Propiedades moleculares, cinéticas y espectroscópicas de proteínas mononucleares de molibdeno: nitrato reductasas de Sinorhizobium meliloti 2011 y aldehído oxidorreductasa de Desulfovibrio gigas

Abstract

El molibdeno es un elemento químico de vital importancia en muchos sistemas biológicos y es necesario para la constitución de enzimas que catalizan diversas reacciones clave en los ciclos biogeoquímicos del carbono, azufre y nitrógeno. El metal por si sólo es biológicamente inactivo a menos que esté complejado por un cofactor especial. Con excepción de las nitrogenasas bacterianas donde el Mo forma parte del cofactor FeMOCO (Fe-Mo cofactor), el Mo se encuentra en las proteínas unido a un derivado pterina. El cofactor molibdopterina (MPT) es el sitio activo de todas las enzimas mononucleares de Mo. En esta tesis reportamos el estudio de dos tipos de enzimas mononucleares de Mo: nitrato reductasas (NRs) derivadas de Sinorhizobium meliloti 2011 y aldehído oxidorreductasa de Desulfovibrio gigas (DgAOR). Se caracterizó bioquímicamente una nitrato reductasa de membrana (NRm) involucrada en el metabolismo respiratorio de nitratos, y una enzima con actividad dual nitrato-nitrito reductasa (NR-NiR), ambas derivadas de S. meliloti 2011. Se caracterizó la inhibición de la enzima DgAOR con cianuro, etilenglicol, glicerol y arsenito. Se realizaron estudios cristalográficos y de RPE de la enzima después de la reacción con los alcoholes. Los datos cinéticos de muestras nativas de cristales redisueltos, como de aquellas tratadas con cianuro, confirman que DgAOR no necesita de un ligando azufre coordinado al átomo de Mo para la catálisis, lo que constituye una diferencia fundamental con la enzima xantina oxidasa (XO), y confirma la ausencia del ligando en la esfera de coordinación del átomo de molibdeno en la enzima activa.

Molybdenum is of essential importance in many biological systems as it is required by enzymes catalyzing diverse key reactions in the global carbon, sulfur and nitrogen metabolism. The metal itself is biologically inactive unless it is complexed by a special cofactor. With the exception of bacterial nitrogenase, where Mo is a constituent of the FeMo-cofactor, Mo is bound to a pterin molecule forming the molybdenum cofactor (MOCO) which is the active compound at the catalytic site of all other Mo- mononuclear enzymes. In this work we report the study of two kinds of mononuclear Mo enzymes: nitrate reductases from Sinorhizobium meliloti 2011 and aldehyde oxidoreductase from Desulfovibrio gigas (DgAOR). We characterized biochemically the respiratory membrane-bound nitrate reductase (NRm) and the cytoplasmic nitrate-nitrite reductase (NR-NiR) from S. meliloti 2011. We also performed steady-state kinetic studies of DgAOR with the inhibitors cyanide, ethylene glycol, glycerol, and arsenite, together with crystallographic and EPR studies of the enzyme after reaction with the two alcohols. In contrast to what has been observed in other members of the XO family, cyanide, ethylene glycol, and glycerol are reversible inhibitors of DgAOR. Kinetic data with both cyanide and samples prepared from single crystals confirm that DgAOR does not need a sulphur ligand for catalysis and confirm the absence of this ligand in the coordination sphere of the molybdenum atom in the active enzyme.