Fixación do nitróxeno

A fixación do nitróxeno é o proceso por medio do cal o nitróxeno (N₂) que se encontra na atmosfera terrestre se combina con hidróxeno ou osíxeno, converténdose en amoníaco (NH₃) ou óxidos, compostos que poden incorporarse á biosfera.^[1] O nitróxeno atmosférico (N₂) está formado por dous átomos de nitróxeno unidos por un triplo enlace moi forte, e é unha molécula bastante inerte, é dicir, non reacciona doadamente con outros compostos químicos para formar novos compostos. O proceso de fixación libera os átomos de nitróxeno da molécula diatómica (N₂) para que poida utilizarse para fabricar compostos que poidan incorporarse ao metabolismo dos seres vivos.

A fixación do nitróxeno é esencial para todas as formas de seres vivos porque se require nitróxeno para biosintetizar compoñentes básicos de todos os seres vivos, como son os nucleótidos do ADN e ARN e os aminoácidos das proteínas, xunto con cabezas polares de fosfolípidos, aminoazucres e outros compostos. Por tanto, a fixación do nitróxeno é esencial para os ecosistemas, os cultivos agrícolas e en procesos industriais para a fabricación de fertilizantes ou explosivos (pólvora, dinamita, TNT etc.). A fixación do nitróxeno ocorre de forma natural de xeito abiótico (pola acción dos lóstregos na atmosfera) ou biótico (por acción de microorganismos) ou de forma artificial (na industria).^[2]^[3]

Aínda que a fixación do nitróxeno xeralmente dá lugar a amoníaco (NH₃), o termo tamén inclúe outras conversións biolóxicas nas que se orixina dióxido de nitróxeno (NO₂). Os microorganismos que fixan o nitróxeno denomínanse diazótrofos. Algunhas plantas superiores, e algúns animais (térmites), estableceron diversas asociacións simbióticas con diazótrofos.

A fixación biolóxica do nitróxeno descubriuna o agronomista alemán Hermann Hellriegel e o microbiólogo holandés Martinus Beijerinck.

Fixación biolóxica do nitróxeno

Véxase tamén: Ciclo do nitróxeno.

A fixación biolóxica do nitróxeno (FBN ou BNF) ten lugar xeralmente cando o nitróxeno atmosférico se converte en amoníaco pola acción dun encima chamado nitroxenase.^[1] A reacción é: $N_{2}\ +16ATP+8e^{-}+8H^{+}\rightarrow 2NH_{3}+H_{2}+16ADP16P_{i}$

O proceso está combinado coa hidrólise de 16 equivalentes de ATP e está acompañado da coformación de H₂. Nos diazótrofos de vida libre, o amoníaco xerado pola nitroxenase asimílase formando glutamato pola vía do encima glutamina sintetase/glutamato sintase.

Os encimas responsables da acción da nitroxenase son moi susceptibles á destrución polo osíxeno. Moitas bacterias deixan de producir este encima en presenza de osíxeno.^[1] Moitos organismos fixadores de nitróxeno existen só en condicións anaeróbicas. Algúns rebaixan os niveis de osíxeno uníndoo a unha proteína como a leghemoglobina.^[1]

Microorganismos fixadores de nitróxeno (diazótrofos)

Cianobacterias
Bacterias verdes do xofre
Azotobacteraceae
Rizobios
Frankia
Braarudosphaera bigelowii é o único eucariota que pode fixar o nitróxeno, Trátase dunha alga que ten un orgánulo fixador especial chamado nitroplasto, orixinado a partir da endosimbiose cunha bacteria.^[4]

Fixación do nitróxeno por rizobios e Frankia

Os rizobios son bacterias gramnegativas das ordes Rhizobiales e Burkholderiales, que teñen a capacidade de establecer unha simbiose coas leguminosas para fixar o N₂ nas súas raíces ou nos talos dalgunhas leguminosas acuáticas. Durante esta interacción os bacteroides (como se chaman os rizobios cando están no estado simbiótico) están contidos en compartimentos intracelulares en órganos especializados chamados nódulos radiculares, onde fixan o N₂. De xeito similar, a actinobacteria grampositiva do chan Frankia, induce a formación de nódulos fixadores de nitróxeno en certas plantas de 24 xéneros distintos (plantas actinorrizais).^[5]

