Nitrogen fixation
Como se forman los nódulos
Flavonoides se liberan de las raíces
Se establece comunicación con bacterias
Activación de expresión de genes nod
Los factores nod se liberan de la bacteria e interaccionan con la raíz
GENES DEL PROCESO SIMBIÓTICO
GENES NOD DE RHIZOBIUM LOCALIZADOS DENTRO DE UN ADN CIRCULAR (PLÁSMIDO) CONOCIDO COMO SYM (PARA SIMBIOSIS)
nodD = su expresión es diferencialmente afectada por los exudados de la raíz lo cual activa a:
nodA, nodB y nodC = genes de nodulación comunes a todos los Rhizobium y a:
nodE, nodF, nodG, nodH = genes hospedero-específico
Como se forman los nódulos
Flavonoides se liberan de las raíces
Se establece comunicación con bacterias
Activación de expresión de genes nod
Los factores nod se liberan de la bacteria e interaccionan con la raíz
Activación de expresión de genes de nodulina
Infección de la raíz
Formación del bacterioide/crecimiento del nódulo
NODULINAS TEMPRANAS
GENES DE NODULINAS TEMPRANAS
INVOLUCRADOSEN LA INFECCIÓN DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA Y FORMACIÓN DEL PRIMORDIO DEL NÓDULO
Condiciones para la fijación de N
• Requiere nitrogenasa,
• Un reductor (ferredoxina reducida),
• ATP,
• Condiciones libres de oxígeno
•Controles regulatorios (ADP inhibe la reacción y el NH4
+ inhibe la expresión de genes nif)
¿Porque la nitrogenasa requiere de ATP?
• La barrera de activación para el rompimiento del triple enlace de la
molécula de N2 enorme, necesitandose de 16 ATP
To break the triple bond, energy input in To break the triple bond, energy input in necessarynecessary
Genes nif estructurales y reguladores
nif D y nif K MoFe-proteína
nif H Fe-proteína
nif F Ferredoxina
Otros genes nif involucrados en la inserción del cofactor FeMo y la activación y procesamiento del complejo enzimático
Síntesis de nitrogenasa Genes nif
NITROGENASA
Dos proteínas de diferente tamaño.
Un dímero (24-36 kD) llamada Fe-proteína por contener un cluster de 4 iones Fe unidos a 4 azufres (Fe4S4)
Nitrogenasa
Heterotetramero de 220 kDa
Llamado MoFe-proteína
• Cada molécula de enzima contiene cofactores Fe-Mo-S (clusters Fe4S4)
MoFe-proteína - Fe-proteína
Rendimiento Neto: N2 + 6H+ + 6e- 2NH3
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
Nitrogenasa
MoFe-proteína - Fe-proteína
Rendimiento Neto: N2 + 6H+ + 6e- 2NH3
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
Nitrogenasa
The nitrogenase reactionThe nitrogenase reaction
Accumulation
of electrons
Nitrogenasa Nitrogenasa reductasareductasa
Complejo entre Complejo entre nitrogenasa reductasa y nitrogenasa reductasa y nitrogenasanitrogenasa
Condiciones para la fijación de N
• Requiere nitrogenasa,
• Un reductor (ferredoxina reducida),
• ATP,
• Condiciones libres de oxígeno
•Controles regulatorios (ADP inhibe la reacción y el NH4
+ inhibe la expresión de genes nif)
La nitrogenasa es muy sensible al O2
La Fe-proteína como la MoFe-Proteína son rápidamente inactivadas por el oxígeno reduciendo su vida media de la Fe-proteína de 30 – 45 segundos y la MoFe-Proteína de 10 minutos
Sin embargo el elevado requerimiento de ATP que son producidas vía respiración celular la cual solo opera eficientemente si el Oxígeno esta presente
Ello plantea un conflicto por la sensibilidad de la nitrogenasa al O2
O2 Problem and Diversity
• Aerobes: uses O2
• Cyanobacteria: O2-resistant heterocysts
• Methanogens: extremely anoxic environments
• Symbionts: co-produce O2-binding "leghemoglobin”
Hay especies de Bacterias de vida libre han retenido un estilo de vida anaeróbicas y fijan N2 en estas condiciones por lo que la producción de ATP y reductores es marcadamente menos eficiente
Las cianobacterias presentan estructuras denominadas heterocistos donde aislan el aparato metabólico de fijación de Nitrógeno y por medio de paredes celulares multicapas restringen la difusión de oxígeno y compartamentalizan la generación de ATP al interior del heterocisto.
En los nódulos de leguminosas el aporte de oxígeno es regulado en gran medida por una proteína que enlaza el oxígeno (Leghemoglobina) sintetizada por la planta hospedera. La leghemoglobina controla la liberación de O2 en la región del bacteroide
•El componente heme de la leghemoglobina es suministrado por el bacteroide
GENES DE NODULINAS TARDÍAS
INICIO DE FIJACIÓN DE NITRÓGENO Y MANTENIMIENTO Y FUNCIONAMIENTO DEL NÓDULO.
LEGHEMOGLOBINA EJEMPLO DE NODULINA TARDÍA
. . Controles regulatorios
ADP inhibe la reacción
NH4+ inhibe la
expresión de genes nif)
• Nitrato reductasa
• Los electrones son transferidos desde el NADH al nitrato
• Nitrato reductasa
• Los electrones son transferidos desde el NADH al nitrato
• Los complejos Mo-proteína se requieren tanto para la actividad reductasa como para el ensamblaje de las unidades de la enzima (nitrato reductasa) al dímero activo
Enzimas que contienen MoEnzimas que contienen Mo
Molibdopterina
Dos clases de molibdoenzimas
Enzimas dependientes de Molibdopterina
Nitrato reductasa
Nitrogenasa
Nitrito Reductasa• La luz regula la reducción de ferredexina y
flujo electrónico hacia 4Fe-4S y siroheme y de ahí hacía el nitrito
•El nitrito es reducido a amonio
Nitrogen fixation
•En las plantas superiores, la nitrito reductasa se ubica en cloroplastos y la nitrato reductasa en citosol
• La Nitrogenasa es lenta
•Solo 12 e- pares por segundo i.e., tres moleculas de N2 por segundo
No-leguminosas –fijadoras de nitrógeno
•Azolla
•Anabaena
•Alnus
•Frankia
Ademas de Rhizobium
The Fate of AmmoniumThe Fate of AmmoniumTwo major reactions in all cells
Glutamate dehydrogenase – reductive amination of alpha-ketoglutarate to
form glutamate Glutamine synthetase
– ATP-dependent amidation of gamma-carboxyl of glutamate to glutamine
The glutamate dehydrogenase reactionThe glutamate dehydrogenase reaction
The glutamine synthetase reactionThe glutamine synthetase reaction
Ammonium AssimilationAmmonium AssimilationTwo principal pathways
Principal route: GDH/GS in organisms rich in N both steps assimilate N Secondary route: GS/GOGAT in organisms
confronting N limitation GOGAT is glutamate synthase or glutamate:oxo-
glutarate amino transferase
The glutamate dehydrogenase/glutamine The glutamate dehydrogenase/glutamine synthase pathwaysynthase pathway
One each
Two N fixing steps - one inefficient
The glutamate synthase reactionThe glutamate synthase reaction
The glutamine synthase/GOGAT pathwayThe glutamine synthase/GOGAT pathway
One NADPH
Two ATP
One N fixing step - inefficient but expensive