N2+8e+16mg ATP+16H2O→2 NH3+H2+16mg ADP+16 pi+8H+
La enzima que Lo que cataliza esta reacción son las enzimas de fijación de nitrógeno. La nitrógenoasa es una oxidorreductasa multifuncional. Además de reducir el N2, también puede reducir una variedad de sustratos, como acetileno, cianuro, óxido nitroso, hidracina, azida y H+. La cantidad de acetileno reducido a etileno se puede medir fácilmente con un cromatógrafo de gases, lo que proporciona un método muy sencillo para estudiar la actividad de la nitrogenasa. Este método ha jugado un papel importante en el estudio de la fijación biológica de nitrógeno.
La nitrógenoasa está compuesta por Fe-Moproteína y Fe-proteína. Estas dos proteínas no muestran actividad nitrogenasa cuando existen solas, y sólo cuando se agregan para formar un complejo pueden catalizar la reducción de nitrógeno. La proteína de hierro-molibdeno es un tetrámero (α2β2) compuesto por dos subunidades α y dos subunidades β, con pesos moleculares de 51 kD y 60 kD respectivamente, y un peso molecular de aproximadamente 220~245 kD. Cada molécula de proteína de hierro-molibdeno contiene dos átomos de molibdeno y 28 átomos de hierro. El peso molecular de la ferritina está entre 59 y 73 kD y está compuesta por dos subunidades de 30 kD (γ2) con el mismo peso molecular. La ferritina contiene cuatro átomos de hierro. En el proceso de reducción del nitrógeno a NH4+, tanto el Fe como el Mo en la nitrogenasa sufren reacciones de oxidación-reducción, como se muestra en la figura 5-20. Los bacteroidetes utilizan carbohidratos para la respiración y producen NADH o NADPH y ATP. Se ha descubierto que los transportadores naturales de electrones (donantes) para la fijación de nitrógeno incluyen ferredoxina, flavodoxina, etc. La presencia de ATP e iones metálicos divalentes (como Mg2+) en organismos fijadores de nitrógeno es una condición indispensable para la fijación de nitrógeno. Sólo bajo la acción del Mg2+ el ATP puede unirse a la proteína Fe, y la hidrólisis del ATP sólo puede ocurrir con la participación de la proteína Fe-Mo. La ferritina transfiere electrones a la proteína hierro-molibdeno y el ATP se hidroliza para producir ADP. La proteína Fe-Mo finalmente transfiere electrones a N2 y protones, produciendo 2 moléculas de NH3 y 1 molécula de H2.
La nitrógenoasa es sensible al oxígeno, y su reacción catalítica debe realizarse en condiciones anaeróbicas. Además de los organismos anaeróbicos obligados, el oxígeno puede dañar la nitrogenasa de otros organismos fijadores de nitrógeno, pero estos organismos necesitan oxígeno para producir el ATP necesario para la fijación de nitrógeno a través de la respiración, por lo que la fijación eficiente de nitrógeno generalmente se realiza en condiciones microaeróbicas. Los diferentes organismos fijadores de nitrógeno tienen diferentes mecanismos para evitar el daño del oxígeno a la nitrogenasa. Por ejemplo, la función fijadora de nitrógeno de las cianobacterias con células heterogéneas se lleva a cabo principalmente en células heterogéneas. Hay una membrana externa compuesta de glicolípidos para evitar la entrada de oxígeno y no hay PS ⅱ que pueda liberar oxígeno a través de la fotólisis del agua. Entre ellas, las dos enzimas de la vía de las pentosas fosfato tienen baja actividad, mientras que la superóxido dismutasa y la deshidrogenasa tienen una fuerte actividad, lo que permite que las células heterogéneas mantengan un entorno microaeróbico. Los Bacteroidetes en los nódulos de las raíces de las leguminosas tienen una membrana alrededor de los Bacteroidetes, y las células de la capa endotelial del tumor están estrechamente dispuestas para formar espacios, lo cual es muy importante para mantener el ambiente hipóxico de los Bacteroidetes. Además, la hemoglobina de las leguminosas en las células de los nódulos también controla parcialmente la necesidad de oxígeno similar a las bacterias. En el sistema fijador de nitrógeno de las plantas no leguminosas, los actinomicetos tienen vesículas intratumorales que pueden tener la misma función antioxidante que las células heterotípicas de las cianobacterias. Obviamente, el nódulo radicular en el * sistema biológico en sí es un buen sistema de protección del oxígeno.