Fixación do nitróxeno polas cianobacterias

As Cyanobacteria viven en case todos os ambientes iluminados da Terra e teñen unha intervención fundamental nos ciclo do carbono e do nitróxeno na biosfera. En xeral, as cianobacterias poden utilizar varias fontes orgánicas e inorgánicas de nitróxeno combinado, como nitrato, nitrito, amonio, urea, ou algúns aminoácidos. Varias estirpes de cianobacterias poden crecer como diazótrofas, unha capacidade que puido estar xa presente no seu último antepasado común no Arqueozoico.^[6] A secuenciación de xenomas bacterianos proporcionou unha gran cantidade de información sobre as bases xenéticas do metabolismo do nitróxeno e o seu control en diferentes especies de cianobacterias. A xenómica comparada e os estudos funcionais supuxeron un significarivo avance neste campo nos últimos anos. O 2-oxoglutarato é unha molécula de sinalización central que reflicte o equilibrio carbono/nitróxeno das cianobacterias. Moléculas fundamentais no control do nitróxeno son o factor de transcrición global NtcA, que controla a expresión de moitos xenes implicados no metabolismo do nitróxeno, e a proteína de sinalización P_II, que axusta finamente as actividades celulares en resposta aos cambios nas condicións C/N. Estas dúas proteínas son sensores do nivel celular de 2-oxoglutarato e foron conservadas en todas as cianobacterias. En contraste, a adaptación á falta de nitróxeno envolve respostas heteroxéneas en diferentes estirpes cianobacterianas.^[7] A fixación do nitróxeno polas cianobacterias nos arrecifes de coral pode fixar o dobre de nitróxeno ca a fixación en terra (arredor de 1,8 kg de nitróxeno fíxase por hectárea e día).

Simbioses en nódulos radiculares

En plantas leguminosas

Véxase tamén: Leguminosa.

As plantas que contribúen á fixación do nitróxeno son da familia das leguminosas (Fabaceae), como o feixón, chícharo, kudzu, trevos, soia, alfalfa, chícharo bravo (Lupinus), cacahuetes, e outras. Estas plantas conteñen bacterias simbióticas chamadas rizobios en nódulos que se forman nas súas raiíces, producindo compostos nitroxenados que axudan á planta a crecer e competir con outras plantas. Cando a planta morre, o nitróxeno fixado libérase, quiedando dispoñible para outras plantas e isto axuda a fertilizar o solo.^[1]^[8] A gran maioría dos legumes establecen estas asociacións, pero uns poucos xéneros (por exemplo, Styphnolobium) non. En moitas prácticas agrícolas tradicionais e orgánicas, prodúcese unha rotación de cultivos, no que un deles é dunha planta leguminosa, que fertiliza os campos.

En plantas non leguminosas

Aínda que a gran maioría das plantas que poden fixar o nitróxeno en nódulos radiculares son da famila dos legumes ou Fabaceae, hai tamén algunhas plantas non leguminosas que poden facelo, como son:

Parasponia, unha Celtidaceae tropical, tamén forma nódulos radiculares con rizobios ^[9]
Plantas actinorrizais. Chámanse así as que poden formar nódulos de fixación do nitróxeno coa actinobacteria Frankia, como o ameneiro e a mirta (Myrtus communis). Estas plantas pertencen a 25 xéneros ^[10] de 8 familias de plantas, aínda que a capacidade de fixar nitróxeno non está universalmente presente nestas familias. Por exemplo, de 122 xéneros de Rosaceae, só 4 poden fixar o nitróxeno. Todas estas familias pertencen ás ordes Cucurbitales, Fagales, e Rosales, as cales, xunto coas Fabales, forman o clado dos eurósidos. Neste clado, as Fabales foron a primeira liñaxe en separarse; de modo que a capacidade de fixar nitróxeno pode ser plesiomórfica (carácter ancestral) e puido perderse despois na maioría dos descendentes da planta fixadora de nitróxeno orixinal; porén, pode ser que a xenética básica e os requirimentos fisiolóxicos estivesen xa presentes nun estado aínda incipiente no último antepasado común de todas estas plantas, pero só evolucionaron ata teren unha función completa nalgunhas delas, como son as seguintes:

Familia: Xéneros

Betulaceae: Alnus (ameneiros)

Cannabaceae: Trema

Casuarinaceae:

Allocasuarina

Casuarina

Ceuthostoma

Gymnostoma

......

