nitrogenfiksering

Nitrogen inngår i blant annet proteiner, DNA og klorofyll. Alle organismer er avhengig av proteiner og DNA. Derfor må alle organismer ha tilgang på nitrogen. Mennesker og dyr får nitrogen gjennom proteinene i maten de spiser, mens plantene tar opp nitrogen i form av nitrat (\(\ce{NO3^{-}}\)) fra jordsmonnet.

Når organismene skiller ut avfallsstoffer eller dør, blir de nitrogenholdige forbindelsene brutt ned og kommer tilbake til jord og luft. Det største lageret av nitrogen på Jorda er nitrogengass (N₂) i atmosfæren. Gassen utgjør omkring 79 prosent av lufta.

Nitrogengass er lite reaktivt, og bare noen ganske få bakterier kan utnytte nitrogengass direkte. De omdanner nitrogengass (N₂) til ammoniakk (NH₃) gjennom nitrogenfiksering (nitrogenbinding). Andre bakterier omdanner i sin tur ammoniakk til nitritt (\(\ce{NO2^{-}}\)) og nitrat (\(\ce{NO3^{-}}\))som atter andre bakterier omdanner til nitrogengass. På den måten går nitrogenet gjennom et kretsløp hvor den biologiske nitrogenbindingen er den begrensende faktoren.

Nitrogengass kan også omdannes til ammonium og nitrat ved utladninger av lyn i atmosfæren.

Nitrogenmolekylet er stabilt og lite reaktivt fordi de to nitrogenatomene i molekylet er bundet sammen med tre sterke kovalente bindinger i en trippelbinding (N≡N). For å bryte bindingene slik at det kan reagere med andre atomer, kreves det mye energi.

Evnen til nitrogenfiksering finnes bare hos noen få arter av bakterier som ellers har lite til felles. Nitrogenfiksering skjer både hos frittlevende bakterier i jord og vann og hos bakterier som lever i symbiose med planter. Tabellen viser en liste av noen kjente arter som fikserer nitrogen.

Det er flere frittlevende bakterier som kan fiksere nitrogen. Noen av dem er avhengig av oksygen (aerobe), noen må leve uten oksygen (anaerobe), mens andre kan leve med og uten oksygen (fakultativ):

• Azotobacter (aerob)
• blågrønnbakterier (aerob)
• Klebsiella (fakultativ)
• Clostridium (anaerob)
• grønne bakterier (anaerob)
• purpurbakterier (anaerob)

Noen nitrogenfikserende bakterier må leve sammen med andre organismer (symbiose):

• Rhizobium i belgplanter
• Frankia i Or
• lav som er en symbiose av blågrønnbakterier og sopp
• Azolla som er symbiose av blågrønnbakterier og vannbregne

Omdannelsen av N₂ til NH₃ hos bakterier er en reduksjon som er katalysert av enzymet nitrogenase. Enzymet er komplekst, og både syntesen og reguleringen av nitrogenase er avhengig av omkring 20 gener.

Reaksjonen som enzymet katalyserer kan skrives slik:

\[\ce{N2 + 16ATP + 8H+ + 8e^{-} -> 2NH3 + H2 + 16ADP + 16P_{i}}\]

Nitrogenase består av to proteiner: dinitrogenase hvor nitrogenet er bundet under reaksjonen, og dinitrogenase-reduktase som deltar i overføringen av elektroner. Begge proteinene har bundet til seg til kofaktorer som inneholder jern, Fe. Dinitrogenase inneholder i tillegg en kofaktor med molybden, Mo. Kofaktorene deltar direkte i overføringen av elektroner i reaksjonen.

Reduksjonen av N₂ (N≡N) til NH₃ foregår trinnvis på enzymet, men ingen mellomprodukter har vært isolert. Det overføres til sammen åtte elektroner i reaksjonen, hvorav to brukes til å produsere molekylært hydrogen H₂. Reaksjonen krever også store mengder energi i form av ATP.

Elektronene som er nødvendige i reaksjonen kommer fra redusert ferredoxin som i sin tur har mottatt dem fra andre forbindelser i cellene. Hva som forsyner ferredoxin med elektroner, avhenger av hvilken nitrogenfikserende bakterie man har å gjøre med.

Nitrogenase blir fullstendig inaktivert av oksygen, og derfor skjer det ingen nitrogenfiksering i nærvær av O_2. De bakteriene som kan fiksere nitrogen har imidlertid utviklet mekanismer som beskytter enzymsystemet mot oksygen.

Enzymet nitrogenase er uspesifikt og reduserer også andre molekyler med trippelbindinger, for eksempel acetylen HC≡CH som blir redusert til etylen H₂C=CH_{2 .} Reduksjon av acetylen til etylen er enkelt å måle i en gasskromatograf og derfor brukes denne metoden til å måle aktiviteten av nitrogenase i laboratoriet. Alternativt kan man bruke den tunge isotopen ¹⁵N for å finne ut om det blir omdannet til ¹⁵NH₃. For å måle ¹⁵N kreves massespektroskopi som er relativt tungvint i forhold til gasskromatografi.

Omtrent 20 gener er involvert i syntesen og reguleringen av nitrogenase. Disse genene, nif-genene, ligger samlet i en operon på kromosomet hos alle bakterier med evne til nitrogenfiksering.

I tillegg til strukturgenene som koder for enhetene i de to proteinene dinitrogenase og dinitrogenase-reduktase, er noen av genene involvert i syntesen av Fe- og Mo-kofaktorene, mens andre gener er reguleringsgener av ulikt slag. Fordi nitrogenfiksering er så energikrevende for organismene, er reaksjonen underlagt streng kontroll. Bakteriene fikserer nitrogen bare når det er absolutt nødvendig og de ikke har tilgang på annen nitrogenkilde, for eksempel NH₃.

Nitrogenase blir raskt inaktivert av oksygen O_{2 ,} og derfor er nitrogenfiksering ikke mulig i nærvær av oksygen.

De ulike bakteriene som fikserer nitrogen har imidlertid utviklet egne strategier for å beskytte seg mot oksygen. For anaerobe bakterier som for eksempel Clostridium er dette ikke noe problem. Det er heller ikke noe problem for fotosyntetiske grønne bakterier og purpurbakterier. De lever også anaerobt og har en type fotosyntese som ikke produserer oksygen.

I tillegg til biologisk nitrogenfiksering kan luftas nitrogen bindes kunstig og industrielt slik det foregår når man produserer kunstgjødsel. Da kunstgjødsel kom på markedet for 100 år siden, revolusjonerte det jordbruket og dermed matproduksjonen på Jorda. Dessverre har det med tiden vist seg at bruk av kunstgjødsel skaper store problemer. Det er meget energikrevende å produsere, det er kostbart for mange bønder i fattige land, og det forurenser gjennom avrenning til elver og bekker.

I 1972 viste noen forskere at et var mulig å overføre genene for nitrogenfiksering, nif-genene fra bakterien Klebsiella til E.coli. Senere har disse genene blitt overført til flere andre arter. I alle år har det vært store forventninger om at man engang skulle klare å manipulere organismene genetisk slik at man fikk nitrogenfikserende bakterier til å etablere symbioser med viktige kornplanter og mais. Dette har man hittil ikke lyktes med, men med de nye metodene i molekylærbiologi er det nå satt i gang flere prosjekter for å forsøke å få til dette.

• nitrogen
• nitrogengjødsel
• kunstgjødsel
• fotosyntese