AZOT FİKSASYONU: Mikroorganizmalar ATP ve güçlü bir indirgeyici kullanarak atmosferik azotu amonyağa dönüştürürler

Kaynak:  Biochemistry, L.Stryer

Prokaryot ve ökaryot pekçok hücre büyüme ve üreme için gerekli azotun ele geçirilmesi bir sorundur. Tüm organizmalar amonyağı azotlu organik bileşiklerine dönüştürürken (C-N bağlarına), sadece bir kısım organizma, atmosferik azot molekülünden ve topraktaki nitrat (NO3)’tan amonyağı sentezleyebilmektedir.

Amino asit, pürin, pirimidin ve diğer biyomoleküllerdeki azot atomu, atmosferik azottan kaynaklanmaktadır. N2’nin NH3’e indirgenmesine azot fiksasyonu adı verilir; bu dönüşüm bazı bakteriler ve mavi yeşil alglerce (siyanobakter) gerçekleştirilir. Topraktaki nitratın indirgenmesi ise, bitkiler ve mikroorganizmalarca yapılır.Biosferde azotun inorganik ve organik biçimleri arasında bir denge vardır. İnorganiğin organiğe dönüşümü, azot fiksasyonu nitratın nitrite indirgenmesiyle başlar. Bu oluşum katbolizma ve denitrifikasyon ve çürüme ile dengelenir.

         N fiks eden

                Bakteriler                                  tüm organizmalar                 tüm oraganizmalar

Azot                         Amonyak                    Amino asit                protein,DNA,RNA

         Denitrifiye eden                                                   Niklotit, aminoşeker           karmaşık polisakkaritler ve

Bakteriler                              Birçok bitki          Koenzim porfirin               Fosfolipitler

         Nitrosomonas             ve bakteriler                        

 

                              Nitrit

Nitrobakter          Birçok bitki ve bakteriler

                              Nitrat

 

Bu mikroorganizmaların bazıları, örneğin rhizobium bakterileri, legümen bitkilerin köklerinini işgal ederek kökte nodüller oluştururlar. Bu nodüllerde azot fiksasyonu gerçekleştirilerek, bitkiler ve bakterilere azot kazandırılır. Diazotropik mikroorganizmalarca fix edilen N2’nin miktarı yaklaşık yılda 1011 Kg kadardır; bu miktar dünyanın yeni fix edilen azotunun %60 kadardır. Şimşek ve uv radyasyonu %15 ve endüstriyel süreçlerden de %25 oranında fixasyon gerçekleştirir.

N≡N bağı 225kkal/mol kimyasal atağa karşı rezistansdır. Lavoisier azot adını verirken ‘‘without life’’ yaşam yok anlamında isimlendirmiştir. 1910 yılında Fritz Haber azotun fiksasyonu için bir endüstriyel süreç oluşturmuş olup, hala gübre fabrikalarınca kullanmaktadır.

N2 + 3H2 à 2NH3

N2’nin fiksasyonu tipik olarak 500ºC ve 300 Atm basınç altında demir katalizörlerin olduğu ortamda yapılmaktadır.

N fiksasyonunun biyolojik süreci çoklu redox merkezleri  olan bir karmaşık enzimi gerektirir. 2 Proteinden meydana gelen nitrogenaz kompleksi, bu transformasyonu gerçekleştirir:.

 

a.Redüktaz,  indirgen gücü olan elektronları sağlar. b.Nitrogenaz,bu elektronları N2’nin NH3’e indirgemekte kullanır.

 

 

 

İndirgenmiş ferrodoksinden elektronlar

                                                                                                 N2

                          Redüktaz                     Nitrogenaz                  

                          (Fe protein)                 (Mo Fe Protein)                     

                                                                                                 NH3

                              ATP         ADP+Pi

Redüktazdan nitrogenaza elektronların transferi, redüktazca gerçekleşen gerçekleşen ATP hidrolizi ile bağlaşıktır. Nitrogenaz kompleksi O2 inaktivasyonuna oldukça hassastır. Legümen bitkilerin (soya fasulyesi) kök nodüllerinde hemoglobin benzeri bir yapı olan leghemoglobin O2’ni bağlayarak serbest oksijeni minimum düzeye indirirler.

N2’ni NH3’e indirgenmesi bir 6 elektron süreçtir.

N2 + 6e- + 6H+ à 2NH3

Ancak redüktaz mükemmel değildir. NH3 yanında H2 de meydana gelir. Böylece 2  elektron verilmesi gerekir.

N2 + 8e- + 8H+ à 2NH3 + H2

Pek çok azot fix eden mikroorganizmalarda 8 yüksek potansiyel elektron indirgen ferrodoxinden gelir. Hatırlanacağı gibi kloroplastlarda FS I’in eylemi ile indirgen feerodoksin oluşturulmaktaydı. Bir diğer şekilde de indirgenmiş ferrodoksin oksidant süreçlerle de oluşturulabilir. Nitrojen fixasyonu enerjetik yönden oldukça  pahalıdır.  Her N2 indirgenmesi en az 16 ATP hidrolizini gerektirir.

 N2+8e-+8H++16ATP+16H2Oà2NH3 +H2 +16 ADP+16Pi

Kompleksin hem redüktaz hem de nitrogenaz bileşikleri Fe-S proteinleridir. Fe inorganik sülfüre ve sistein biriminin sülfürüne bağlıdır. Redüktaz bir Fe proteinidir; 30 kd eş-altbirimleri olan bir dimer yapı (2 eş altbirim her biri 30kD’luk)olup, (4Fe - 4S) demetiyle köprü oluşturur. Redüktazın rolü, yüksek potansiyel vericiden (indirgen ferrodoksin) nitrogenaz kompleksine elektronları transfer etmektir. ATP bağlanması ve hidrolizi, redüktazı nitrogenaz bileşenine yaklaştıran bir konoluşum değişimini tetikler;   ve böylece elektronların azot indirgen merkezine naklini sağlar.  Kelebeğe benzer bir şekli olan  redüktazın elektron taşınmasında önemli rolü vardır.

Nitrogenaz bileşeni α2β2 tetramer (240 kd) olup, burada altbirimler birbirlerine aldukça benzer. Elektronlar α β içyüzeyine yerleşik P-demet kesiminden girerler. Bu demetler 8 demir atomu ve 8 sülfür atomundan oluşur. İndirgen halde her demet, merkez sülfür atomuna bağlı iki 4Fe-3S kısmen küpik olan bir biçim alır. Her demet protein 6 sistein biriminden bağlanır. Elektronlar P demetinden FeMo kofaktörüne akar. Bu demet içinde molibdenyum bulunduğu için MoFe proteini adı da verilir.  Fe Mo kofaktör 3S atomla  bağlı iki (M-3Fe 3S) demetlerinden oluşur.

Mo bir demette bin m yerini, Fe ise diğer yeri işgal eder. Fe Mo-kofaktörü azot fiksasyon yeridir. N2’nin bu kofaktörün merkez kavitesine bağlandığı sanılmaktadır. Çoklu Fe-N etkileşimlerinin oluşumu bu kompleksde N≡N bağını  zayıflatır ve sonunda indirgenme için bir aktivasyon  engeli azaltılmış olur.