diversisdad vegetal 1 - Fijacion del Nitrogeno

Fijación del nitrógeno

El proceso de fijación que realizan consiste en combinar el nitrógeno atmosférico con hidrógeno para formar amoniaco. Rhizobium leguminosarum es una bacteria simbiótica que se encuentra en unos nódulos que hay en las raíces de las leguminosas; parte del nitrógeno que fija lo cede a las plantas en forma de un componente soluble en el citoplasma celular. En el caso de bacterias del suelo, como Clostridium y Azotobacter, el amoniaco queda fijado en él. La acción de los descomponedores sobre los cadáveres y los productos de desecho del metabolismo también enriquecen el suelo en amoniaco mediante un proceso que se denomina amonificación.
Casi todo el amoniaco que llega al suelo es pasado a ion nitrato por la acción de otras bacterias. Este proceso (llamado nitrificación) se realiza en dos partes: primero unas bacterias del género Nitrosomonas transforman el amoniaco en ion nitrito (NH3 à NO2) por nitrosación, y luego las del género Nitrobacter transforman el nitrito en nitrato por nitratación (NO2- à NO3-). El nitrato constituye la fuente principal de nitrógeno disponible en el suelo para las plantas superiores. Naturalmente, el hombre también ha ideado un sistema para fijar nitrógeno industrialmente (proceso de Haber-Bosch) con el que abona sus campos de cultivo. Existe otro proceso llamado desnitrificación, que como ya habréis adivinado transforma el nitrato en nitrito y este en nitrógeno molecular, que vuelve a la atmósfera cerrándose así el ciclo. Este proceso lo realizan las bacterias desnitrificantes, como las del género Pseudomonas.

Existen gran cantidad de microorganismos capaces de fijar nitrógeno. ¿De qué medio se valen todos estos microorganismos tan distintos para fijar nitrógeno? Pues de un complejo enzimático conocido bajo el nombre de nitrogenasa. La nitrogenasa es un heterodímero formado por una subunidad grande y otra pequeña. La subunidad grande está compuesta a su vez por cuatro subunidades polipeptídicas iguales dos a dos, mientras que la subunidad pequeña está compuesta a su vez por dos subunidades aparentemente idénticas. Ambas subunidades de la nitrogenasa contienen átomos de hierro y azufre, conteniendo además molibdeno la subunidad grande.

Nitrogenasa Nitratoreductasa Nitritoreductasa
N2--------------ànitrato---------------ànitrito-----------------àamonio--> aa


Como veremos más adelante, la presencia de molibdeno y hierro en el medio será uno de los factores que influya en la actividad del enzima. Uno de los mayores problemas a los que se enfrentan los microorganismos fijadores de nitrógeno es que la nitrogenasa se destruye en presencia de oxígeno (en particular la subunidad pequeña, dejando inactiva al complejo enzimático).

Este problema lo han intentado subsanar de distintas formas
Otra de las características de la nitrogenasa es que no solo es capaz de reducir al dinitrógeno molecular, sino que también actúa sobre una gran cantidad de substratos (acetileno, protones, trinitrógeno, alquilacetilenos, ciclopropeno,...)





MÉTODOS DE MEDIDA DE LA FIJACIÓN DE NITRÓGENO

Existen tres métodos de medida:

1- el basado en el contenido total del nitrógeno2- el basado en la reducción del acetileno3- el basado en el uso del isótopo 15 del nitrógeno
1- Contenido total del nitrógeno.

En este primer método solo decimos que hay dos procedimientos posibles:- medir la variación de la nitrógeno en la planta- variación de nitrógeno en el suelo

2- Reducción del acetileno.
Este método ha sido utilizado desde que se describió por primera vez en 1966. Esta técnica del análisis del acetileno y su producto de reducción el acetileno es hecho por cromatografía de gas y es bastante simple, barata y bastante fiable. Se realiza cada ciertos periodos de tiempo y luego se hace una estimación de la cantidad de nitrógeno media fijada.

Este método tiene dos grandes limitaciones:
- las raíces deben estar encerradas (en algún recipiente hermético) luego es imposible medirlo en el campo.- Como es un método indirecto de medida hay ciertos parámetros de conversión que pueden variar de un caso a otro, luego conviene averiguar los parámetros experimentalmente en cada caso.

3- Uso de isótopo 15 del nitrógeno.

Tienen las mismas limitaciones que la medida por acetileno porque las raíces deben estar colocadas en un sitio cerrado. Es más fiable que la técnica del acetileno pero tiene la gran desventaja del alto costo del espectrofotómetro requerido y de la inestabilidad del isótopo.
Son las cianobacterias las responsables de la incorporación del nitrógeno en zonas árticas y subárticas, así como en zonas volcánicas. Las cianobacterias fijan el nitrógeno en unas células especiales denominadas heterosistos, las cuales pasan luego el nitrógeno fijado a las demás células, mientras que reciben de estas los fotoasimilados. En estas células la nitrogenasa se halla protegida del oxígeno. Las cianofíceas sin heterosistos forman racimos en donde las células de la periferia respiran y las internas fijan el nitrógeno. El mucilago también impide el paso del oxigeno y favorece el del nitrógeno.


Factores que afectan la fijación del 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.

La luz

La fijación requiere del poder reductor generado en la fotosíntesis, aunque la reacción de la nitrogenasa per se es independiente de la luz. Un alga verde azulada 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. La actividad de la nitrogenasa se incrementa linealmente en microorganismos fotosintéticos con el incremento de la intensidad de la luz .

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.

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.

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 leghemoglobina evita la inactivación de la nitrogenasa combinándose con el oxigeno y lacándolo del medio

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).Baja concentración de compuestos de nitrógeno.