Fijación de nitrógeno

Fijación de nitrógeno
La fijación de nitrógeno
(N2) es un proceso que
llevan a cabo algunos
microorganismos
procariotes, esta habilidad
da la ventaja de no
depender de otras
especies disponibles de
nitrógeno.
Fijación asimbionte.
Fijación simbionte.
Fijadores de Nitrógeno
Quimiorganótrofos
Aerobios de
vida libre /
Anaerobios Fotótrofos
facultativos Quimiolitótrofos
BioN-Plus is a Nitrogen fixing
bio-fertilizer. Azospirillum sp.
Heterocistos.
Anabaena sp.
Dominio Bacteria: Azotobacter,
Azomonas, Klebsiella*, Mycobacterium
flavum, Azospirillum lipoferum, C.
freundii, Methylomonas, etc.
La mayoría de las Cianobacterias.
Alcaligenes, algunas especies de
Thiobacillus, Streptomyces
thermoautotrophicus.
Microorganismos en la rizosfera.
Fijadores de Nitrógeno
Quimiorganótrofos
Anaerobios
Fotótrofos
de vida libre
Quimiolitótrofos
Desulfotomaculum
Dominio Bacteria: Clostridium spp,
Desulfovibrio, Desulfotomaculum.
Dominio bacteria: Chromatium,
Thicapsa. Clorobium, Rhodospirillum,
Rhodomicrobium, Rhodopseudomonas,
Rhodopila, Rhodobacter,
Heliobacterium, Heliobacillus,
Heliphilum.
Dominio Archaea: Methanosarcina,
Methanococcus, Methanobacterium,
Methanospirillum, Methanolobus.
Rhodopseudomonas
Methanospirillum
Fijadores de nitrógeno
Fijadores simbióticos
Plantas leguminosas: Soya,
guisante, treból, etc., en
asociación con una bacteria
de los géneros Rhizobium,
Bradyrhizobium, Sinorhizobium
o Azorhizobium.
Plantas no leguminosas:
Alnus, Myrica, Ceanothus,
Comptonia y Casuarina; en
asociación con actinomicetos
del género Frankia.
Nódulos de Rhizobium en las
raíces de la soya.
Complejo Nitrogenasa
N2 + 8e- + 8H+ 2HN3 +H2
El complejo de fijación
de N2 está conformado
por dos nitrogenasas.
I. Dinitrogenasa, proteína
de FeMo.
II. DinitrogenasaReductasa, proteína de
Fe-S.
Ambas proteínas son
sensibles al O2.
Nature 460, 839-847(13 August 2009)
Proceso de
fijación
Los electrones son
llevados desde la
dinitrogenasareductasa a la
dinitrogenasa con la
hidrólisis de ATP.
Fijación simbiótica
de nitrógeno
La penetración de los tejidos de la
raíz puede ocurrir de dos diferentes
formas:
1. Independiente de la infección
intracelular de los cabellos de la raíz.
Rhizobium destruye la capa de
células que lo rodean para entrar a la
raíz, se reproduce y eventualmente
invade las células de la planta. En
algunos casos (no en todos) requiere
Algunas bacterias que son
de factores de nodulación para este
capaces de fijar el nitrógeno proceso de infección.
en simbiosis con plantas
forman nódulos en las raíces 2. Modelo clásico de infección de los
cabellos de la raíz.
de las mismas.
Formación de nódulos
La planta libera
flavonoides que
inducen en la
bacteria (ej.
Rhizobium) la
expresión de los
factores de
nodulación, los
cuales inducen el
enrollamiento de
los cabellos de la
raíz, penetración
de la bacteria y
división de las
células corticales.
Nature Reviews Microbiology 12, 933-945, ( December 2004)
Formación de nódulos
Nature Reviews Microbiology 7, 312-320 (April 2009)
Los hilos de infección se extienden por el cabello de raíz hacia las
células corticales de la raíz. Los hilos de infección ramifican en el
nódulo (que es formado por dividiendo células corticales), en el
cual Rhizobium es liberado.
Interacciones y nodulación
En la infección participan proteínas de adhesión como las
ricadhesinas de algunas bacterias unen calcio en la superficie
de los cabellos de la raíz y las lectinas que son proteínascarbohidratos como receptores de las plantas.
Los polisacáridos de superficie forman estructuras complejas
macromoleculares en el interfaz de planta de bacteria y tienen
funciones estructurales y de señalización. La ubicación de estos
polisacáridos sobre la superficie de Rhizobium les da roles
importantes en el reconocimiento y la especificidad de una
simbiosis.
