Contenido de Mo

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)
MoS2
Jacob Hjelm preparó una forma impura de molibdeno en 1782
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://www.molybdenum.com/molyinfo/molyinfo.html
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.
Abundancia de Mo
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
Requerimientos de Mo
La dosis diaria de Mo requerida, de acuerdo a
información en Estados Unidos de América es de 4345 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.
Alimentos que contienen Mo
Levadura
Lentejas
Hígado
Espinaca
Col verde
Pan integral
Arroz integral
Riñones
Frijoles rojos
Nueces
Contenido de Mo de algunos alimentos
Alimento
Contenido de Mo
(g de Mo/100 g de alimento)
Papas
600
Col
280
Zanahorias
200
Leguminosas
20-470
Cereales
10-110
Deficiencia de molibdeno
http://wheatdoctor.cimmyt.org/index.php?option=com_easygallery&act=photos&cid=253&Itemid=33
Toxicidad de Mo
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.
Abundancia natural y especiación
El Mo es el metal de transición más abundante en los
océanos: 10 g/L, pH  8.3, (MoO42-), 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.
Abundancia natural y especiación
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)32+
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-  MoO2S22-  MoOS32- 
MoS42Posibilidad de procesos redox, reducción de Mo a
(V) o (IV) y formación de disulfuros, polisulfuros o
azufre elemental.
Potenciales de reducción de Mo
H2MoO4
H2MoO
4
Mo en el ciclo del nitrógeno
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
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.
Mo en el ciclo del azufre
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-  SO42-) 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
metabolismo humano (SO32-  SO42-).
en
el
La enzima DMSO reductasa, presente en muchas
bacterias marinas, cataliza la reducción de DMSO a DMS.
Mo y W en sistemas vivos
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.
A.-K. Duhme, Z. Dauter, R.C. Hider, S. Pohl, Inorganic Chemistry, 1996, 35, [10].
Transporte de Mo
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.
Catecholate siderophores of A. vinelandii. (A) Azotochelin. (B)
Aminochelin. (C) Protochelin.
Mop
Proteína que enlaza molibdato de Sporomusa ovata
1FR3
DOI 10.2210/pdb1fr3/pd
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
Dimetilsulfóxido
reductasa
Hidroxilasas de Mo
Xantina Oxidasa
Sulfito Oxidasa Humana
H.H. Harris, G. N. George, K. V. Rajagopalan, Inorg. Chem. 2006, 45, 493.
M. Hofmann, Inorg. Chem. 2008, 47, 5546.
Hidrolasas de Mo
Constituyen el grupo más grande
mononucleares de Mo, con más de
caracterizadas.
de
20
enzimas
enzimas
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).
Xantina Oxidasa
Xantina Oxidasa de leche de bovino
PDB: 1FIQ
Sitio Activo
A.A. Voityuk, K. Albert, M.J. Romão, R. Huber, N. Rösch, Inorg. Chem. 1998, 37, 176.
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.
Dimetilsulfóxido reductasa
Reacción catalizada
Mecanismo propuesto para la DMSO reductasa
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
Structure of Qor from Pseudomonas putida 86
I. Bonin, B.M. Martins, Vl.Purvanov, S.Fetzner, R.Huber, H.Dobbek, Structure, 2004, 12, 1425.
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 22 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