Se observa la unión de una segunda molécula de CO

Los investigadores aclaran otro paso en el mecanismo de reducción del monóxido de carbono a través de la nitrogenasa

15.06.2021 - Alemania

Mediante la fijación biológica del elemento nitrógeno por la enzima nitrogenasa, los organismos acceden al nitrógeno molecular (N2) de la atmósfera terrestre, que es esencial para construir estructuras celulares. Además, una variante de la nitrogenasa dependiente del vanadio puede reducir el gas tóxico monóxido de carbono (CO) a hidrocarburos. Estas reducciones de N2 y 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 ambas reacciones. El 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 Universidad Libre de Berlín, ha podido demostrar ahora cómo el sitio activo de la nitrogenasa dependiente del 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.

Diferentes reacciones de la nitrogenasa

Las reducciones industriales de N2 y CO -conocidas como procesos Haber-Bosch y Fischer-Tropsch, respectivamente- requieren altas temperaturas y presión. Mientras que la reducción del N2 da lugar al producto biodisponible amonio (NH4+), durante la conversión del CO se combinan al menos dos átomos de carbono. El producto de reacción predominante es el etileno (ethene, C2H4), un gas incoloro que desempeña un papel importante no sólo en los combustibles sino también en la producción de plásticos. Aunque la escisión de un enlace N-N en la fijación del nitrógeno es químicamente muy diferente de la formación de un enlace C-C en la reducción del CO, los científicos sospechaban anteriormente que la nitrogenasa utiliza los mismos principios mecánicos básicos para ambas reacciones.

Segunda molécula de CO en el sitio activo

En un trabajo anterior, el equipo dirigido por Rohde y Einsle utilizó la nitrogenasa para reaccionar con el gas CO, dando lugar a la unión específica de una sola molécula. En su estudio actual, que se basa en este trabajo, los investigadores muestran que han gaseado cristales de este primer estado con CO bajo presión y luego los han sometido a un análisis cristalográfico de rayos X. Esto les permitió observar directamente cómo se une una segunda molécula de CO. "La forma de la nitrogenasa obtenida de este modo, con dos moléculas de CO en el sitio activo, representa probablemente un estado bloqueado", explica Rohde, "pero proporciona pistas directas sobre el mecanismo de la enzima". Como resultado, el equipo de Einsle puede ahora esbozar un mecanismo detallado de la reducción del CO a través de la nitrogenasa.

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Publicación original

Rohde, M., Laun, K., Zebger, I., Stripp, S. T., Einsle, O.; "Two ligand binding sites in CO-reducing vanadium nitrogenase reveal a general mechanistic principle"; Science Advances; 2021, Vol. 7, No. 22.

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