El NH3 (posiblemente NH4+) sintetizado en Bacteroidetes debe ser transportado fuera de Bacteroidetes antes de que pueda participar en el metabolismo de la planta huésped. En el citoplasma de las células bacteroides, el NH4+ se convierte en glutamina, glutamato, asparagina y urea. Estas sustancias son secretadas por células de transferencia al xilema y transportadas a otras partes de la planta.
Debido a la importancia de la fijación biológica de nitrógeno, siempre ha recibido atención la investigación sobre los factores ambientales y genéticos que controlan la fijación biológica de nitrógeno. Las investigaciones muestran que todos los factores que aumentan la capacidad fotosintética de las plantas, como la humedad adecuada, la temperatura, la luz intensa y los altos niveles de CO2, pueden favorecer la fijación de nitrógeno. Los factores genéticos en las leguminosas y los organismos fijadores de nitrógeno también influyen en la tasa de fijación de nitrógeno y el rendimiento. Por ejemplo, uno de los factores genéticos es la capacidad de nodulación de las leguminosas, que depende de un proceso de reconocimiento genéticamente controlado entre los rizobios y la planta huésped. Para mejorar la capacidad de nodulación, los científicos están investigando la transformación de los genes de los rizobios y la selección de especies huésped adecuadas. Otro factor genético es que la nitrogenasa reduce el H+ al tiempo que reduce el N2. Se puede ver en la fórmula general de la reacción que en la reacción catalizada por la nitrogenasa, 1/4 de los electrones se utilizan para reducir H+ y generar H2. El H2 se reduce y escapa a la atmósfera, desperdiciando energía.
Sin embargo, la mayoría de los rizobios y las bacterias autótrofas fijadoras de nitrógeno contienen hidrogenasa, que oxida el H2 a H2O y promueve la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. Los estudios han demostrado que el rendimiento de las leguminosas (como la soja) con rizobios con alta actividad hidrogenasa es ligeramente mayor que el de los rizobios con baja actividad hidrogenasa. Puede ser que el primero reduzca el desperdicio de energía. Con base en este conocimiento, es posible obtener rizobios con mayor actividad hidrogenasa mediante tecnología de ingeniería genética y aumentar el rendimiento del frijol. Además, se han introducido genes fijadores de nitrógeno en las raíces de plantas no leguminosas mediante tecnología de ingeniería genética, lo que ha logrado ciertos avances en el trabajo de fijación de nitrógeno de estas plantas.
Las diferentes etapas de crecimiento de las plantas afectan a la fijación biológica de nitrógeno. Por ejemplo, en la soja, el maní y los gandules, el 90% del nitrógeno fijado biológicamente se encuentra en la fase de crecimiento reproductivo y el 10% en la fase de crecimiento vegetativo. Curiosamente, la fijación biológica de nitrógeno de varias leguminosas proporciona sólo 1/4 ~ 1/2 del nitrógeno total requerido a lo largo de su vida, y el resto se absorbe principalmente del suelo NO3- o NH4+ durante la etapa de crecimiento vegetativo. Sin embargo, ninguna cantidad de fertilizante nitrogenado puede aumentar los rendimientos. La razón es que la absorción de fertilizantes nitrogenados por las plantas aumenta pero la capacidad biológica de fijación de nitrógeno disminuye. Los fertilizantes nitratados tienen varios efectos: inhibir el contacto entre los rizobios y los pelos radiculares y prevenir la formación de hilos de infección; el lento crecimiento de los nódulos radiculares inhibe la fijación de nitrógeno de los nódulos radiculares maduros cuando se agregan NO3- y NH4+, se acelera el envejecimiento de los nódulos radiculares; .