Coriariaceae: Coriaria

Datiscaceae: Datisca

Elaeagnaceae:

Elaeagnus

Hippophae

Shepherdia

......

Myricaceae:

Comptonia

Morella

Myrica (frundio)

......

Rhamnaceae:

Ceanothus

Colletia

Discaria

Kentrothamnus

Retanilla

Talguenea

Trevoa

......

Rosaceae:

Cercocarpus

Chamaebatia

Dryas

Purshia/Cowania

Outras asociacións simbióticas nas que están implicadas cianobacterias (como Nostoc) establécense coas plantas:

Algúns liques como Lobaria e Peltigera
O fento Azolla
Cycas
Gunnera

Fixación abiótica natural

É consecuencia das descargas eléctricas (lóstregos) na atmosfera ou de procesos de combustión, e a auga de chuvia encárgase de arrastrar ao chan os compostos formados. As cantidades formadas así son insuficientes para soster as necesidades de nitróxeno da biosfera.

Fixación do nitróxeno industrial

Proceso Haber

A produción artificial de fertilizantes nitroxenados é hoxe a maior fonte de nitroxeno fixado producido polo ser humano na Terra. Como precursor destes fertiilizants requírese amoníaco, explosivos, e outros produtos. O método máis común é o proceso Haber, que require altas presións (arredor de 200 atm) e altas temperaturas (polo menos 400 °C) para a catálise industrial. Este proceso moi eficiente utiliza gas natural como fonte de hidróxeno e aire como fonte de nitróxeno.^[11]

Realizáronse moitas investigacións para descubrir a catálise da fixación do nitróxeno, a miúdo co obxectivo de reducir a enerxía requirida para esta conversión. Porén, estes descubrimentos nunca se aproximaron á eficiencia e facilidade do proceso Haber. Moitos compostos reaccionan co nitróxeno atmosférico para dar complexos dinitróxeno. O primeiro complexo de dinitróxeno do que se informou estaba baseado no rutenio, [Ru(NH₃)₅(N₂)]²⁺.^[12]

Redución de nitróxeno en condicións ambientais normais

Os esforzos científicos para conseguir unha química catalítica da fixación do nitróxeno a temperaturas considerablemente máis baixas ca as do proceso de Haber seguen en marcha. O nitróxeno foi convertido en amoníaco e hidracina por Alexander E. Shilov en 1970.^[13]^[14]

Poucos compostos poden romper a molécula de N₂. Nunha atmosfera de nitróxeno o, litio metálico convértese en nitruro de litio. O tratamento do nitruro resultante orixina amoníaco. Outro exemplo de clivaxe homolitica do dinitróxeno en condicións suaves publicouse en 1995. Dous equivalentes dun complexo de molibdeno reacionaban cun equivalente de dinitróxeno, creando un complexo MoN con triplo enlace.^[15] Desde entón, este complexo con triplo enlace utilizouse para producir nitrilos.^[16]

Desenvolvéronse desde a década de 1980 sistemas catalíticos para converter nitróxeno en amoníaco.^[17] En 2003 publicouse outro baseado na utilización dun composto de molibdeno, unha fonte de protóns, e un axente redutor forte.^[18]^[19]^[20]^[21] Porén, estas reducións catalíticas fixan só unhas poucas moléculas de nitróxeno.

Redución de nitróxeno sintética Yandulov 2006.

En 2011 Arashiba et al. publicaron outro sistema cun catalizador tamén baseado no molibdeno, pero cun ligando pinza de difósforo.^[22]

