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


            N[2] – inertní, problém převést na sloučeninu

-         kyslíkaté – výboje

-         redukce na NH[3] – energeticky náročná


N[2] + 3H[2] -> 2NH[3]  DG^°' = 32,6 kJ.mol^-1


Technologicky – katalýza (pův. Os a U, dnes Fe^3+, 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

N[2] + 8H^+ + 8e^- -> 2NH[3] + H[2]

na každý elektron se spotřebují  2 ATP, tedy

16 ATP -> 16 ADP + 16 Pi

Celkově

N[2] + 4NADH+ H^+ + 16MgATP -> 2NH[3] + H[2] + 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 (a[2]b[2] heterotetramer s velkým redoxním centrem obsahujícím
Fe[4]S[3]a Fe[3]MoS[3] 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 N[2] 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 N[2].












Úloha Fe[4]S[4] při redukci dinitrogenasy
















Přenos elektronu mezi klastry











Vazba N[2] 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 N[2], dobrým měřítkem její aktivity je
redukce acetylenu:

HCCH + 2e^- + 2H^+ -> H[2]CCH[2]




Schema mechanismu redukce N[2]





Problém citlivosti ke kyslíku, produkce leghemoglobinu odčerpávajícího O[2] (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.)