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:

N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP  >=>  2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi

    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.