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Nitrogen fixation

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.

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Presentation Transcript

  1. Nitrogen fixation

  2. 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 

  3. 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

  4. 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

  5. NODULINAS TEMPRANAS

  6. 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)

  7. ¿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

  8. To break the triple bond, energy input in necessary

  9. NITROGENASA Síntesis de nitrogenasa  Genes nif

  10. 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) • Heterotetramero de 220 kDa • Llamado MoFe-proteína • Cada molécula de enzima contiene cofactores Fe-Mo-S (clusters Fe4S4)

  11. Nitrogenasa MoFe-proteína - Fe-proteína N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi Rendimiento Neto: N2 + 6H+ + 6e- 2NH3

  12. Nitrogenasa MoFe-proteína - Fe-proteína N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi Rendimiento Neto: N2 + 6H+ + 6e- 2NH3

  13. The nitrogenase reaction Accumulation of electrons

  14. Complejo entre nitrogenasa reductasa y nitrogenasa Nitrogenasa reductasa

  15. 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)

  16. 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

  17. O2 Problem and Diversity • Aerobes: uses O2 • Cyanobacteria: O2-resistant heterocysts • Methanogens: extremely anoxic environments • Symbionts: co-produce O2-binding "leghemoglobin”

  18. 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

  19. 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

  20. . Controles regulatorios ADP inhibe la reacción NH4+ inhibe la expresión de genes nif)

  21. Nitrato reductasa • Los electrones son transferidos desde el NADH al nitrato

  22. 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

  23. Enzimas que contienen Mo Dos clases de molibdoenzimas Enzimas dependientes de Molibdopterina Nitrato reductasa Nitrogenasa Molibdopterina

  24. 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

  25. Nitrogen fixation

  26. En las plantas superiores, la nitrito reductasa se ubica en cloroplastos y la nitrato reductasa en citosol

  27. La Nitrogenasa es lenta • Solo 12 e- pares por segundo i.e., tres moleculas de N2 por segundo

  28. Ademas de Rhizobium • No-leguminosas –fijadoras de nitrógeno • Azolla • Anabaena • Alnus • Frankia

  29. The Fate of Ammonium Two 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

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