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 da la ventaja de no depender de otras especies disponibles de nitrógeno.

�Fijación asimbionte.

�Fijación simbionte.

Fijadores de Nitrógeno

Aerobios de vida libre / Anaerobios facultativos

Quimiorganótrofos Dominio Bacteria: Azotobacter, Azomonas, Klebsiella*, Mycobacterium

flavum, Azospirillum lipoferum, C.

freundii, Methylomonas, etc.

Fotótrofos La mayoría de las Cianobacterias.

Quimiolitótrofos Alcaligenes, algunas especies de Thiobacillus, Streptomyces thermoautotrophicus.thermoautotrophicus.

BioN-Plus is a Nitrogen fixing bio-fertilizer. Azospirillum sp.

Heterocistos. Anabaena sp.

Microorganismos en la rizosfera.

Fijadores de Nitrógeno

Anaerobios de vida libre

Quimiorganótrofos Dominio Bacteria: Clostridium spp, Desulfovibrio, Desulfotomaculum.

Fotótrofos Dominio bacteria: Chromatium, Thicapsa. Clorobium, Rhodospirillum,

Rhodomicrobium, Rhodopseudomonas,

Rhodopila, Rhodobacter,

Heliobacterium, Heliobacillus,

Heliphilum.

Quimiolitótrofos Dominio Archaea: Methanosarcina, Methanococcus, Methanobacterium,

Methanospirillum, Methanolobus.

Desulfotomaculum Rhodopseudomonas Methanospirillum

Fijadores de nitrógeno

Fijadores simbióticos

�Plantas leguminosas: Soya, guisante, treból, etc., en asociación con una bacteria de los géneros Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium 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 I. Dinitrogenasa, proteína de FeMo.

II. Dinitrogenasa-Reductasa, 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 dinitrogenasa-reductasa a la dinitrogenasa con 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.

Algunas bacterias que son capaces de fijar el nitrógeno en simbiosis con plantas forman nódulos en las raíces de las mismas.

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 de factores de nodulación para este proceso de infección.

2. Modelo clásico de infección de los cabellos de la raíz.

Formación de nódulos

La planta libera flavonoides que inducen en la bacteria (ej. Rhizobium) la expresión de los factores de 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 proteínas-carbohidratos como receptores de las plantas.

Los polisacáridos de superficie forman estructuras complejas macromoleculares en el interfaz de planta de bacteria y tienen 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)

para permitir la infección.

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).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

NH4+

Desnitrificación

NO2-

N2O

Oxidación del amonio

N2

Fijación del nitrógeno

Amonificación del nitrito

Asimilación

del amonio

Aeróbico

Desnitrificación

Reducción desasimilatoria de NO 3-

Reducción asimilatoria del NO 3

-

NO3-NO2

-

NO

R-NH2

Oxidación del nitrito

Amonificación del nitrito

Amoni-ficación

Anaeróbico

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

AmonificaciónDurante 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

�Ureasa

Amonificación

�Aminoácido-Oxidasas

R-CHNH2COOH + Enz-FAD � α-cetoácido + NH3 + CO2 + Enz-FADH2

Enz-FADH2 + O2no enzimático Enz-FAD + H2O2

�Deaminasas no oxidativas

Asimilación del amonioLa 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 alfa-cetoácido para formar un aminoácido.

�Glutamato deshidrogenasas (GDH)

α-cetoglutarato + NH4+ + NADH + H+ ↔ L-glutamato + NAD+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.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