Nitrogenáza

Nitrogenáza je bakteriálny enzým, ktorý katalyzuje reakciu premeny plynného dusíka na amoniak. Skladá sa z dvoch častí: reduktázy dinitrogenázy, ktorá funguje ako zdroj elektrónov, a dinitrogenázy, ktorá využíva elektróny na redukciu plynného dusíka.

Dusík patrí medzi biogénne prvky a je dostupný v atmosfére v podobe plynného dusíka, N2. Táto forma však nie je jednoducho dostupná pre živé organizmy, nakoľko väzba N≡N je veľmi silná (väzbová energia 945 kJ mol-1). Nitrogenáza teda hrá ústrednú rolu v metabolizme živých organizmov, pretože vďaka tomuto enzýmu dochádza k fixácii dusíka, teda prevodu atómov dusíka z atmosféry do biosféry. Nitrogenáza tak predstavuje jeden z troch známych spôsobov fixácie dusíka, popri geochemických procesoch, ako sú blesky, a Haberovej-Boschovej syntéze.

Napriek dôležitosti nitrogenázy v prevode dusíka do podoby využiteľnej pre organizmy sa tento enzým nachádza u relatívne úzkeho okruhu baktérií a archeónov, ktoré sa označujú ako diazotrofy. Medzi tieto mikroorganizmy patria sinice alebo napr. rody Rhizobium a Azotobacter.

 Štruktúra 
Nitrogenáza je metaloproteín, ktorý sa skladá z dvoch častí: dinitrogenázy a reduktázy dinitrogenázy. Nitrogenáza baktérie Azotobacter vinelandii sa vyskytuje ako heterooktamér (αβγ2)2, pričom reduktáza dinitrogenázy tvorí homodimér γ2 a dinitrogenáza tvorí heterotetramér α2β2.

 Reduktáza dinitrogenázy 
Reduktáza dinitrogenázy, známa i ako Fe-proteín, tvorí homodimér. Každá podjednotka obsahuje jeden železo-sírový klaster [4Fe-4S] a jedno väzbové miesto pre ATP. Tento enzým prijíma elektróny od feredoxínu alebo flavodoxínu a odovzdáva ich dinitrogenáze.

 Dinitrogenáza 
vľavo|náhľad|Kofaktor FeMoco, ktorý vo svojej štruktúre obsahuje molybdén (tyrkysová guľa). Okrem molybdénu sa v jeho štruktúre nachádza atóm uhlíka (šedá guľa).
Dinitrogenáza, nazývaná i FeMo-proteín, tvorí heterotetramér zložený z dvoch podjednotiek, ktoré majú podobný fold a tvoria symetrický heterodimér. Tento heterodimér obsahuje dve redoxné centrá:

 dva [4Fe-3S] klastre, ktoré sú prepojené pomocou sulfidu,
 kofaktor FeMoco, železo-molybdénový kofaktor, ktorý sa skladá z [4Fe–3S] klastru a [1Mo–3Fe–3S] klastru, ktoré sú prepojené tromi sulfidmi. Tento klaster obsahuje molybdén, ktorý je viazaný tromi atómami síry, histidínom enzýmu a dvoma atómami kyslíka homocitrátu.

Dinitrogenáza preberá elektróny od Fe-proteínu a redukuje nimi dusík N2, ktorý je koordinovaný FeMoco, na amoniak NH3. Bočnou reakciou je redukcia protónov na vodík, H2.

 Ostatné nitrogenázy 
Okrem vyššie opísanej štruktúry existujú i nitrogenázy, ktoré vo svojej štruktúre viažu vanád (VFe nitrogenázy) alebo ďalšie železo (FeFe nitrogenázy). Tieto nitrogenázy využívajú organizmy v prípade neodstatku molybdénu či vanádu, avšak nie všetky mikroorganizmy sú schopné exprimovať všetky tieto varianty nitrogenázy.

