FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN
LA VIDA LIBRE
ALUMNO: RAFAEL CARLOS AUÑÓN FERNÁNDEZ ASIGNATURA: MICROBIOLOGÍA
Introducción
Los microorganismos fijadores de nitrógeno no constituyen un grupo taxonómico homogéneo, la única característica que comparten es la presencia de la enzima nitrogenasa. Dichas bacterias comprenden organismos fotótrofos, como bacterias pertenecientes a la familia Rhodospirillaceae, Clorobiaceae y Cianobacteriae; organismos quimioautotrofos, como bacterias de los géneros Thiobacillus, Xanthobacter y Desulfovibrio y organismos heterótrofos como las bacterias pertenecientes a la familia Frankiaceae, al grupo Rhizobiaceae y a los géneros Azotobacter, Enterobacter, Klebsiella y Clostridium
Estos organismos pueden realizar la fijación biológica de nitrógeno ya sea independientemente (a excepción de las rizobiáceas) o estableciendo relaciones simbióticas con otros organismos.
Fijación Biológica
En los hábitats terrestres, la fijación simbiótica de nitrógeno que llevan a cabo los rizobios que colonizan y forman nódulos en las raíces de las leguminosas como el trébol, la alfalfa, o el guisante. Las bacterias obtienen alimento de la planta y ésta a cambio, recibe compuestos nitrogenados en abundancia. A veces se inoculan en el suelo determinadas especies de Rhizobium para incrementar las cosechas de leguminosas. Éstas se cultivan, en muchos casos, para que aporten a la tierra el nitrógeno que han agotado otras cosechas.
Se ha observado que muchas bacterias fijadoras de nitrógeno lo hacen de una manera más eficaz cuando la concentración de oxigeno está por debajo de la concentración de oxigeno atmosférico (en torno al 21%). Estas condiciones frecuentemente se dan en el subsuelo. Azotobacter y Beijerinckia son dos géneros bien establecidos de bacterias libres del suelo fijadoras de nitrógeno.
Figura 2: Azotobacter
La tasa de fijación de nitrógeno de los rizobios simbionticos suele ser 2 o 3 órdenes de magnitud superior a la tasa de fijación de las bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre en el suelo. Las Asociaciones de rizobios con alfalfa pueden fijar hasta 300kg de nitrógeno por hectárea y año; en cambio la tasa de fijación de Azotobacter, que se encuentra en estado libre, oscila entre 0,5 y 2,5 kg de nitrógeno por hectárea y año. A pesar de que la tasa de fijación de nitrógeno de las bacterias libres del suelo es relativamente baja, estas bacterias son muy abundantes. Gracias a la disponibilidad de compuestos orgánicos procedentes de raíces, la tasa de fijación de nitrógeno de bacterias como Azotobacter es mayor en la rizosfera que en el suelo libre de raíces. Dichas bacterias fijan el nitrógeno a través de la nitrogenasa
Nitrogenasa
Todos los microorganismos que convierten el N2 en amoniaco lo hacen gracias a la
actividad del complejo enzimático Nitrogenasa; la enzima requiere de la colaboración de otras dos proteínas que actúan como donadores de electrones y reductores naturales de la Nitrogenasa.
Figura 3. Esquema de la Nitrogenasa
Estas dos metaloproteínas, y contienen tres tipos de grupos prostéticos. La nomenclatura para designar estas proteínas es variable. Así, la proteína I es llamada también
dinitrogenasa o "Fierro-molibdeno-proteína". El otro componente, la proteína II, es igualmente nombrada dinitrogenasa reductasa o "Fierro-proteína". Para su
funcionamiento, el complejo requiere un donador de electrones de bajo potencial, de la hidrólisis de ATP y de un ambiente estrictamente anaerobio. La fijación biológica de nitrógeno es un proceso que requiere un gasto considerable de energía, de ahí que su biosíntesis esté sometida a una estricta regulación. Ha sido determinado que, bajo condiciones de laboratorio, se requieren 16 moléculas de Mg-ATP y se produce además una molécula de H2. La ecuación global es:
N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP 2NH3 + H2 + ADP + 16Pi
En condiciones naturales se ha estimado que la demanda energética es mucho mayor de 20-30 moléculas de ATP. Por esta razón, los microorganismos han seleccionado
mecanismos para inactivar a la enzima cuando está disponible el nitrógeno combinado; esto le permite mantener las necesidades del microorganismo y evitar un gasto
energético inútil.