Para algunas leguminosas, polisacáridos de superficie
simbióticamente modificados son requeridos para el desarrollo
de la nodulación, y estos a menudo son controlados por la
cascada regulatoria de flavonoides-nod box–NodD.
Expresión de los factores de
nodulación
Los favonoides inducen los factores de nodulación. Los sistemas de
secreción se forman en la bacteria. El SST3 para el complejo Rhc y
el SST4 para el complejo VirB-VirD4.
Las funciones de las proteínas secretadas son: formar los poros en
las células de las plantas y controlar las defensas de las células
para permitir la infección.
Nature Reviews Microbiology 7, 312-320 (April 2009)
Simbiosoma y bacteroides
Cuando los rhizobios se
multiplican dentro de las
células de la plata se
transforman en células
hinchadas, deformes y
ramificadas llamadas
bacteriodes (4).
El simbiosoma es una estructura
donde los bacteroides están
rodeado por porciones de la
membrana de la célula
vegetal.
La fijación de N2 comienza
cuando se ha formado el
simbiosoma.
Fijación de N2 y O2
El amonio formado por la fijación es liberado a la planta para formar
los compuestos orgánicos nitrogenados.
La leghemoglobina captura el O2 para mantener los niveles ya que
el proceso de fijación se lleva a cabo en condiciones
microaerofílicas.
Nature Reviews Microbiology 2, 621-631 (August 2004)
Ciclo del Nitrógeno
N2
Fijación del nitrógeno
NH4+
Oxidación del amonio
Amonificación
Oxidación del nitrito
Amonificación del nitrito
Desnitrificación
NO2-
Asimilación
del amonio
N2O
NO
Aeróbico
R-NH2
Reducción
asimilatoria del NO 3
NO2-
Anaeróbico
Reducción desasimilatoria de NO 3
-
NO3-
Formas del
nitrógeno
Compuesto
Estado de
oxidación
Nitrógeno
orgánico (R-NH2)
-3
Amonio (NH3)
-3
Nitrógeno gas
(N2)
0
Oxido nitroso
(N2O)
+1
Oxido nítrico
(NO)
+2
Nitrito (NO2-)
+3
Dióxido de
nitrógeno (NO2)
+4
Nitrato (NO3-)
+5
Amonificación
Durante la descomposición de los compuestos orgánicos
nitrogenados como aminoácidos y nucleótidos se libera amoniaco.
La mayoría de las plantas, animales y microorganismos pueden
realizar el proceso de conversión de nitrógeno orgánico en amonio
o amoniaco.
Ureasa
CO(NH2)2 + H2O
Ureasa
2NH3 + CO2
Alanina Deshidrogenasa
Amonificación
Aminoácido-Oxidasas
R-CHNH2COOH + Enz-FAD α-cetoácido + NH3 + CO2 + Enz-FADH2
Enz-FADH2 + O2
no enzimático
Deaminasas no oxidativas
Enz-FAD + H2O2
Asimilación del amonio
La incorporación inicial de amoníaco a la materia orgánica viva
suele estar acompañada de reacciones de la glutamina
sintasa/glutamato sintasa o por la aminación directa de un alfacetoácido para formar un aminoácido.
Glutamato deshidrogenasas (GDH)
α-cetoglutarato + NH4+ + NADH + H+ ↔ L-glutamato + NAD+
α-cetoglutarato + NH4+ + NADPH + H+ ↔ L-glutamato + NADP+
Glutamina sintasa (GS) – Glutamato sintasa (GOGAT)
L-glutamato + NH4+ + ATP → L-glutamina + ADP + Pi
α-cetoglutarato + L-glutamina + NADPH + H+ ↔ 2L-glutamato + NADP+
α-cetoglutarato + NH4+ + ATP + NADPH + H+ ↔ L-glutamato + ADP + Pi + NADP+
Asimilación del amonio
Los iones amonio pueden ser
asimilados por numerosas plantas
y por muchos microorganismos
que los incorporan a sus
aminoácidos y a otros
compuestos bioquímicos que
contienen nitrógeno.
Alanina deshidrogenasa
Piruvato + NH4+ + NADH + H+ ↔ L-alanina + NAD+
Piruvato + NH4+ + NADPH + H+ ↔ L-alanina + NADP+
Aspartasa
Fumarato + NH4+ ↔ L-aspartato
Aminotransferasas
aminoácido + enzima α-ceto ácido + E-NH2
Aspartato + α-cetoglutarato ↔ oxaloacetato + glutamato
Alanina + α-cetoglutarato ↔ piruvato y glutamato