24B. Fixace N2

 

 

 

Asimilace N – ze sloučenin anorganických do organických – běžné (rostliny, mikroorganismy obecně)

 

            N2 – inertní, problém převést na sloučeninu

-         kyslíkaté – výboje

-         redukce na NH3 – energeticky náročná

 

N2 + 3H2 ->2NH3  DG°' = 32,6 kJ.mol-1

 

Technologicky – katalýza (pův. Os a U, dnes Fe3+, 400 – 650 oC, 10 – 40 MPa) – Haber-Bosch 1913

                        spotřebuje ca 1% veškeré celosvětově produkované energie

 

Biochemicky – enzymová katalýza + ATP

 

 

25B Nitrogenasa

 

Probíhá podle rovnice

N2 + 8H+ + 8e- ->2NH3 + H2

na každý elektron se spotřebují  2 ATP, tedy

16 ATP ->16 ADP + 16 Pi  

Celkově

N2 + 4NADH+ H+ + 16MgATP ->2NH3 + H2 + 4NAD+ + 16MgADP + 16Pi

 

Tato redukce je omezena na několik mikroorganismů – symbiotické a volně žijící

            Rhizobium – symbiont vikvovitých rostlin

            Azotobacter, Klebsiella, Clostridium a cyanobacterie (vodní)

 

 

 

Reakce je katalysována nitrogenázovým komplexem složeným z FeS-proteinu dinitrogenasa reduktasy (složena ze 2 podjednotek o ca 65 kD, obsahuje 4Fe a 4S na dimer, citlivá na kyslík) a MoFe-proteinu dinitrogenasy (a2b2 heterotetramer s velkým redoxním centrem obsahujícím Fe4S3 a Fe3MoS3 spojené 3 sulfidovými skupinami)

 

 

 

Nitrogenasová reakce může být rozložena do 3 kroků:

  1. redukce FeS-proteinu externím donorem elektronů
  2. redukce MoFe-proteinu redukovaným FeS-proteinem
  3. redukce N2 MoFe proteinem

 

 

 

 

 

První reakce vyžaduje NADH a je katalysována feredoxinem.

Ve druhém stupni dochází ke spřažení s exergonickým pochodem – hydrolýzou ATP. Podstatou je snížení redoxpotenciálu (z -350 mV na -450 mV) po fosforylaci proteinu, to umožní redukovat koncový enzym – FeMo-protein o nízkém E’0, jenž je pak schopen redukce N2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Úloha Fe4S4 při redukci dinitrogenasy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Přenos elektronu mezi klastry

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vazba N2 v klastrech dinitrogenasy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nitrogenasa (podobně jako RUBISCO) je syntesována ve velkých množstvích, u diazotofytů tvoří až 10% všech bílkovin.

 

Nitrogenasa redukuje i jiné substráty se strukturou podobnou N2, dobrým měřítkem její aktivity je reukce acetylenu:

HCCH + 2e- + 2H+ ->H2CCH2

 

 

 

Schema mechanismu redukce N2

 

 

 

 

Problém citlivosti ke kyslíku, produkce leghemoglobinu odčerpávajícího O2 (v rostlinné buňce, kodován v jejím jádře.

 

Symbiosa – rostlina zásobuje symbionta metabolity (z TCA).

 

 

 

 

 

 

 

 

Lokalisace enzymů redukce dusíku

 

 

Možnosti GMO – nitrogenázy v rostlinách.

 

 

 

Jiné typy nitrogenas (V místo Mo, účast azotoflavinu aj.)