Copia de fijación biologica del nitrogeno-2011

FIJACION BIOLOGICA DEL

NITROGENO



FBN



LIBRE



SIBIÓTICA



LEGUMINOSA



NO LEGUMINOSA

FIJACIÓN BIOLÓGICA DEL

NITRÓGENO

 Fijación biológica de nitrógeno: proceso biológico mediante el cual

el nitrógeno atmosférico se transforma en nitrógeno orgánico, proceso que resulta esencial para el crecimiento de las plantas.

 Entre los microorganismos del suelo que realizan la fijación de

nitrógeno, los más utilizados y productivos son las bacterias simbióticas del género Rhizobium que colonizan y forman nódulos en las raíces de las leguminosas como el trébol y la alfalfa. 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.

 Existen otros microorganismos capaces de fijar nitrógeno en el suelo,

Nitrógeno y la biósfera



El Nitrógeno

:

-) 0,1 % de la corteza terrestre

-) 80% de la atmósfera (N

)

-) Número de átomos de N en la corteza

terrestre es 50 veces mayor que en la

atmósfera

La FBN : La realizan EXCLUSIVAMENTE los

organismos procariontes

- Bacterias

–

Cianobacterias

–

Actinomicetes

Todos estos organismos se denominan

diazotrofos

ya que utilizan N2 como fuente

de N

Todos tienen el complejo enzimático de la

NITROGENASA: que permite



ruptura

de ligaduras del N2 a

temperatura y presión normal

Atmósfera

Eucariotes no pueden asimilar

Reacción de Haber-Bosch 400-650 °C y 150-400 atmósferas y catalizadores

N = N

=

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3 (g)

Diazotrofos “ Fijadores de

Nitrógenos de distintos grupos

Sistemas fijadores de nitrógeno (N₂): Resumen de cómo obtienen energía

 Vida libre

– Bacterias anaerobias estrictas:

 Quimiotrofas: Clostridium, Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Methanosorcina, etc.  Fototrofas: Chromatium, Thiopedia, Ectothiorhodospira, etc.

– Bacterias anaerobias facultativas:

 Quimiotrofas: Klebsiella, Citrobacter, Enterobacter, Bacillus, Propionibacterium, etc.  Fototrofas: Rhodospirillum, Rhodopseudomonas, etc

– Bacterias anaerobias o microaerófilas

 Quimiótrofas: Azospirillum, Aquaspirillum, Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia, Derxia,

Thibacillus, Corynebacterium, etc.

 Fototrofas: Gloeocapsa, Anabaena, Calotrix, Nostoc, Spirulina, Oscillatoia, etc.

 Asociaciones fijadoras

– Rizocenosis diazotróficas: Azotobacter, Beijerinckia, Bacillus, Azospirillum, Azoarcus, Acetobacter

– Simbiosis asociativas:

 Anabaena con Azolla

 Nostoc con musgos y hepáticas  Calotrit con hongos (liquenes)

– Rizoendobiosis diazotróficas

 Rhizobium con leguminosas

Un microorganismo procarionte + planta

una simbiosis donde ambos organismos se

benefician. Este sistema es el mayor fijador.

Las principales asociaciones son:

-Plantas leguminosas + rizobios (bacteria)

-Plantas actinorrizas + Frankia (actinomicete)

-Azolla (helecho de agua) + Anabaena

(cianobacteria)

Rhizobium

y bacterias relacionadas

que forman simbiosis con leguminosas

Especie bacteriana Planta huésped (Género)

Sinorhizobium meliloti Medicago (alfalfa), Melilotus

(trebol)

Sinorhizobium fredii Glycine (soja), Vigna (garbanzo)

Sinorhizobium sp. Amplio rango

Rhizobium leguminosarum biovar viciae Vicia, Pisum (guisante), Lathyrus

(poroto dulce)

Rhizobium leguminosarum biovar phaseoli Phaseolus (frijol)

Rhizobium leguminosarum biovar trifolii Trifolium (trebol)

Rhizobium tropici Phaseolus, Leucaena, Medicago,

Macroptillum Rhizobium etli Phaseolus

“Definiciones” de la simbiosis

1)Estado de interdependencia fisiológica

para llevar una vida en común.

