El dióxido de carbono como sustrato de metaloenzimas redox

Autor: Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC.

Recientemente se ha reportado un método electroquímico sencillo para demostrar que dos tipos de metaloenzimas redox utitilizan directamente el CO2 como sustrato en lugar de su forma hidratada (bicarbonato).

Las metaloenzimas redox son proteínas que catalizan reacciones de oxidación/reducción y que contienen en su centro catalítico metales. Éstas son capaces de catalizar de forma específica reacciones de gran interés para aplicaciones energéticas con bajo sobrepotencial y en condiciones de reacción suaves, es decir a temperatura ambiente, presión atmosférica y en medio acuoso. Estas propiedades catalíticas son muy adecuadas para el diseño de procesos sostenibles de conversión energética y de acuerdo a los principios de la química verde, como son evitar el uso de disolventes orgánicos y de condiciones de reacción de alto consumo energético.  

Uno de los retos más importantes que tiene actualmente el campo de la química es el desarrollo de catalizadores eficientes y selectivos para la reducción del CO2, ya que es bien sabido que los niveles atmosféricos de esta molécula gaseosa han subido de forma alarmantemente en las últimas décadas, lo cual probablemente está acelerando el cambio climático con sus devastadores efectos en el medio ambiente y la economía mundial.  Teniendo en cuenta que hay varios tipos de metaloenzimas que son capaces de catalizar de forma reversible la reducción de CO2, es muy interesante su estudio para aplicación en electrolizadores o celdas fotoelectroquímicas para obtener compuestos de valor añadido, a la vez que se elimina el gas de efecto invernadero.

En concreto, las enzimas formiato deshidrogenasa y CO deshidrogenasa catalizan de forma reversible  y selectiva la reducción del dióxido de carbono a formiato y monóxido de carbono respectivamente. Dado que catalizan estas reacciones en medio acuoso, ha sido motivo de debate desde hace décadas si el sustrato de estas enzimas era propiamente la molécula de CO2 disuelta en agua o su forma hidratada mayoritaria a pH neutro o ligeramente ácido, el bicarbonato (HCO3-). Por este motivo, en muchas ocasiones se añade la enzima anhidrasa carbónica al medio, ya que cataliza la conversión rápida del CO2 a bicarbonato, para acelerar la reducción de CO2. Sin embargo, en un artículo muy reciente publicado en la prestigiosa revista Angewandte Chemie se ha demostrado por un sencillo método electroquímico que el sustrato de ambas metaloenzimas es el CO2. El método de Fourmond y colaboradores ha consistido en la adsorción de la metaloenzima a estudiar en la superficie de un electrodo de grafito y en realizar cronoamperometrías a un potencial de -0.66 V vs. NHE. A partir de las diferencias en las cinéticas de los incrementos en intensidad de corriente de reducción cuando se añade CO2 o bicarbonato sódico, en presencia o en ausencia del enzima anhidrasa carbónica en el electrolito acuoso. Los resultados indican que para ambas enzimas el proceso de reducción es más rápido cuando se añade directamente CO2 en lugar de bicarbonato sódico, independientemente de que haya anhidrasa carbónica en el medio o no. Por lo tanto, los autores han demostrado de forma sencilla que el sustrato que participa en el mecanismo catalítico de ambas metaloenzimas es la molécula de CO2 y no sus formas hidratadas. Esta conclusión tiene gran importancia para el futuro desarrollo de catalizadores biomiméticos más selectivos para la valorización del dióxido de carbono.

Referencias

1. M. Yuan, M. J. Kummer, S. D. Minteer. Strategies for bioelectrochimical CO2 reduction.

2. M. Meneghello, A. R. Oliveira, A. Jacq-Bailly, I. A. C. Pereira, C. Leger, V. Fourmond. Formate dehydrogenases reduce CO2 rather than HCO3-: An electrochemical demonstration.

Contacto

Antonio López de Lacey, Investigador Responsable del Grupo FCF del Programa FotoArt-CM

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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