Fijación de nitrógeno, sus tipos y mecanismo.

¿Qué es la fijación de nitrógeno?

• El fenómeno de conversión del nitrógeno libre en sales nitrogenadas para que estén disponibles para la absorción por las plantas se llama fijación de nitrógeno.
• Según los agentes a través de los cuales se fija el nitrógeno, la fijación de nitrógeno se divide en dos tipos:
  • Fijación física de nitrógeno.
  • Fijación biológica de nitrógeno.

Fijación física de nitrógeno:

• Del total de nitrógeno fijado por agentes naturales, alrededor del 10% se debe a procesos físicos como rayos (es decir, descargas eléctricas), tormentas eléctricas y contaminación atmosférica.
• Los rayos y la radiación ultravioleta en la atmósfera favorecen la combinación de nitrógeno gaseoso y oxígeno para formar óxido nítrico (NO). Los óxidos nítricos son reoxidados por el oxígeno para formar peróxido de nitrógeno (NO2).

norte₂+O₂ ————> 2NO (Durante relámpagos y truenos)

2NO+O₂ ————–> 2NO₂ (Oxidación)

• Este peróxido de nitrógeno puede combinarse con el agua durante la lluvia para formar ácido nitroso y ácido nítrico. Los ácidos caen al suelo junto con el agua de lluvia y reaccionan con radicales alcalinos para producir nitratos solubles en agua (NO₃^–) y nitritos (NO₂^–).

2NO₂ +H₂O ——> HNO₂ +HNO₃

H NO₃ + Sales de Ca o K —————-> Nitratos de Ca o K

• Los nitratos son solubles en agua y son absorbidos directamente por las plantas.

Fijación biológica de nitrógeno:

• La conversión del nitrógeno atmosférico (nitrógeno molecular) en formas orgánicas e inorgánicas utilizables con la ayuda de organismos vivos se denomina fijación biológica de nitrógeno.
• Este proceso lo llevan a cabo dos tipos principales de microorganismos;
  • aquellos que son de vida libre o asimbiticos
  • y aquellos que viven en estrecha asociación simbiótica con otras plantas.
  • Sin embargo, se ha reconocido una tercera categoría de microbios fijadores de nitrógeno junto con las raíces de los cereales y las gramíneas. Se llama fijación simbiótica asociativa de nitrógeno.

Fijación asimbiótica de nitrógeno:

• Un gran número de bacterias y cianobacterias de vida libre fijan el nitrógeno atmosférico en una forma utilizable.
• Estos microorganismos se pueden clasificar de la siguiente manera:
  • Bacterias fijadoras de nitrógeno aeróbicas de vida libre. p.ej Azotobacter, Beijerinckia, Derxia etc.
  • Bacterias fijadoras de nitrógeno anaeróbicas de vida libre. p.ej Clostridium pasturianum, bacilo etc.
  • Bacterias fijadoras de nitrógeno fotoautótrofas de vida libre. p.ej Clorobium, Rhodopseudomonas, Rhodospirellum etc.
  • Bacterias quimiosintéticas fijadoras de nitrógeno de vida libre. p.ej Desulfovibrio
  • Cianobacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre: Se sabe que una gran cantidad de cianobacterias heterocistas o algas verdiazules fijan nitrógeno atmosférico. p.ej Nostoc, Anabaena, Cylindrospermum, Trichodesmio, Calothrix etc. Algunas de las cianobacterias de vida libre fijan nitrógeno en los arrozales (p. ej. Aulosira fertilissima), algunos fijan activamente nitrógeno en campos de caña de azúcar y maíz (p. ej. cilindrospermo)

Fijación biológica simbiótica de nitrógeno:

• Muchas bacterias y cianobacterias fijan nitrógeno atmosférico en asociación simbiótica con otras plantas. Algunos ejemplos comunes son:
  • Rhizobium leguminosarum (Bacterias) en asociación con raíces de plantas leguminosas.
  • Nostoc (cianobacterias) junto con una briofita (antoceros).
  • Anabaena azollae (Cianobacterias) junto con helechos acuáticos (Azolla).
  • Anabaena y Nostoc en asociación con raíces coraloides de una gimnosperma, Cycas.

