455.pdf · molibdeno...
TRANSCRIPT
Molibdeno y sus Enzimas
Descubierto en 1781 por Carl William Scheele en Suecia
Del griego “molybdos” que significa plomo
En 1778 Scheele realizó investigación en el mineral molibdenita y concluyó que contenía un nuevo elemento al que llamó molibdeno
Karl Wilhem Scheele (1742-1786)
Jacob Hjelm preparó una forma impura de molibdeno en 1782
MoS2
http://www.molybdenum.com/molyinfo/molyinfo.html
Metal blanco-plateado, duro Se usa en catalizadores, aleaciones y electrodos El molibdeno se recupera como un subproducto en la producción de Cu y W
La pieza de artillería alemana utilizada en la 2ª Guerra Mundial conocida como “Big Bertha” tiene como componente esencial en su acero al Mo
http://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-Ger%C3%A4t
Molibdeno Número atómico: 42
Peso atómico: 95.94
Estados de oxidación: 2,3,4,5,6
Configuración electrónica: [Kr] 4d5 5s1
Elemento esencial para bacterias, arqueas (Archaea), hongos, plantas y animales
Presente en sitios activos de metaloenzimas que llevan a cabo transformaciones en el metabolismo de compuestos de nitrógeno, azufre, carbono, arsénico, selenio y cloro.
Localización ppb en peso ppb por átomos
Universo 5 0.1
Sol 9 0.1
Meteoritos
(carbonáceo) 1200 250
Rocas de la corteza 1100 230
Agua de mar 10 0.64
Riachuelo 0.8 0.008
Seres Humanos 100 7
Abundancia de Mo
La dosis diaria de Mo requerida, de acuerdo a información en Estados Unidos de América es de 43-45 µg/día para adultos.
El Mo se encuentra en bajas concentraciones en todos los fluidos y tejidos del cuerpo. C Concentraciones más altas en riñones, hígado, intestino delgado y glándulas adrenales; mayoritariamente como molibodenzimas.
Concentración en el hombre 100 ppb en peso.
No se ha observado deficiencia de Mo como consecuencia de la dieta en personas sanas.
Requerimientos de Mo
Levadura Lentejas Hígado Espinaca Col verde
Pan integral Arroz integral Riñones Frijoles rojos Nueces
Alimentos que contienen Mo
Alimento Contenido de Mo
(g de Mo/100 g de alimento)
Papas
Col
Zanahorias
Leguminosas
Cereales
600
280
200
20-470
10-110
Contenido de Mo de algunos alimentos
http://wheatdoctor.cimmyt.org/index.php?option=com_easygallery&act=photos&cid=253&Itemid=33
Deficiencia de molibdeno
Toxicidad: diarrea, disminución en la velocidad de crecimiento y anemia.
Altos niveles en la ingestión de Mo pueden inducir una gran velocidad de excreción de Cu, y en consecuencia, deficiencia de este metal.
También puede alterar la actividad de la fosfatasa alcalina, lo que tiene como resultado anormalidades en los huesos.
La absorción de Mo se lleva a cabo fácilmente en el tracto gastrointestinal y se excreta principalmente por la orina.
Toxicidad de Mo
Abundancia natural y especiación
El Mo es el metal de transición más abundante en los océanos: 10 g/L, pH 8.3, (MoO4
2-), forma muy soluble y por tanto disponible. (Cu = 0.1 g/L, Zn = 0.5 g/L).
Adicionalmente se encuentra suspendido en partículas o en forma coloidal y en depósitos sedimentarios ricos en sulfuros.
Bajo condiciones anaerobias, en ambientes ricos en azufre, el Mo(VI) se reduce a Mo(V) y Mo(IV) y prevalece la coordinación a azufre mediante la formación de MoS2 o la coordinación a ligantes organosulfurados.
La concentración de Mo en suelos es de 1–2 mg Mo/kg (1-2 ppm), aunque se han informado concentraciones hasta de 36 ppm. Hay variaciones locales y con el tiempo.
La forma del Mo depende del pH y de otros minerales.
Abundancia natural y especiación
En concentraciones relativamente bajas de Mo, como en suelos y sistemas acuosos naturales se llevan a cabo las siguientes reacciones:
MoO42- + H+ HMoO4
-
MoO42- + 2H+ H2MoO4
MoO42- + 2H2O + 3H+ HMoO2(OH)(OH2)3
MoO42- + 2H2O + 4H+ HMoO2(OH2)3
2+
Abundancia natural y especiación
Las aguas anaerobias pueden contener niveles apreciables de iones sulfuro (bacterias que reducen sulfatos o fuentes volcánicas), por lo que se presentan las siguientes especies:
MoO42- MoO3S2- MoO2S2
2- MoOS32-
MoS42-
Posibilidad de procesos redox, reducción de Mo a (V) o (IV) y formación de disulfuros, polisulfuros o azufre elemental.