Notas

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Postgate, J (1998). Nitrogen Fixation, 3rd Edition. Cambridge University Press, Cambridge UK.
↑ Slosson, Edwin (1919). Creative Chemistry. New York: The Century Co. pp. 19–37.
↑ http://www.biology.ed.ac.uk/archive/jdeacon/microbes/nitrogen.htm
↑ Wong, Carissa (11 de abril de 2024). "Scientists discover first algae that can fix nitrogen — thanks to a tiny cell structure". Nature.com. Arquivado dende o orixinal o 14 de abril de 2024. Consultado o 16 de abril de 2024.
↑ Moir, JWB (editor) (2011). Nitrogen cycling in bacteria: Molecular analysis. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-86-8.
↑ "The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria" N. Latysheva, V.L. Junker, W.J. Palmer, G.A. Codd and D. Barker; Bioinformatics; 2012: 28(5) pp 603–606; (Article) DOI|10.1093/bioinformatics/bts008
↑ Herrero A and Flores E (editor). (2008). The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution (1st ed.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-15-8.
↑ Smil, V (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.
↑ Op den Camp, Rik; et al. "LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia". Science 331 (6019): 909–912. doi:10.1126/science.1198181.
↑ Dawson, J. O. (2008). "Ecology of actinorhizal plants". Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses 6. Springer. pp. 199–234. doi:10.1007/978-1-4020-3547-0_8.
↑ http://www.epa.gov/watertrain/nitroabstr.html US Enivronmental Protection Agency: Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Causes and Consequences by Peter M. Vitousek, Chair, John Aber, Robert W. Howarth, Gene E. Likens, Pamela A. Matson, David W. Schindler, William H. Schlesinger, and G. David Tilman
↑ A. D. Allen, C. V. Senoff (1965). "Nitrogenopentammineruthenium(II) complexes". Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (24): 621. doi:10.1039/C19650000621.
↑ Catalytic reduction of molecular nitrogen in solutions A.E. Shilov Russian Chemical Bulletin Volume 52, Number 12, 2555-2562, doi 10.1023/B:RUCB.0000019873.81002.60
↑ Reduction of dinitrogen Richard R. Schrock PNAS 14 November 2006 vol. 103 no. 46 17087 doi 10.1073/pnas.0603633103
↑ Dinitrogen Cleavage by a Three-Coordinate Molybdenum(III) Complex Catalina E. Laplaza and Christopher C. Cummins Science 12 May 1995: 861-863.10.1126/science.268.5212.861
↑ A Cycle for Organic Nitrile Synthesis via Dinitrogen Cleavage John J. Curley, Emma L. Sceats, and Christopher C. Cummins J. Am. Chem. Soc., 2006, 128 (43), pp 14036–14037 doi 10.1021/ja066090a
↑ C. J. Pickett, "The Chatt Cycle and the Mechanism of Enzymic Reduction of Molecular Nitrogen", J. Biol. Inorg. Chem. 1996 1, 601-606.
↑ Synthesis and Reactions of Molybdenum Triamidoamine Complexes Containing Hexaisopropylterphenyl Substituents Dmitry V. Yandulov, Richard R. Schrock, Arnold L. Rheingold, Christopher Ceccarelli, and William M. Davis Inorg. Chem.; 2003; 42(3) pp 796–813; (Article) doi 10.1021/ic020505l
↑ Catalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia at a Single Molybdenum Center Dmitry V. Yandulov and Richard R. Schrock Science 4 July 2003: Vol. 301. no. 5629, pp. 76–78 doi 10.1126/science.1085326
↑ O catalizador está baseado no cloruro de molibdeno (V) e na tris(2-aminoetil)amina substituída con tres grupos hexa-isopropilterfenil (HIPT) moi voluminosos. O nitróxeno engádese ao átomo de molibdeno, e os voluminosos substituíntes HIPT impiden a formación do dímero estable e non reactivo Mo-N=N-Mo, e o nitróxeno redúcese nunha zona illada. O doante de protóns é un catión piridinio, que está acompañado por un contra ión tetraborato. O axente redutor é o decametilcromoceno. Todo o amoníaco formado recóllese como sal do HCl atrapando o destilado nunha solución de HCl.
↑ Repárese tamén en que, aínda que o complexo dinitróxeno se mostra entre corchetes, esta especie pode ser illada e caracterizada. Aquí os corchetes non indican que non se observe o intermediato.
↑ Kazuya Arashiba, Yoshihiro Miyake Yoshiaki Nishibayashi A molybdenum complex bearing PNP-type pincer ligands leads to the catalytic reduction of dinitrogen into ammonia Nature Chemistry Volume: 3, Pages: 120–125 Year published:(2011) doi 10.1038/nchem.906

Véxase tamén

Outros artigos

Ligazóns externas

Marine Nitrogen Fixation laboratory at the University of Southern California

[postgate-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Postgate, J (1998). Nitrogen Fixation, 3rd Edition. Cambridge University Press, Cambridge UK.

[2] Slosson, Edwin (1919). Creative Chemistry. New York: The Century Co. pp. 19–37.

