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Le Nitrogenasi

La nitrogenasi e’ un complesso enzimatico appartenente alla classe delle ossidoreduttasi, che catalizza il processo di riduzione dell’azoto atmosferico, favorendo la sua fissazione da parte di specifici organismi. La reazione catalizzata e’:

N2 + 8 H+ + 8e- + 16 ATP ⇌ 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

Questa reazione avviene anche in condizioni abiotiche ma richiede un’enorme energia di norma fornita dalle tempeste di fulmini che trasformano l’azoto presente nell’atmosfera in ammoniaca e in composti ossigenati come nitriti e nitrati. 

L’uomo e’ riuscito a piegare al suo volere questa strana reazione, tramite un processo di sintesi denominato Haber-Bosh. Questo e’ un metodo che permette la sintesi industriale di ammoniaca su larga scala utilizzando come reagenti l’azoto e l’idrogeno in presenza di un catalizzatore (spinello di ferro). Storicamente il maggior problema legato a questa reazione e’ la scissione del triplo legame della molecola di N2. Per superare questo problema il processo viene condotto tra i 350-550 gradi centigradi a 140-320 atmosfere di pressione. Condizioni veramente pericolose e dispendiose da ottenere.

Alcuni batteri sono in grado di attuare la reazione sopra descritta a condizioni ambientali, 1 atmosfera e circa 25 gradi Celsius. Una cosa apparentemente incredibile. La natura abiotica si serve dei fulmini, l’uomo di temperature e pressioni estreme, i batteri di un “semplice” enzima. 

La reazione batterica si serve di ATP come fattore energetico e di agenti riducenti come la ferodossina. In tal modo l’azoto viene trasformato nel prodotto finale (ammoniaca) sfruttando l’idrogeno derivante dall’ossidazione dei carboidrati. La nitrogenasi e’ composta da due proteine: la dinitrogenasi e la dinitrogenasi reduttasi, entrambe queste due macromolecole contengono cluster Fe-S con degli atomi insoliti come il molibdeno (Mo) o il vanadio (V). Questi due metalli sono presenti in concentrazioni bassissime sulla Terra, la domanda per cui sorge spontanea: come hanno fatto questi batteri ad evolversi ed integrare questi elementi? Da dove li prendono? Come li internalizzano? Esistono dei Pathways metabolici appositi? 

I cluster Fe-S-Co e la presenza del carburo nel sito attivo di legame ricordano quasi la struttura di alcuni cristalli minerali. I siti attivi di questi enzimi potrebbero veramente essere il legame tra mondo abiotico e biotico. C’e’ da tenere in conto inoltre che la fissazione dell’azoto e’ un processo altamente riduttivo e viene represso dalla presenza dell’ossigeno, il cui effetto consiste nel provocare l’inattivazione rapida ed irreversibile della nitrogenasi reduttasi. 

Ingegnerizzare questo complesso enzimatico potrebbe far risparmiare molti soldi per la sintesi dell’ammoniaca, ridurre i composti dell’azoto a piacere, etc. Alcune nitrogenasi sono inoltre in grado di ridurre l’anidride carbonica in composti organici del carbonio (riduzione della CO2 atmosferica?).

Esempi comuni di microorganismi azotofissatori sono rappresentati dai batteri appartenenti al genere Clostridium e Azotobacter. 

Testo: Luca Tonietti 
Foto: researchgate.net
Fonti: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15382920?dopt=Abstract