A fixação de nitrogênio e a nitrogenase

O nitrogênio é um dos elementos mais essenciais aos organismos vivos. Ele é encontrado em muitos compostos fundamentais para vida, incluindo as proteínas, os ácidos nucléicos,as vitaminas e os hormônios. As plantas usam compostos contendo nitrogênio muito simples, especialmente NH₃, NH₄⁺ e NO₃^–, como materiais de partida a partir dos quais compostos complexos e biologicamente necessários são formados. Os animais são incapazes de sintetizar os compostos complexos e biologicamente necessários são formados. Os animais são incapazes de sintetizar os compostos complexos de nitrogênio de que necessitam a partir de substâncias simples usadas pelas plantas. Em vez disso, contam com precursores mais complicados presentes nos alimentos ricos em proteínas e vitaminas.
O nitrogênio é continuamente reciclado pela arena biológica de várias formas, como mostrado no ciclo de nitrogênio na Figura 1. Por exemplo, determinados microorganismos convertem o nitrogênio em dejetos animais e plantas mortas em nitrogênio molecular, N₂(g), que retorna à atmosfera. Para que a cadeia alimentar seja mantida, deve existir uma maneira de reincorporação desse N₂atmosférico em uma forma que as plantas possam utilizar. O processo de conversão de N₂ em compostos que as plantas podem utilizar é chamado fixação de nitrogênio. A fixação de nitrogênio é difícil, pois N₂ é uma molécula excepcionalmente não reativa, em grande parte devido a sua ligação tripla N≡N muito forte. Algum nitrogênio fixado resulta da ação dos relâmpagos na atmosfera, e outro tanto é produzido industrialmente. Entretanto, aproximadamente 60% do nitrogênio fixado é consequentemente da ação de uma enzima complexa e notável chamada nitrogenase. Essa enzima não está presente nos homens ou outros animais; mais propriamente, é encontrada em bactérias que vivem nos módulos das raízes de determinadas plantas, como leguminosas, trevo e alfafa.
A nitrogenase converte N₂ em NH₃, um processo que, na ausência de um catalisador, tem energia de ativação muito grande. Esse processo é uma redução do nitrogênio – durante a reação, seu estado de oxidação é reduzido de 0 em N₂ para -3 em NH₃. O mecanismo pelo qual a nitrogenase reduz N₂ não é totalmente entendido. Do mesmo modo que muitas enzimas, inclusive a catalase, o sítio de ativo da nitrogenase contém átomos de metais de transição; tais enzimas são chamadas metaloenzinas. Uma vez que os metais de transição podem variar o estado de oxidação rapidamente, as metaloenzimas são especialmente úteis para realizar transformações nas quais os substratos são oxidados ou reduzidos.

Figura 1: Figura simplificada do ciclo do nitrogênio. Os compostos de nitrogênio no solo são espécies solúveis em água, como NH₃, NO₂^– e NO₃^–, que podem ser do subsolo. Esses compostos de nitrogênio são convertidos em biomoléculas pelas plantas e são incorporados aos animais que as comem. Os dejetos dos animais e de plantas e animais mortos são atacados por determinadas bactérias que liberam N₂ para a atmosfera N₂ atmosférico é fixado no solo principalmente pela ação de determinadas plantas que contêm enzima nitrogenase, consequentemente completando o ciclo.
Sabe-se por aproximadamente 20 anos que uma parte da nitrogenase contém átomos de ferro e molibdênio. Acredita-se que essa parte, chamada co-fator FeMo sirva como sítio ativo ativo da enzima. O co-autor Fe-Mo da nitrogenase é um aglomerado (cluster) surpreendente de sete átomos de Fe e um átomo de Mo, todos unidos por átomos de enxofre (Figura 2). A pesquisa atual sobre a nitrogenase está explorando a possibilidade de que a molécula de N₂ possa entrar na ‘bolsa’ dentro do co-autor FeMo, no ponto onde começa a transformação do nitrogênio em amônia.
É um dos segredos da vida que bactérias simples possam conter complexos maravilhosos e enzimas de vital importância como a nitrogenase. Por causa dessa enzima, o nitrogênio é continuamente reciclado entre seu papel comparativamente inerte na atmosfera e seu papel crítico nos seres vivos; sem ele, a vida como conhecemos não existiria na Terra.

Figura 2: Representação do co-fator Fe-Mo da nitrogenase, como determinada por cristalografia de raios X. A nitrogenase é encontrada nos nódulos nas raízes de certas plantas, como nas raízes do trevo branco mostrado à esquerda. O co-fator, que se acredita ser o sítio ativo da enzima, contém sete átomos de Fe e um átomo de Mo, unidos pelos átomos de enxofre. As moléculas do lado de fora do co-autor ligam-se ao resto da proteína.
Extraído de: Química a ciência central – 9ª edição.