2) El déficit nutricional lo favorece.

3) Si no hay déficit nutricional, no hay

simbiosis mutualista.

4) Simbiosis

Rhizobium-

leguminosa:

“

Proceso desencadenado para enfrentar

FBN requiere ATP

→ Fotosíntesis

Sistemas biológicos asocian Fotosíntesis y FBN ú obtienen

Energía del entorno

Fotosintetizan

→

Obtienen la energía del medio

→

Se asocian a organismos fotosintéticos

→

Sinorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Azorhizobium

N₂ + 8H+ _{+ 8e}- _{→ 2NH}

3 + H2

16MgATP → 16MgADP + 16Pi

N₂ +10H+ _{+ 8e}- _{+ 16ATP  2NH}

4+ + 16ADP + 16Pi + H2

Procariotas

SI, pueden asimilar N a T° ambiente y presión atmosférica

FIJACIÓN BIOLÓGICA DEL N

Mecanismo de la nodulación



Reconocimiento específico:

Procarionte/Eucarionte



Invasión por el microsimbionte a

células de la planta hospedera



Cambios estructurales y bioquímicos

en ambos organismos



Cambios en la expresión de varios

1- Proliferación Rhizobium en la rizósfera

Activación de genes nod bacterianos

Síntesis de exopolisacáridos

Flavonoides (Flavonas e isoflavonas radicales)

2- Reconocimiento específico Pre-Organogénico

Polisacáridos bacterianos se unen a lectinas de la planta

Unión tipo antígeno:Anticuerpo

Señales de reconocimiento

microorganismo-planta

a) Esquema de activación de genes nod, b) estructura general de un flavonoide, c) estructura

3- Curvatura del pelo absorbente

Alteración de los patrones de crecimiento normales Actividad de los genes de nodulación llevan a la

formación de un factor de nodulación: un

4- Formación y progresión del Cordón de Infección

Hidrólisis de la pared Celular

Enzimas hidrolíticas bacterianas

 Multiplicación bacteriana interna Invaginación

de la membrana plasmática Formación de “tubo infectivo”

 Inducción hidrolasas de plantas

Cambios en las células de la corteza del nódulo previo a

ser atravesado por el cordón infectivo:

redistribución de los microtúbulos

migración del núcleo

5- Dediferenciación de células corticales e inicio

del meristema nodular

6- Liberación bacteriana fuera de los cordones de

infección

:

Simbiosoma: membrana

Una vez liberadas del cordón de infección las

bacterias se multiplican rápidamente

7-Multiplicación de la bacteria dentro del

hospedante

Bacterias de crecimiento rápido

:

Rhizobium

leguminosarum, trifolii, meliloti

cesan rápidamente

de dividirse

Bacterias de crecimiento lento

:

Bradyrhizobium

japonicum

continúan dividiéndose dentro del saco de

secuestración

Síntesis de Leghemoglobina en las células infectadas

Diferenciación a bacteroide

Cambios en la membrana del simbiosoma (transportador

de amonio, acuoporinas)

El bacteroide funcional cambia su

morfología

División celular activa No fija nitrógeno

División celular limitada Fijación de nitrógeno Diferenciación morfológica Bacteroide