La hidrólisis de ATP está acoplada a la transferencia de electrones (e-) hacia la proteína I; dos moléculas de ATP son hidrolizadas por cada par de electrones transferidos. Se piensa que los grupos P tienen una función en la transferencia de electrones.
Factores que afectan a la fijación de Nitrógeno
Existen una serie de factores que afectan a la cantidad de nitrógeno fijado, la mayoría de los cuales afectan tanto a la fijación por microorganismos libres como en simbiosis. Estos factores son: número de microorganismos fijadores, la luz, la
temperatura, la humedad, la concentración de oxígeno, compuestos de nitrógeno, otros nutrientes minerales y reguladores de la nitrogenasa. A continuación se verá cual es el efecto de cada uno de ellos.
Número de microorganismos fijadores:
La relación parece resultar obvia, una mayor cantidad de microorganismos fijadores en el medio se corresponderá con una mayor fijación de nitrógeno. La distribución de las bacterias fijadoras en los distintos hábitats es muy variable. Así, Azotobacter es muy abundante en el Delta del Nilo y prácticamente inexistente en suelos de las islas Británicas.
La luz:
Fig. 4. Efecto de un pretratamiento con luz en la actividad de la nitrogenasa de Anabaenopsis circularis
Este es un factor aplicable a microorganismos fotosintéticos fijadores de
nitrógeno. La fijación requiere del poder reductor generado en la fotosíntesis, aunque la reacción de la nitrogenasa per se es independiente de la luz. Muchas algas
verdeazuladas pueden crecer y fijar nitrógeno en completa oscuridad si disponen de suficientes substratos orgánicos. Un alga verdeazulada expuesta a la luz puede luego fijar nitrógeno en la oscuridad durante un cierto periodo de tiempo aprovechando para ello los substratos producidos en la fase luminosa, el ATP y el poder reductor generado (fig. 4)
Como era de esperar, la actividad de la nitrogenasa se incrementa linealmente en microorganismos fotosintéticos con el incremento de la intensidad de la luz (fig. 5).
Fig. 5. La actividad de la nitrogenasa y tasa de fotosíntesis (producción de oxígeno) referidas a la intensidad de luz recibida.
La concentración de oxígeno:
Cuando aumenta la concentración de oxígeno se observa una disminución de la fijación del nitrógeno. Esto es así porque el proceso de fijación exige condiciones reductoras. Ante la presencia de oxígeno (presencia que será obligada en los microorganismos aerobios) se produce un gasto considerable de poder reductor para proteger a la nitrogenasa del oxígeno.
Mecanismos para proteger el complejo de la nitrogenasa:
Protección respiratoria: el microorganismo intensifica la respiración cuando hay demasiado oxígeno. Requiere un gasto grande de compuestos carbonados (no es válido en poblaciones con limitación de carbono).
Protección conformacional: Paso de la forma activa del enzima (que es sensible al oxígeno) a la forma inactiva (que no lo es). Entonces no se fija nitrógeno.
La temperatura:
Los microorganismos fotosintéticos son comunes en las zonas templadas, abundantes en los trópicos y llegan a estar presentes en ambientes extremos .La actividad de la
nitrogenasa aumenta con la temperatura, aunque al llegar a un máximo (normalmente entre 25-30 º C) comienza a decrecer, aunque en los microorganismos de zonas muy cálidas sigue aumentando
Los compuestos de nitrógeno:
La síntesis de la nitrogenasa es inhibida por la presencia en el medio de
concentraciones de compuestos de nitrógeno, tales como amonio o nitratos. Además, interfieren en la competición entre fijadores de nitrógeno y no fijadores.
Otros nutrientes minerales:
Necesitan molibdeno (fig. 6) por estar contenido en el componente Mo-Fe de la nitrogenasa. Según esto, resulta obvio que también se necesita hierro.
Fig. 6. Efecto de la concentración de molibdeno en la actividad de la nitrogenasa. Reguladores de la actividad de la nitrogenasa:
El ADP es un potente inhibidor de la nitrogenasa. Cuando la relación ATP/ADP es igual o inferior a 0.5, la nitrogenasa queda totalmente inhibida. Inhibidores competitivos son el acetileno y el CO, por los que la nitrogenasa presenta mayor afinidad que por el nitrógeno.
La actividad de la nitrogenasa se ve incrementada con:
Un pH cercano a la neutralidad.
Un nivel alto de humedad y baja tensión de oxígeno.
Abundante cantidad de compuestos carbonados y compuestos energéticos (ATP).