Fijación simbiótica de nitrógeno en leguminosas:

• Una de las bacterias fijadoras de nitrógeno más importantes, rizobio fija nitrógeno en asociación simbiótica con raíces de leguminosas como guisantes, judías, trébol, alfa-alfa, altramuces, etc.

1. Interacción y entrada química:

• Inicialmente, las bacterias crecen en el suelo cerca de las raíces de las plantas superiores, donde no pueden fijar nitrógeno. Cuando estas bacterias entran en contacto con las raíces de las leguminosas, interactúan químicamente y entran a las raíces a través de los pelos radiculares.
• La entrada de bacterias en el pelo radicular depende de varias señales químicas enviadas por el pelo radicular.

2. Formación de una pared de infección:

• Las enzimas producidas por las bacterias degradan partes de la pared de las células ciliadas de la raíz produciendo una estructura similar a un hilo llamada muro de infección.
• Estas bacterias se multiplican e invaden el hilo de infección y finalmente llegan a la corteza interna donde ingresan a las células tetraploides y las estimulan a dividirse.

3. Formación de nódulos radiculares y bacteroides:

• Las células en proliferación forman una protuberancia en forma de protuberancia llamada nódulo radicular. Estas bacterias se multiplican y colonizan el interior de las células tetraploides hasta que se llena el citosol disponible y luego quedan inactivas.
• Cualquier bacteria latente, inmóvil y crecida se llama bacteroides. Una célula típica de un nódulo radicular contiene varios miles de bacteroides.

4. Membrana peribacteroide y espacio peribacteroide:

• Los bacteroides generalmente se encuentran dentro del citoplasma en grupos. Cada grupo está rodeado por una membrana llamada membrana peribacteroide. El espacio dentro de la célula rodeado por la membrana peribacteroide se llama espacio peribacteroide.
• Un pigmento rojo llamado leghemoglobina se llena fuera del espacio peribacteroide en el citosol de las células nodulares.
• La leghemoglobina es similar a la hemoglobina de nuestros glóbulos rojos y tiene la capacidad de combinarse muy rápidamente con el oxígeno y, por tanto, actúa como un eliminador de O2 muy eficaz.

Véase también nitrógeno Ciclo

Mecanismo de fijación biológica de nitrógeno:

• Existen algunos requisitos básicos para la fijación de nitrógeno;
  • Presencia de enzima nitrogenasa e hidrogenasa.
  • Un mecanismo protector de la enzima nitrogenasa contra el O₂
  • Una proteína de hierro no hemo, Ferredoxina como portador de electrones.
  • Sistema que contiene hidrógeno como piruvato, hidrógeno, sacarosa, glucosa, etc.
  • Suministro constante de ATP
  • Presencia de pirofosfato de tiamina (TPP), coenzima A, fosfato inorgánico y Mg²⁺ como cofactores
  • Presencia de cobalto y molibdeno.
  • Compuesto de carbono para atrapar el amoníaco liberado
• En el proceso de fijación biológica de nitrógeno por fijadores de nitrógeno simbióticos y de vida libre, la molécula de nitrógeno se reduce progresivamente paso a paso a amoníaco con la adición de pares de átomos de hidrógeno.
• El ácido pirúvico actúa como donante de electrones (donante de hidrógeno) en la mayoría de los casos. Sin embargo, también se ha demostrado que otros sistemas donadores de electrones, como hidrógeno, sacarosa, glucosa, etc., funcionan en diferentes sistemas.
• En las leguminosas, la molécula de glucosa-6-fosfato probablemente actúa como sustrato para la donación de hidrógeno.
• El proceso general tiene lugar en presencia de una enzima, la nitrogenasa, que está activa en condiciones anaeróbicas.
• La nitrógenoasa consta de dos subunidades;
  • proteína de hierro no hemo comúnmente llamada proteína Fe también llamada dinitrógeno reductasa.
  • y proteína hierro-molibdeno llamada proteína Mo-Fe o dinitrogenasa
• Ambas subunidades son necesarias para la actividad enzimática. Este componente proteico de Fe reacciona con el ATP y reduce la proteína Mo-Fe, que luego reduce el nitrógeno a amoníaco.
• La reacción bioquímica general es la siguiente:

norte₂ + 8e^– + 8H⁺ + 16 ATP ———-> 2NH₃ +H₂ + 16 ADP + 16 Pi

• El producto de la fijación de nitrógeno es el amoníaco, que es tóxico para las plantas. Sin embargo, los iones de amonio son asimilados con seguridad por las plantas superiores.
• En la mayoría de los casos, los iones de amonio se transforman en aminoácidos y luego se translocan.