Abundancia natural y especiación
Potenciales de reducción de Mo
H2MoO4 H2MoO4
El nitrógeno inorgánico (atmosférico y nitratos) entran al ciclo biológico del nitrógeno a través de procesos catalíticos por enzimas de molibdeno.
Los compuestos orgánicos contienen las formas reducidas del nitrógeno que se encuentran en proteínas, ácidos nucleicos, porfirinas, coenzimas, entre otros.
Mo en el ciclo del nitrógeno
Los cuatro procesos más importantes son:
Fijación de nitrógeno (nitrogenasa presente en bacterias y archaea; contiene el cofactor hierro - molibdeno, FeMoco)
Nitrificación (paso final la oxidación de nitritos a nitratos se lleva a cabo por la enzima de molibdeno nitrito oxidasa)
Asimilación de nitratos (requiere la reducción de nitratos a nitritos catalizada por la nitrato reductasa)
Desnitrificación
Mo en el ciclo del nitrógeno
Ciclo biogeoquímico del nitrógeno ilustrando las enzimas claves de Mo: (a) nitrogenasa, (b) nitrito oxido reductasa, (c) nitrato reductasa de asimilación, (d) nitrato reductasa respiratoria. Las enzimas de Mo están marcadas con letras cursivas.
El azufre tiene un papel crucial en las enzimas de Mo y W, todas contienen ligantes azufrados unidos directamente a Mo o W.
En el ciclo del azufre las enzimas de Mo juegan un papel importante.
La enzima sulfito oxidasa (SO32- SO4
2-) es importante en el metabolismo humano.
Mo en el ciclo del azufre
El azufre desempeña un papel importante en las enzimas de Mo Y W, todas tienen ligantes azufrados directamente unidos al metal.
En la nitrogenasa éstos son iones sulfuro que funcionan como puente entre Fe y Mo en el cofactor de Fe Mo. Las cisteinas unen los cúmulos a la proteina.
Las enzimas de Mo tienen un papel importante en el ciclo del azufre.
La enzima sulfito oxidasa es importante en el metabolismo humano (SO3
2- SO42-).
La enzima DMSO reductasa, presente en muchas bacterias marinas, cataliza la reducción de DMSO a DMS.
Mo en el ciclo del azufre
El Mo y el W están disponibles a los organismos en todo el mundo.
El Mo es más abundante, especialmente en medios aeróbicos.
Las enzimas de Mo tienen papeles clave en los ciclos de nitrógeno y azufre.
El Mo y el W tienen papeles especializados en el ciclo del C.
Adicionalmente, las enzimas de Mo están presentes en el metabolismo de oxianinones de selenio, arsénico y cloro.
Mo y W en sistemas vivos
A.-K. Duhme, Z. Dauter, R.C. Hider, S. Pohl, Inorganic Chemistry, 1996, 35, [10].
A pesar de que el Mo forma complejos con sideróforos de Fe, es capturado e incorporado en bacterias y achaea por proteínas específicas.
Dentro del citoplasma el molibdato se une a un número de proteínas con dominios caracterizados por secuencias tipo Mop.
Los múltiples sitios de unión y combinaciones de polipéptidos de proteínas tipo Mop les permiten enlazar molibdato en un amplio intervalo de concentraciones.
Transporte de Mo
Catecholate siderophores of A. vinelandii. (A) Azotochelin. (B) Aminochelin. (C) Protochelin.
Proteína que enlaza molibdato de Sporomusa ovata 1FR3 DOI 10.2210/pdb1fr3/pd
Mop
Enzimas de Mo
El Mo se encuentra en todas las enzimas, con excepción de la nitrogenasa como un centro mononuclear.
El metal está coordinado a uno o dos equivalentes de un cofactor único de piranopterina.
Catalizan una variedad de reacciones importantes en el metabolismo de compuestos nitrogenados, azufrados y varios compuestos carbonílicos (aldehídos, formiato, CO y CO2).
Cofactor de piranopterina
Clasificación de las enzimas mononucleares de Mo
Se pueden agrupar en tres familias, ejemplificadas por:
Xantina oxidasa
Sulfito oxidasa
Dimetilsulfóxido reductasa
La clasificación se ha hecho en términos de la homología de los sitios activos.
Estructuras del sitio activo de las tres familias principales de enzimas de Mo
Hidroxilasas de Mo Xantina Oxidasa
H.H. Harris, G. N. George, K. V. Rajagopalan, Inorg. Chem. 2006, 45, 493.
Sulfito Oxidasa Humana
Dimetilsulfóxido reductasa
M. Hofmann, Inorg. Chem. 2008, 47, 5546.
Hidrolasas de Mo
Constituyen el grupo más grande de enzimas mononucleares de Mo, con más de 20 enzimas caracterizadas.