N₂ + 8H+ _{+ 8e}- _{→ 2NH}

3 + H2

16MgATP → 16MgADP + 16Pi

N₂ +10H+ _{+ 8e}- _{+ 16ATP  2NH}

4+ + 16ADP + 16Pi + H2

Tipos de NODULO

Determinado

Indeterminado

La forma , anatomía e histología del nódulo

Nódulo determinado (esférico), soja, poroto, el nódulo madura sincrónicamente, con todas sus células infectadas en el mismo estado de diferenciación, cuando estan maduros carecen de tejido meristemático. Algunas células no son infectadas se llaman células intersticiales o parenquimatosas muy activas metabólicamente (dan gran cantidad de compuestos). Exportan ureidos los cuales se sintetizan a partir de asparragina y glutamina.

indeterminado

determinado

Diferentes tipos de nódulos : 1 Indeterminados

2 Determinados

1

1) Dinitrogenasa: molibdeno-hierro proteína (MoFe proteína o componente 1)

2) Dinitrogenasa reductasa: hierro proteína (Fe proteína o componente 2).

Complejo nitrogenasa

 La MoFe proteína es un tetrámero α₂β₂. PM= 220 kDa

Cada subunidad α posee 2 centros de metales o clusters [4Fe-4S] y cada subunidad β posee un cluster [6Fe-6S-1Mo].

 La Fe proteína es un dímero con 2 subunidades idénticas, cada una de las cuales contiene un cluster [4Fe-4S]. PM= 60 kDa

ç

-) Cofactor FeMoCo el cual comprende 2 cluters: [4Fe-3S] y

[1Mo-3Fe-3S]. -) 2 P-clusters: [8Fe-7S]

Inhibición del complejo

nitrogenasa

 Oxígeno: Leghemoglobina

Inhibición de la nitrogenasa

N2 + 10H+ + 8e- + 16ATP  2NH4+ + 16ADP + 16Pi + H2

Oxígeno

FBN: es una reacción bioquímica que consume compuestos de alta energía (ATP) y requiere reductores biológicos

(NADPH-NADH)

Amonio e Hidrógeno

→ Bacterias de vida libre:

• Barreras bioquímicas y mecánicas

• Compartimentalización: Heterocitos (foto-fosforilación) • Temporal: fotosíntesis diurna y FN nocturna

→ Bacterias asociadas:

• Leghemoglobina

Mecanismos utilizados para

Asimilación del nitrógeno

Nitrogenasa NO3red NO2red

NO3- NO2- NH3 α-cetoglutarato

piruvato ALAT

Glutamato alanina dehidrogenasa oxalacetato

ASAT

aspartato glutámico

Glutamato sintetasa Glutamato amonioliasa

α-cetoglutarato NH3

Asimilación de nitrógeno en

nódulos de raíces de

NH4+ Glu NADH NAD+ GOGAT GS ATP

ADP + Pi

2 OG Glu Aspartato AspAT Oxalacetato Alanina AlaAT Piruvato Gln

(2OG: 2 oxoglutarato, AspAT: aspartato amino transferasa, AlaAT: alanina amino transferasa₎

Diagrama del ciclo GS/GOGAT

en nódulos y raíces de plantas

Raíz nodulada de soja

Nódulos en plantas de soja

Microscopía óptica de corte

de nódulo de raíz de soja

¿ La planta prefiere la FBN o la

asimilación del N desde el

suelo?



Sistema de “tobogán” donde:



↑

[N] en suelo ===>

↓

FBN

Suelos pobres en N Suelos ricos en N

Promueven

Dificultan

Suelos que fueron usados para agricultura _→ usualmente empobrecidos en N _→ simbiosis eficientes.

Simbiosis

↑ Relaciones C/N ↓ Relaciones C/N

Promueven

Inhiben

Simbiosis

La FBN es “energéticamente” muy

antieconómica para la planta.

Existe total dependencia entre producción de ATP y

reducción de N

↓

↓

Los nódulos de soja pueden consumir diariamente el 30% de

los fotosintatos

↓

960KJ/mol N2

fijado

Las plantas tropicales que transportan por UREIDOS son “mas económicas” en la FBN que las templadas, que transportan AMIDAS

→

gr C /gr N2 fijado