Kobalt zit in het midden van de corrin-ring van vitamine B12 en de belangrijke cobalamines die we daaruit halen. Het is misschien verrassend dat slechts twee van onze enzymen de moeite nemen om deze pijnlijk geconstrueerde en zorgvuldig gekanaliseerde cofactoren te gebruiken. Waarom doen onze cellen zoveel moeite om een ​​beetje van de kobaltmagie te krijgen, en welke katalytische eigenschappen maken het zo speciaal?

Andere ongewone essentiële metalen, zoals molybdeen, selenium en jodium, worden op dezelfde manier slechts spaarzaam in cellen gebruikt, en toch behouden we het vermogen om alle bruikbare derivaten voor deze elementen volledig te synthetiseren. Om molybdeen te temmen, construeren we een uitgebreide molybdopterine-cofactor, terwijl we om jodium te benutten thyroxine assembleren. Om selenium op te nemen in de weinige selenoproteïnen die het nodig hebben, schudt de uitgebreide SECIS-machinerie de mRNA-code om een ​​uniek tRNA aan te trekken, waarna de cysteïnelading wordt omgezet in selenocysteïne. In elk van deze gevallen begrijpen onderzoekers de speciale eigenschappen van de betrokken metalen die ze onmisbaar maken.

In vergelijking met zwavel is selenium bijvoorbeeld een betere nucleofiel die sneller zal reageren met reactieve zuurstofsoorten, maar het gebrek aan π-bindingskarakter betekent dat het ook gemakkelijker kan worden verminderd. Selenoproteïnen zoals GPX4 (glutathionperoxidase) zijn dienovereenkomstig beter bestand tegen zowel overoxidatie als onomkeerbare inactivatie. Evenzo weerspiegelt de onontkoombare behoefte aan molybdeen, een redoxverbinding met twee elektronen die kan pendelen tussen de +4/+5 en de +5/+6 redox-paren, een weerspiegeling van verschillende niet-zo-veel voorkomende vaardigheden. Het kan diverse en energetisch uitdagende redoxreacties uitvoeren; het kan fungeren als een elektronenafvoer of -bron bij een laag redoxpotentiaal; en (samen met het veel zeldzamere wolfraam) effectief zuurstof- en zwavelatomen kan overbrengen tijdens reacties die plaatsvinden bij een laag potentieel.

Een opmerkelijke poging om het essentiële kobaltkarakter te achterhalen werd naar voren gebracht in een recent commentaar in PNAS door de buitengewone geochemicus Michael Russell. Tussen Fe en Ni in het periodiek systeem, merkt Russell op dat "het element bijzonder 'energiedicht' is met gepaarde elektronen in de buitenste baan. Het voorkomt als een metaallegering in serpentinieten met een variabele valentie die zich uitstrekt van Co ⁺ tot Co₄ ⁺ , zijn verschillende spintoestanden en zijn contrasterende conformaties maken het uniek, met onnoemelijke bijdragen die kunnen worden geleverd aan elektronica, katalyse en het ontstaan ​​van leven. Inderdaad, Co-Fe-samenwerking is zojuist onderzocht aan de andere kant van het redoxspectrum - de elektrokatalyse van de O₂ evolutie reactie. Substituties van Co zijn ofwel onhaalbaar, zoals in het metabolisme en in een of andere dubbel-atoomkatalyse, of ze liggen in de wat verre toekomst."

Russells opmerkingen zijn een reactie op een eerder artikel van He et. al. die aantoonden dat hydrothermische reductie van bicarbonaat tot langketenige koolwaterstoffen (≤24 koolstoffen) mogelijk is door het gebruik van ijzer- en kobaltmetalen. Deze bevindingen verklaren mogelijk zowel de abiogene oorsprong van aardolie als de belangrijkste gebeurtenissen in het ontstaan ​​van het leven. Omdat overblijfselen van de porfyrinen en corrins die essentieel zijn voor het leven te vinden zijn te midden van aardolieafzettingen, wordt een cruciale vraag:heeft het leven deze moleculen uitgevonden, of hebben ze eerst abiotische facsimile's van deze moleculen gebruikt en pas later ontwikkelden ze het gelijktijdige vermogen om ze te synthetiseren voor zichzelf?

Het antwoord op mijn vraag van Russell was dat, naar zijn mening, het leven waarschijnlijk corrin-achtige coördinatie heeft uitgevonden door middel van een vier-aminozuur-peptide-glycine-glycine-histidine-motief dat in staat is het kobaltatoom te vangen. Vreemd genoeg moeten porfyrinen, die ijzer of koper in hun kernen bevatten, en chloorverbindingen, die hetzelfde doen met magnesium, worden samengetrokken tot corrinen om kobalt te binden. Deze specificiteit komt schijnbaar ondanks de bijna identieke atoomstralen (rond 125 pm) voor de aangrenzende Fe, Co, Ni, Cu elementaire opstelling. Volgens Russell waren kobalt (en andere overgangsmetalen) die nodig waren bij het ontstaan ​​van het leven actief in afzettingen van de minerale groene roest, ook bekend als fougeriet, bij alkalische hydrothermale ventilatieopeningen. Kobaltcorrinoïde samen met ijzerzwavelclusters vormen het hart van de primitieve acetyl-co-enzym-A-routes van de acetogenen en de methanogenen die aan de onderkant van onze evolutionaire boom liggen. Dit Co(FeS)-eiwit bemiddelt bij het aan- of losmaken van een methylgroep aan of van koolmonoxide of een andere entiteit die betrokken is bij de biosynthese van acetyl-CoA.

De vorm van vitamine B12 die wordt gebruikt door ons methylmalonyl-CoA-mutase-enzym dat zich in de mitochondriën bevindt voor de afbraak van vetzuren en aminozuren, staat bekend als adenosylcobalamine (AdoCbl). Het andere cobalamine-gebruikende enzym, methioninesynthase, werkt in het cytosol en gebruikt een methylcobalamine-cofactor waarin de adenosylgroep is vervangen door een methylgroep. Landplanten en schimmels synthetiseren of hebben geen cobalamine nodig omdat ze methylmalonyl-CoA-mutase missen en een ander soort methioninesynthase hebben dat geen B12 nodig heeft. Wanneer deze enzymen niet goed werken, kunnen hun voorlopermoleculen zich vermoedelijk ophopen tot hoge niveaus, wat problemen kan veroorzaken zoals demyeliniserende ziekte en pernicieuze anemie.

Hoewel kobalt door zijn thermische stabiliteit en hoge energiedichtheid een ideaal onderdeel is voor de kathodes van lithiumbatterijen, komt het nut ervan voor het leven voort uit de vele andere unieke eigenschappen, waarvan sommige zijn ontdekt en sommige nog moeten worden gevonden.