Amoníaco + ∝-cetoglutarato +NADH ——-> Glutamato + NAD+ +H₂O (Acción Deshidrogenasa)

• En el caso de las leguminosas, el huésped absorbe el amoníaco y lo asimila inmediatamente a una forma orgánica (es decir, aminoácidos, amidas o ureidas) y luego lo transloca desde los tejidos vasculares a otras partes de la planta.
• La mayor parte del amoníaco producido por los fijadores vivos de nitrógeno es metabolizado directamente por microorganismos, absorbido por plantas superiores o convertido en nitratos mediante el proceso de nitrificación.

Nitrificación:

• El amoníaco se oxida a iones nitrito y nitrato por un grupo de bacterias nitrificantes que viven en el suelo. p.ej. Nitrosomonas y Nitrobacter.
• Estas bacterias nitrificantes obtienen su energía de la oxidación de iones amonio y nitrito.
• El grupo Nitrosomonas oxida el amoníaco a nitritos;

NUEVA HAMPSHIRE₄⁺ + 3/2O₂ <———–> NO₂^– +H₂O+H⁺ -84Kcal (Con Nitrosomonas)

• El grupo Nitrobacter oxida los nitritos a nitratos;

NO₂^– + 1/2O₂ ————> NO₃^– +-17,8 Kcal (Con nitrobacteria)

• Nitratos (NO₃^–), producidos por nitrificación, son absorbidos por las plantas superiores y asimilados mediante el proceso llamado asimilación de nitratos.

Asimilación de nitratos en plantas:

• El proceso de reducción de nitrato a amoníaco se llama asimilación de nitrógeno o asimilación de nitrato.
• La absorción de nitrato del suelo por las raíces de las plantas es un proceso activo y dependiente de energía mediado por transportadores.
• Los nitratos absorbidos por las raíces de las plantas se convierten en aminoácidos y amidas antes de incorporarse a proteínas y otras macromoléculas.
• En la mayoría de las plantas, la reducción de nitratos ocurre en los tejidos de las raíces y luego se transporta a los brotes a través del xilema, mientras que en otras, el proceso ocurre en las hojas y los tallos. La ecuación general resumida para la reducción de nitrato a amoníaco es la siguiente:

NO₃^– + 8e^– + 10H⁺ ——–> NH₄⁺ + 3H₂Oh

• Este proceso de reducción consta de los siguientes dos pasos enzimáticos distintos:
  • El primer paso es la conversión de nitrato en nitrito. La reacción es catalizada por la enzima nitrato reductasa (que contiene sulfhidrilo molibdoflavohemoproteína). Este paso tiene lugar en el citosol fuera de cualquier orgánulo y requiere NADH (o en algunas especies NADPH) como donante de electrones, FAD como grupo protésico, Citocromo b.₅₅₇ como portador de electrones y Molibdeno (Mo) como activador enzimático. La vía de transferencia de electrones en la reducción de nitrato a nitrato es la siguiente:

NADH + H⁺ + FAD ——–> NAD⁺ + FADH₂

(o NADPH⁺ +H⁺) (o NADP⁺)

FADH₂ + (Oxi) Mo ——> (Rojo) Mo + 2H⁺

(Rojo) Mo + 2H⁺ +NO₃ ——–> (Oxi) Mo + NO₂

• • El segundo paso es la reducción del nitrito al ion amonio. La reacción es catalizada por la enzima. nitrito reductasa. El donante de electrones más probable en esta reacción parece ser la ferredoxina reducida (una proteína de menor peso molecular que contiene hierro no hemo). La ferredoxina se reduce en la reacción luminosa de la fotosíntesis en las hojas verdes. Se desconoce la naturaleza del donante de electrones en tejidos no verdes (por ejemplo, raíces). En tejidos no verdes algún transportador de electrones desconocido (probablemente FADH₂ o NADPH + H⁺), generado en el metabolismo respiratorio da electrones. La reacción general de reducción de nitrito es la siguiente:

NO₂ + 6e^– + 8H⁺ ——–> NH₄⁺ + 2H₂Oh

Fijación de nitrógeno, sus tipos y mecanismo.