A Fixação Biológica do Nitrogênio

    O nitrogênio é um dos principais componentes das biomoléculas, fazendo parte da estrutura de ácidos nucléicos, aminoácidos, proteínas, etc, o que o torna, portanto, essencial à sobrevivência e crescimento dos organismos. Embora constitua quase 80% da atmosfera terrestre, o nitrogênio gasoso, N₂, é quimicamente inerte a temperaturas comuns, e, diferentemente de outros elementos que ocorrem na natureza, suas reservas minerais são relativamente raras. Apesar de termodinamicamente favorável, a reação de redução de nitrogênio atmosférico a amônia – fixação do nitrogênio – requer uma energia de ativação extremamente alta, não ocorrendo espontaneamente sem a presença de catalisadores adequados. Na indústria, por exemplo, o processo de fixação do nitrogênio desenvolvido por Haber-Bosch para a síntese de amônia emprega altas temperaturas (entre 300 e 500 °C) e pressões acima de 300 atm, sendo utilizados catalisadores a base de ferro ¹. A principal finalidade da amônia produzida é a fabricação de fertilizantes, e mais de 100 milhões de toneladas são anualmente usados na agricultura, uma demanda que implica grandes custos financeiros, energéticos e, sobretudo, ambientais ².
    Na natureza, somente um pequeno número de microrganismos, denominados diazotróficos ou fixadores de nitrogênio, é capaz de reduzir nitrogênio atmosférico a amônia. Esse processo é chamado de fixação biológica do nitrogênio (FBN) e realizado pelo complexo protéico da nitrogenase, a enzima que catalisa a reação ³. A participação da FBN no ciclo biogeoquímico do nitrogênio é sobretudo importante na medida em que a atividade das bactérias diazotróficas representa cerca de 60% do nitrogênio anualmente fixado na Terra ¹. Além disso, a FBN é o processo primário através do qual o nitrogênio, quimicamente indisponível para a maioria dos organismos, se torna fisiologica e metabolicamente disponível, inicialmente sob a forma de amônia e, posteriormente, na ciclagem do nitrogênio, outros compostos nitrogenados, como nitritos, nitratos e óxido nítrico ⁴.
    Evolutivamente, acredita-se que a FBN tenha se desenvolvido quando as reservas geoquímicas de nitrogênio fixado se tornaram escassas na biosfera. O esgotamento dos óxidos de nitrogênio (nitratos e nitritos) pelos organismos teria, provavelmente, limitado seu crescimento e ocasionado uma pressão seletiva que favoreceu o aparecimento da diazotrofia. A capacidade de fixar nitrogênio teria sido, portanto, um evento relativamente precoce na evolução dos procariontes e anterior ao surgimento da fotossíntese (e conseqüente aumento da concentração de oxigênio livre na atmosfera), uma vez que a nitrogenase é extremamente sensível à desnaturação por oxigênio ². Na verdade, acredita-se que a grande homologia compartilhada pelas diferentes nitrogenases indicaria sua origem ancestral comum e o fato de que a diazotrofia tenha sido uma característica importante e não rara entre os procariontes ⁵. Ao longo do tempo, essa propriedade foi sendo perdida, e se manteve apenas em alguns organismos, as atuais bactérias diazotróficas.

    A  Nitrogenase

    O complexo protéico da nitrogenase, a despeito da ampla variedade de bactérias diazotróficas existentes, se apresenta relativamente conservado em termos de estrutura e função. Basicamente, o sistema é formado por duas metaloproteínas: a ferro proteína (Fe-proteína ou dinitrogenase redutase) e a molibdênio-ferro proteína (MoFe proteína ou dinitrogenase), que catalisam, na presença de ATP, a redução de nitrogênio atmosférico a amônia. A Fe-proteína é o componente que se liga a ATP e atua como doador de elétrons, ao passo que a MoFe-proteína contém o sítio de redução de substrato ^{1, 6}. Existem, no entanto, sistemas alternativos homólogos ao da Fe/MoFe-proteína, em que o molibdênio é substituído por vanádio ou então uma única Fe-proteína está presente ⁷. Além disso, existe um quarto tipo de nitrogenase, recentemente caracterizado na bactéria termofílica Streptomyces thermoautotrophicus e cuja propriedade mais notável é a dependência de oxigênio e do radical superóxido - ambos nocivos para a maioria das nitrogenases - para a fixação altamente eficiente do nitrogênio ⁸.
    A redução do substrato pela nitrogenase envolve três diferentes tipos de reações de transferência de elétrons: (i) redução da Fe-proteína por transportadores de elétrons, como flavodoxina; (ii) transferência de elétrons da Fe-proteína para a MoFe-proteína, na presença de ATP; (iii) transferência de elétrons para o substrato, utilizados para reduzir N₂ e H⁺ a NH₃ e H₂, conforme a seguinte reação:

    Azospirillum

    O gênero Azospirillum compreende bactérias diazotróficas de vida livre amplamente encontradas em solos de clima tropical e subtropical, em associação com raízes de gramíneas de grande importância econômica, como arroz, milho, trigo e diversas forrageiras, além de outras espécies vegetais. Na verdade, a maioria dos estudos de campo têm evidenciado tanto a distribuição praticamente universal de Azospirillum como, também, seus vários efeitos benéficos sobre o crescimento vegetal, o que  torna essas bactérias altamente promissoras em termos de aplicações na agricultura.
 
    Referências

1 - KIM, J. & REES, D. C. (1994) Nitogenase and biological nitrogen fixation. Biochemistry 33: 389-397.
2- NEWTON, W. E. (2000) Nitrogen fixation in perspective. In: PEDROSA, F. O.; HUNGRIA, M.; YATES, M. G.; NEWTON, W. E. (eds.) Nitrogen Fixation: From Molecules To Crop Productivity. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.
3 - EADY, R. R. & POSTGATE, J. R. (1974) Nitrogenase. Nature 249: 805-810.
4 - FERGUSON, S. J. (1998) Nitrogen cycle enzymology. Curr. Opin. Chem. Biol. 2: 182-193.
5 - BURRIS, R. H. & ROBERTS, G. P. (1993) Biological nitrogen fixation. Annu. Rev. Nutr. 13: 317-335.
6 - BURRIS, R. H. (1991) Nitrogenases. J. Biol. Chem. 266: 9339-9342.
7 - EADY, R. R. (1996) Structure-function relationships of alternative nitrogenases. Chem. Rev. 96: 3013-3030.
8 - RIBBE, M.; GADKARI, D.; MEYER, O. (1997) N₂ fixation by Streptomyces thermoautotrophicus involves a molybdenum-dinitrogenase and a manganese-superoxide oxireductase thet couple N₂ reduction to the oxidation of superoxide produced from O₂ by a molybdenum-CO dehydrogenase. J. Biol. Chem. 272: 26627-26633.