Como se indica en la figura anterior el sitio activo de estas enzimas consiste de un solo eqivalente del cofactor piranopterina coordinado a un a unidad LMoOS(OH), con una geometría de pirámide de base cuadrada.
Las enzimas de la familia de las hidroxilasas poseen múltiples centros redox activos adicionalmente al Mo. Por ejemplo en la aldehído óxido reductasa un par de centros hierro azufre 2Fe-2S está presente en la parte N-terminal de la enzima.
Se han observado dos tipos de señales de EPR en hidroxilasas de Mo para centros FeS: Fe/S I y Fe/S II.
Una mayoría de las hidroxilasas de Mo posee FAD (Flavín adenín dinucleótido)
El diseño de los centros redox en la Xantina Oxidoreductasa es el siguiente:
Centro de Mo Fe/S I Fe/S II FAD
Y ésta es la secuencia de la transferencia de electrones.
Consistente con el conocimiento de que el sustrato oxidante (oxígeno en el caso de la forma oxidasa de la oxidoreductasa) reacciona con la flavina de la enzima en el extremo distal de la trayectoria de la transferencia electrónica.
La transferencia de electrones intramolecular es un aspecto de la catálisis.
La transferencia de electrones del centro de Mo al centro Fe/S I se lleva a cabo a través de la piranopterina con una velocidad constante de 8500 s-1
(pH = 8.5).
Transfieren un grupo hidroxilo del agua a una variedad de sustratos, generalmente a un átomo de C en heterociclos aromáticos o a un carbonilo de aldehído.
Investigaciones espectroscópicas:
Espectroscopía electrónica UV-Vis
Rayos X
EPR (Mo(V))
ENDOR (doble resonancia para medir la interacción hiperfina entre electrones y núcleos).
Sitio Activo
A.A. Voityuk, K. Albert, M.J. Romão, R. Huber, N. Rösch, Inorg. Chem. 1998, 37, 176.
Xantina Oxidasa
Xantina Oxidasa de leche de bovino PDB: 1FIQ
E. Garattini, R. Mendel, M.J. Romāo, R. Wright, M. Terao, Biochem. J., 2003, 372, 15.
Todas las proteínas de mamíferos son homodímeros que consisten de dos subunidades idénticas que forman un complejo en el citosol celular. Están formados por un dominio N-terminal de 20 kDa (verde claro) en la que están localizados dos centros Fe/S (I y II) distintos espectroscópicamente. Ésto está unido al dominio de 40 kDa tipo bisagra que se une al FAD (naranja) mediante una región pobremente conservada y relativamente no estructurada. En la forma XD de XOR, el dominio que contiene el FAD se une al NAD (NAD+). El dominio de 85 kDa contiene el sitio de enlace MoCo localizado dentro del bosillo del sustrato.
Mecanismo propuesto para la DMSO reductasa
Dimetilsulfóxido reductasa
Reacción catalizada
Aldehido Oxidoreductasa de Desulfovibrio desulfuricans PDB: 1DGJ
Oxidoreductase Erv2 Protein, mitochondrial PDB 1JR8
Modelos
Geometría del sitio activo y reconocimiento del sustrato de una hidroxilasa de molibdeno Quinolina 2- oxidoreductasa
I. Bonin, B.M. Martins, Vl.Purvanov, S.Fetzner, R.Huber, H.Dobbek, Structure, 2004, 12, 1425.
Structure of Qor from Pseudomonas putida 86
Vista estereoscópica de la superficie del canal del sitio activo.
Mecanismo de la hidroxilación de formamida catalizada por un complejo de molibdeno-ditioleno: Un modelo de reactividad de Xantina Oxidasa
P. Ilich, R. Hille, J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 5406.
Nitrogenasa de Mo-Fe, Klebsiella pneumoniae, en el estado reducido PDB 1QGU
NITROGENASAS En el ciclo del nitrógeno juegan un papel importante un número limitado de microorganismos anaerobios que convierten una tercera parte del N2 atmósferico en NH3. Esto representa 108 toneladas por año, lo mismo se produce por el proceso deHaber-Bosch (a altas presiones y temperaturas: 150-300 atm y 350-550 C). Entre los microorganismos que fijan nitrógeno está la bacteria Rhizobium, que se encuentra en los nódulos de las raíces de las leguminosas.
Consisten de dos tipos de subunidades:
• 1) P-cluster, contiene un cúmulo Fe-S especial • 2) Contiene un cofactor que contiene Fe y S que incluye un
heterometal, generalmente Mo, i.e. FeMoCo.
La reacción catalizada es: N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP + 16H2O 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi Como se ve es un proceso que tiene un alto requerimiento energético.
La proteína heterotetramérica 22 de MoFe contiene el cofactor FeMo y el cluster P, en contraste la proteina de Fe es un homodímero, que contiene un cluster [4Fe-4S] entre las dos subunidades.
hipoxantina