ObrazE224

AZOT

Klebsiella i Azotobacler, cyjanobakterie (sinice) i bakterie symbiotyczne (głównie RJtizobium). Symbiotyczne bakterie Rhizobium dokonują inwazji korzeni roślin motylkowatych (min. groch, fasola, koniczyna, lucerna) i tworzą brodawki korzeniowe, w których zachodzi wiązanie azotu. Ilość N2 wiązanego przez te diazotroficzne mikroorganizmy wynosi rocznie około 10” kg, co stanowi około 60% bieżąco związanego azotu na Ziemi. Wyładowania atmosferyczne i promieniowanie ultrafioletowe wiążą kolejne 15%, a pozostała część pochodzi z procesów przemysłowych.

Brak chemicznej reaktywności wiązania N=N jest wyraźnie widoczny na tle warunków przemysłowego procesu wiązania azotu. Proces ten, przeprowadzony w 1910 roku przez Fritza Habera i jeszcze nadal stosowany w fabrykach nawozów sztucznych, polega na reakcji N2 w obecność H’ z udziałem katalizatora żelazowego w temperaturze 500°C i pod ciśnieniem 300 atmosfer.

N2 + 3H2 <—* 2NH₃

Kompleks niłrogenazy

Biologiczne wiązanie azotu jest przeprowadzane przez kompleks nitro-genazy, który składa się z dwóch białek: reduktazy, dostarczającej elektrony o dużym potencjale redukcyjnym, i niłrogenazy, która wykorzystuje te elektrony do redukcji Nj do NH3 (rys. 2). Reduktaza jest dimerem identycznych podjednostek o masie 64 kDa, zawiera jedno ugrupowanie źelazo-siarkowe i dwa miejsca wiążące ATP. Nitrogenaza jest dużym białkiem o masie 220 kDa, składa się z dwóch podjednostek a i dwóch

podjednostek (ł («2p2) oraz zawiera kompleks żelazo-molibdenowy Transport elektronów od reduktazy do nitrogenazy jest sprzężony z hydrolizą ATP, prowadzoną przez reduktazę Chociaż redukcja Nj do NH3 jest procesem, w którym bierze udział tylko 6 elektronów:

N₂ + 6<T + 6H*-•> 2NHj

reduktaza nie działa perfekcyjnie i powstaje tu także H₂ Dlatego są potrzebne jeszcze dwa dodatkowe elektrony:

N2 + 8Ż- + 8H*-■> 2NHj + H₂

Osiem elektronów o dużym potencjale pochodzi ze zredukowanej ferredoksyny, która jest wytwarzana albo w wyniku działania fotosystemu I w chloroplastach, albo w oksydacyjnym transporcie elektronów (rys. 2) (patrz tematy Q i L3). Sumaryczna reakcja biologicznego wiązania azotu:

N₂ ♦ 8 C +16 ATP +16 HjO-► 2 NHj + H₂ +16 ADP +16 P, ♦ 8 H*

ukazuje, że jest to proces bardzo kosztowny pod względem energetycznym, w którym hydrolizie ulega co najmniej 16 cząsteczek ATP.

2 AOP ♦ 2 P,

Rys 2. Przepływ elektronów podczas redukcji katalizowane/ przez rwogenaze

Leghemoglobina

Kompleks nitrogenazy jest niezwykle wrażliwy na inaktywację przez Qj, enzym ten musi więc być chroniony przed tym reaktywnym gazem. W brodawkach korzeniowych roślin motylkowatych ochronę tę zapewnia symbiotyczna synteza leghemoglobiny. Część globinowa tego monomery cznego białka wiążącego tlen (patrz temat B4) jest syntetyzowana przez roślinę, zaś hem (patrz temat M4) jest wytwarzany przez Rhaobtum. Leghemoglobina ma bardzo duże powinowactwo do Oł utrzymuje więc wystarczająco małe jego stężenie, chroniąc nitrogenazę.

Asymilacja azotu Następnym etapem w cyklu azotu jest asymilacja nieorganicznego azotu w postaci amoniaku do związków organicznych zawierających azot. Wszystkie organizmy włączają amoniak w dwóch głównych reakcjach, katalizowanych przez dehydrogenazę glutaminianowi i syn tetazę glutaminową, z utworzeniem aminokwasów, odpowiednio: glutaminianu (Glu) i glutaminy (Gin). Azot aminowy w Glu i azot amidowy w Gin są następnie używane w kolejnych reakcjach biosyntetycznych. prowadzących do utworzenia innych związków.