 Funkcia a mechanizmus 
Nitrogenáza katalyzuje premenu plynného dusíka na amoniak. Využíva na to energiu uloženú v ATP, ktorý sa hydrolyzuje na ADP a anorganický fosfát, Pi. Na redukciu potrebuje zdroj elektrónov:

 N2 + 8 e- + 8 H+ + 16 ATP + 16 H2O → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

Presný mechanizmus, ktorým dochádza k tejto redukcii, nie je známy. Navrhnuté boli dva hypotetické mechanizmy. Počas prvého dochádza najprv k redukcii jedného z atómov dusíka na amoniak, jeho odštiepeniu a následnej redukcii druhého atómu. V druhom mechanizme dochádza k postupnej redukcii oboch atómov dusíka zároveň. Obidva mechanizmy boli podporené experimentálnymi i teoretickými štúdiami.
stred|náhľad|500x500bod|Navrhnuté mechanizmy, ktorými nitrogenáza redukuje dusík na amoniak. V hornom mechanizme dochádza najprv k úplnej redukcii jedného atómu dusíka na amoniak (zvyraznený zelenou) a až následnej redukcii druhého atómu dusíka (zvýraznený modrou). V spodnom mechanizme dochádza k postupnej redukcii oboch atómov dusíka zároveň.

 Význam 
Vďaka nitrogenáze dochádza k prevodu dusíka do biochemicky spracovateľnej podobe, čo uľahčuje rast organizmov. Dusík je totiž jedným z limitujúcich faktorov rastu organizmov. Spracovaný dusík následne vstupuje do kolobehu dusíka.

Nitrogenázu využívajú baktérie, ktoré sa nazývajú diazotrofy. Medzi tieto baktérie patria napríklad sinice a symbiotické baktérie, ktoré infikujú korene strukovín, napríklad fazule, hrachu, ďateliny a lucerny. Baktérie druhu Rhizobium spp. žijú v koreňových hľuzách strukovín a bôbovitých rastlín (Fabales spp.). Rastlina poskytuje baktérii živiny vo forme sacharidov a baktéria naopak poskytuje dusík v redukovanej forme (amoniak). Symbióza má vysoký hospodársky význam: dôsledkom je vysoký obsah bielkovín v strukovinách a bôbovitých rastlinách. Baktérie fixujúce dusík fixujú viac dusíka, ako dokáže hostiteľská rastlina spotrebovať, a zvyšok sa uvoľňuje z koreňových hľúz do pôdy, čím sa pôda obohacuje o biochemicky využiteľný dusík.

Reakcia, ktorú katalyzuje nitrogenáza, prebieha pri izbovej teplote a štandardnom tlaku. Oproti tomu Haberova-Boschova syntéza, ktorá predstavuje hlavný priemyselný zdroj amoniaku, prebieha pri vysokej teplote a vysokom tlaku (300-500 °C a >200 atm). I preto je nitrogenáza cieľom vedeckého skúmania, pretože by umožnila pomocou genetického inžinierstva vytvoriť rastliny, ktoré by mohli využívať plynný dusík. Vďaka tomu by sa nemuseli používať strukoviny na obohatenie pôdy alebo hnojivá. 

+Porovnanie prírodnej a umelej fixácie dusíka do biosféryNitrogenázaHaber-Boschova syntéza Katalyzátornitrogenázakovové železo vo vhodnej technologickej forme Reaktant s obsahom dusíkavzdušný dusík N2vzdušný dusík N2 Redukčné činidloNADHplynný vodík H2 Produktamoniak NH3amoniak NH3 Vedľajší produktplynný vodík H2— Tlakatmosférický tlak (1 atm)vysoký tlak (200 atm) Teplotaizbová teplota (20 °C)vysoká teplota (400 °C) Zdroj energieATPvysoká teplota a vysoký tlak Atmosférabezkyslíkatáredukčná (prítomný H2), bezkyslíkatá

 Referencie 

 Pozri aj 
 železo-sírový klaster
 železo-molybdénový kofaktor
 fixácia dusíka
 asimilácia dusíka
 kolobeh dusíka

Kategória:Oxidoreduktázy
Kategória:Dusíkový cyklus
Kategória:Enzýmy
Kategória:Metaloproteíny