[3] ttps://www.biology.ed.ac.uk/archive/jdeacon/microbes/nitrogen.htm

[nature.com-4] Wong, Carissa (11 de abril de 2024). "Scientists discover first algae that can fix nitrogen — thanks to a tiny cell structure". Nature.com. Arquivado dende o orixinal o 14 de abril de 2024. Consultado o 16 de abril de 2024.

[MoirJWB-5] Moir, JWB (editor) (2011). Nitrogen cycling in bacteria: Molecular analysis. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-86-8.

[6] "The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria" N. Latysheva, V.L. Junker, W.J. Palmer, G.A. Codd and D. Barker; Bioinformatics; 2012: 28(5) pp 603–606; (Article) DOI|10.1093/bioinformatics/bts008

[Herrero-7] Herrero A and Flores E (editor). (2008). The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution (1st ed.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-15-8.

[8] Smil, V (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.

[9] Op den Camp, Rik; et al. "LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia". Science 331 (6019): 909–912. doi:10.1126/science.1198181.

[10] Dawson, J. O. (2008). "Ecology of actinorhizal plants". Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses 6. Springer. pp. 199–234. doi:10.1007/978-1-4020-3547-0_8.

[11] ttps://www.epa.gov/watertrain/nitroabstr.html US Enivronmental Protection Agency: Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Causes and Consequences by Peter M. Vitousek, Chair, John Aber, Robert W. Howarth, Gene E. Likens, Pamela A. Matson, David W. Schindler, William H. Schlesinger, and G. David Tilman

[12] A. D. Allen, C. V. Senoff (1965). "Nitrogenopentammineruthenium(II) complexes". Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (24): 621. doi:10.1039/C19650000621.

[13] Catalytic reduction of molecular nitrogen in solutions A.E. Shilov Russian Chemical Bulletin Volume 52, Number 12, 2555-2562, doi 10.1023/B:RUCB.0000019873.81002.60

[14] Reduction of dinitrogen Richard R. Schrock PNAS 14 November 2006 vol. 103 no. 46 17087 doi 10.1073/pnas.0603633103

[15] Dinitrogen Cleavage by a Three-Coordinate Molybdenum(III) Complex Catalina E. Laplaza and Christopher C. Cummins Science 12 May 1995: 861-863.10.1126/science.268.5212.861

[16] A Cycle for Organic Nitrile Synthesis via Dinitrogen Cleavage John J. Curley, Emma L. Sceats, and Christopher C. Cummins J. Am. Chem. Soc., 2006, 128 (43), pp 14036–14037 doi 10.1021/ja066090a

[17] C. J. Pickett, "The Chatt Cycle and the Mechanism of Enzymic Reduction of Molecular Nitrogen", J. Biol. Inorg. Chem. 1996 1, 601-606.

[18] Synthesis and Reactions of Molybdenum Triamidoamine Complexes Containing Hexaisopropylterphenyl Substituents Dmitry V. Yandulov, Richard R. Schrock, Arnold L. Rheingold, Christopher Ceccarelli, and William M. Davis Inorg. Chem.; 2003; 42(3) pp 796–813; (Article) doi 10.1021/ic020505l

[19] Catalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia at a Single Molybdenum Center Dmitry V. Yandulov and Richard R. Schrock Science 4 July 2003: Vol. 301. no. 5629, pp. 76–78 doi 10.1126/science.1085326

[20] O catalizador está baseado no cloruro de molibdeno (V) e na tris(2-aminoetil)amina substituída con tres grupos hexa-isopropilterfenil (HIPT) moi voluminosos. O nitróxeno engádese ao átomo de molibdeno, e os voluminosos substituíntes HIPT impiden a formación do dímero estable e non reactivo Mo-N=N-Mo, e o nitróxeno redúcese nunha zona illada. O doante de protóns é un catión piridinio, que está acompañado por un contra ión tetraborato. O axente redutor é o decametilcromoceno. Todo o amoníaco formado recóllese como sal do HCl atrapando o destilado nunha solución de HCl.

[21] Repárese tamén en que, aínda que o complexo dinitróxeno se mostra entre corchetes, esta especie pode ser illada e caracterizada. Aquí os corchetes non indican que non se observe o intermediato.

[22] Kazuya Arashiba, Yoshihiro Miyake Yoshiaki Nishibayashi A molybdenum complex bearing PNP-type pincer ligands leads to the catalytic reduction of dinitrogen into ammonia Nature Chemistry Volume: 3, Pages: 120–125 Year published:(2011) doi 10.1038/nchem.906

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]