Gekoppelde zuurstofoverdrachts- en elektronenoverdrachtsreacties die cofactoren gebruiken, zijn enzymatische reacties die van cruciaal belang zijn voor alle levensvormen, van bacteriën tot gewervelde dieren. In de Europees tijdschrift voor anorganische chemie , wetenschappers hebben een model geïntroduceerd voor het enzym sulfietoxidase. Het is gebaseerd op een molybdeencomplex waarvan de speciale liganden kunnen worden geoxideerd om de koppeling van zuurstofoverdracht aan een substraat met een intramoleculaire elektronenoverdracht mogelijk te maken. Tussenproducten die molybdeen(V)-ionen bevatten, spelen een cruciale rol.

Veel enzymen werken niet alleen; ze hebben cofactoren nodig - niet-eiwitcomponenten die een rol spelen bij de overdracht van elektronen. Hierbij gaat het vaak om metaalionen, zoals het ijzer in cytochromen of het sporenelement molybdeen, die wordt gevonden in molybdeenoxotransferasen, enzymen die zuurstofatomen overbrengen naar substraten. Een belangrijke vertegenwoordiger van de laatste is sulfietoxidase, die giftig sulfiet oxideert om sulfaat te maken. De zuurstofoverdracht omvat een verandering in de oxidatietoestand van het molybdeen van vierwaardig (MoIV) naar vijfwaardig (MoV). De betrokken elektronen worden via cytochromen verwijderd en gebruikt voor de aanmaak van ATP. Vijfwaardig molybdeen (MoV) lijkt een tussenproduct in de reactie te zijn.

Onderzoekers die met Katja Heinze aan de Universiteit van Mainz werken, hebben nu een conceptuele benadering ontwikkeld voor het stabiliseren en spectroscopisch karakteriseren van de voorspelde tussenproducten in de reacties van Mo-bevattende oxotransferasen met behulp van modelsystemen. Ze gebruiken een methode die ook wordt gebruikt bij het beheersen van katalysatoren:ze bevestigen een moleculaire "schakelaar" met een controleerbare oxidatietoestand.

De onderzoekers kozen ervoor om het ferroceen/ferrocenium redox-paar te gebruiken, waarin een ijzeratoom is ingeklemd tussen twee negatief geladen, aromatisch, vijfledige koolstofringen. Het ijzerion kan schakelen tussen een toestand met een dubbele positieve lading (FeII, ferroceen) en een drievoudig positief geladen, geoxideerde toestand (FeIII, ferrocenium). Dit is analoog aan de natuurlijk voorkomende cytochroom-cofactoren, die ook FeII of FeIII kan bevatten. De onderzoekers bevestigden twee van deze ferroceen/ferrocenium "switches" aan een molybdeencomplex als model voor het actieve centrum van een sulfietoxidase. Het molybdeen bevindt zich in de VI-oxidatietoestand en heeft twee zuurstofatomen die door dubbele bindingen zijn bevestigd. Reactie met een organisch fosfaan (een fosfor-koolwaterstofmolecuul) als een model zuurstofacceptorsubstraat vindt plaats met variabele snelheden, afhankelijk van de kosten op de "schakelaars", omdat de redoxstatus van de ferrocenylsubstituenten de energiebarrières voor bepaalde tussenproducten moduleert. Dit resulteert in een verscheidenheid aan adducten tussen het Mo-complex en het fosfaan.

De meest interessante versies zijn die met twee FeIII-ionen of één FeII- en één FeIII-ion:in deze gevallen het mechanisme is niet langer een eenvoudige overdracht van één zuurstofatoom naar het substraat, zoals voor de FeII/FeII-versie. In plaats daarvan is het gekoppeld aan een intramoleculaire elektronenoverdracht, mogelijk conceptueel vergelijkbaar met die voor natuurlijke sulfietoxidasen. Tijdens de zuurstofoverdrachtsreactie, een elektron wordt overgedragen van het molybdeen naar een van de FeIII-ionen, resulterend in een ladingsverdeling van ofwel FeII FeIII MoV of FeII FeII MoV. Voor de laatste versie, de onderzoekers waren in staat om met behulp van elektronenspinresonantiespectroscopie het MoV-tussenproduct FeII FeII MoV ondubbelzinnig te detecteren met het geoxideerde substraat (het product) er nog aan gebonden. De koppeling van de zuurstofoverdracht aan een intermoleculaire elektronenoverdracht verlaagt de activeringsbarrière voor deze reactiestap en stabiliseert tegelijkertijd het MoV-tussenproduct, zoals voorspeld door de computermodellen.

De onderzoekers stellen voor om dit nieuwe systeem te gebruiken als een model voor de zuurstofatoomoverdracht en intramoleculaire elektronenoverdrachtstappen in sulfietoxidasen, en hopen dit nieuwe concept te gebruiken om analogen te ontwikkelen voor verdere enzymatische reacties met gekoppelde elektronenoverdracht. In de toekomst, het lijkt ook mogelijk om dit concept uit te breiden tot schakelbare katalytische reacties die geen natuurlijk prototype hebben.