VISIÓN GENERAL DEL CICLO DEL NITRÓGENO

El nitrógeno es un componente fundamental de los seres vivos, en los que aparece formando sobre todo parte de los grupos amino de las proteínas. El nitrógeno se mueve en la naturaleza en un ciclo de oxidorreducción en el que la mayor parte de las reacciones son desarrolladas por microorganismos, siendo pues clave su importancia.

1. Fijación del nitrógeno:

El nitrógeno gaseoso (N2) es el principal componente de la atmósfera terrestre, representando alrededor de un 78 % del total de los gases atmosféricos. La atmósfera es pues el principal reservorio de este elemento, debido a que el N2 es desde un punto de vista termodinámico la especie más estable del nitrógeno. El triple enlace que une ambos átomos de nitrógeno necesita de una gran energía para romperse, y sólo unos cuantos microorganismos pueden utilizarlo de forma directa recurriendo a una reacción química denominada de fijación del nitrógeno. La reacción química global es:

N2 + 8H+ + 8e- ' 2NH3 + H2

En este proceso se reduce pues el nitrógeno a amoníaco, y éste será empleado luego para elaborar compuestos orgánicos. Esta reacción es catalizada por el complejo enzimático de la nitrogenasa, compuesto por dos enzimas: Dinitrogenasa y dinitrogenasa reductasa. La dinitrogenasa reductasa se encarga de transferir electrones a la dinitrogenasa, que unida a un cofactor de hierro y molibdeno reduce luego al N2 mediante una serie de reacciones aún no conocidas. Para que esta reducción tenga lugar es necesaria la ausencia de O2, incluso en organismos aerobios, pues este gas inactiva la nitrogenasa. Otras bacterias fijadoras de nitrógeno pueden usar nitrogenasas alternativas en medios pobres en Mo.

2. Asimilación:

Una vez fijado el nitrógeno en forma de amoníaco, los microorganismos lo usan para elaborar por aminación directa aminoácidos primordiales, sobre todo glutamato y alanina, merced a las enzimas glutamato deshidrogenasa y alanina sintetasa. En condiciones de bajas concentraciones de NH3 entra en juego la glutamina sintetasa, que sintetiza glutamina y a partir de ésta glutamato. Es una enzima mucho más afín por el amoníaco que las dos antes nombradas, pero consume la energía de un ATP en su reacción. Ahora, a través de la cadena alimentaria el nitrógeno irá llegando a todos los seres vivos.

3. Amonificación:

El nitrógeno desempeñará ahora su función en los organismos dentro de las diversas moléculas orgánicas. Los diversos procesos catabólicos dentro de los seres vivos y la descomposición de biomasa llevada a cabo por diversos microorganismos irá descomponiendo estas moléculas hasta dejar de nuevo libre el nitrógeno en el medio en forma de amoníaco. Este proceso se conoce de forma general como amonificación.

Diversas reacciones corporales, mayormente la descomposición de aminoácidos y de bases nitrogenadas, producen la liberación de moléculas de amoníaco. Éste es un compuesto muy tóxico para la gran mayoría de los organismos, que o bien lo excretan directamente (animales amoniotélicos) o lo usan para sintetizar otros compuestos menos tóxicos, urea o ácido úrico sobre todo, que son los que más tarde serán excretados (animales ureotélicos y uricotélicos respectivamente).

El amoníaco libre en el medio puede ser usado por muchos microorganismos y plantas como fuente de nitrógeno. En medios alcalinos se puede liberar a la atmósfera en forma de amoníaco gaseoso. Y por último otra gran parte del amoníaco sufre un proceso de nitrificación. La nitrificación es un proceso en el que el amoníaco se oxida a iones

nitrato: NH4+ ' NO3-

Es una reacción que tiene lugar en dos pasos. La nitrificación es llevada a cabo por microorganismos aerobios quimiolitoautótrofos, que usan estos compuestos como dadores de electrones para a través de un complejo de citocromos bombear al espacio periplásmico protones, que usarán luego en la síntesis de ATP. La energía almacenada en ese ATP se utilizará luego para generar compuestos orgánicos a partir de CO2.

Hay un primer grupo de bacterias que oxidan el amoníaco a nitrito en una reacción catalizada por la enzima amoníaco monooxigenasa,

NH3 + O2 + 2H+ + 2e- ' NH2OH + H2O

Posteriormente la hidroxilamina oxidorreductasa oxida la hidroxilamina a nitrito,

NH2OH + H2O ' NO2- + 5H+

Otro grupo de bacterias se encarga ahora de oxidar los nitritos a nitratos usando la nitrito oxidorreductasa,

NO2- + H2O ' NO3- + 2H+

La cantidad de energía que obtienen estas bacterias a partir de estos procesos es bastante baja, de ahí que sean especies con crecimiento lento.

Desnitrificación:

Una gran cantidad de organismos pueden usar el nitrato producido por el proceso anteriormente descrito como fuente de nitrógeno. Muchas bacterias pueden usarlo también como aceptor de electrones en la respiración anaerobia de la materia orgánica y como fuente de oxígeno, en un proceso de reducción del nitrógeno que finaliza con la liberación a la atmósfera de N2 (o, menos comúnmente, de NO o N2O), proceso conocido como desnitrificación.

La enzima que inicia estas reacciones es la nitrato reductasa, una enzima de membrana que incluye Mo en su estructura y que se ve inhibida en presencia de O2. Esta enzima reduce el nitrato a nitrito. Luego el nitrito continúa un proceso de reducción que lo transforma en óxido nítrico (nitrito reductasa), óxido nitroso (óxido nítrico reductasa) y finalmente nitrógeno gas (óxido nitroso reductasa),

NO3- ' NO2- ' NO ' N2O ' N2

Otras bacterias autótrofas usan el mismo nitrato como fuente de energía, usando la acumulada en los enlaces N-O, pero sin aprovechar el oxígeno que se libera. La reacción en este caso es

2NO3- + 5H2 ' N2 + 4 H2O + 2OH-

Y así, con el retorno al nitrógeno gas, se cierra el ciclo del nitrógeno. Las verdaderas bacterias desnitrificantes realizan todo este proceso. Sin embargo muchas bacterias anaerobias facultativas (enterobacterias sobre todo) poseen únicamente la nitrato reductasa y sólo son capaces de realizar la reacción

NO3- + 2H+' NO2- + H2O

A partir de aquí usan el nitrito como aceptor de electrones, y así al reducirse y eliminar H2 del medio citoplasmático favorece una reacción fermentativa propia de estas bacterias que transforma acetilfosfato en acetato (o butirilfosfato en butirato), captando el Pi que se libera una molécula de ADP para transformarse en ATP.