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Nitrogen fixation
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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
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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
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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
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NODULINAS TEMPRANAS
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GENES DE NODULINAS TEMPRANAS
INVOLUCRADOSEN LA INFECCIÓN DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA Y FORMACIÓN DEL PRIMORDIO DEL NÓDULO
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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)
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¿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
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To break the triple bond, energy input in To break the triple bond, energy input in necessarynecessary
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Genes nif estructurales y reguladores
nif D y nif K MoFe-proteína
nif H Fe-proteína
nif F Ferredoxina
Otros genes nif involucrados en la inserción del cofactor FeMo y la activación y procesamiento del complejo enzimático
Síntesis de nitrogenasa Genes nif
NITROGENASA
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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)
Nitrogenasa
Heterotetramero de 220 kDa
Llamado MoFe-proteína
• Cada molécula de enzima contiene cofactores Fe-Mo-S (clusters Fe4S4)
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MoFe-proteína - Fe-proteína
Rendimiento Neto: N2 + 6H+ + 6e- 2NH3
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
Nitrogenasa
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MoFe-proteína - Fe-proteína
Rendimiento Neto: N2 + 6H+ + 6e- 2NH3
N2 + 8H+ + 16MgATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
Nitrogenasa
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The nitrogenase reactionThe nitrogenase reaction
Accumulation
of electrons
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Nitrogenasa Nitrogenasa reductasareductasa
Complejo entre Complejo entre nitrogenasa reductasa y nitrogenasa reductasa y nitrogenasanitrogenasa
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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)
![Page 33: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/33.jpg)
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
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O2 Problem and Diversity
• Aerobes: uses O2
• Cyanobacteria: O2-resistant heterocysts
• Methanogens: extremely anoxic environments
• Symbionts: co-produce O2-binding "leghemoglobin”
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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
![Page 36: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/36.jpg)
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
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GENES DE NODULINAS TARDÍAS
INICIO DE FIJACIÓN DE NITRÓGENO Y MANTENIMIENTO Y FUNCIONAMIENTO DEL NÓDULO.
LEGHEMOGLOBINA EJEMPLO DE NODULINA TARDÍA
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. . Controles regulatorios
ADP inhibe la reacción
NH4+ inhibe la
expresión de genes nif)
![Page 39: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/39.jpg)
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• Nitrato reductasa
• Los electrones son transferidos desde el NADH al nitrato
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• 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
![Page 42: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/42.jpg)
Enzimas que contienen MoEnzimas que contienen Mo
Molibdopterina
Dos clases de molibdoenzimas
Enzimas dependientes de Molibdopterina
Nitrato reductasa
Nitrogenasa
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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
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Nitrogen fixation
![Page 45: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/45.jpg)
•En las plantas superiores, la nitrito reductasa se ubica en cloroplastos y la nitrato reductasa en citosol
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![Page 47: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/47.jpg)
• La Nitrogenasa es lenta
•Solo 12 e- pares por segundo i.e., tres moleculas de N2 por segundo
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![Page 49: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/49.jpg)
No-leguminosas –fijadoras de nitrógeno
•Azolla
•Anabaena
•Alnus
•Frankia
Ademas de Rhizobium
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The Fate of AmmoniumThe Fate of AmmoniumTwo 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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The glutamate dehydrogenase reactionThe glutamate dehydrogenase reaction
![Page 52: Nitrogen fixation Como se forman los nódulos Flavonoides se liberan de las raíces Se establece comunicación con bacterias Activación](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062315/5665b4351a28abb57c8ffdde/html5/thumbnails/52.jpg)
The glutamine synthetase reactionThe glutamine synthetase reaction
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Ammonium AssimilationAmmonium AssimilationTwo principal pathways
Principal route: GDH/GS in organisms rich in N both steps assimilate N Secondary route: GS/GOGAT in organisms
confronting N limitation GOGAT is glutamate synthase or glutamate:oxo-
glutarate amino transferase
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The glutamate dehydrogenase/glutamine The glutamate dehydrogenase/glutamine synthase pathwaysynthase pathway
One each
Two N fixing steps - one inefficient
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The glutamate synthase reactionThe glutamate synthase reaction
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The glutamine synthase/GOGAT pathwayThe glutamine synthase/GOGAT pathway
One NADPH
Two ATP
One N fixing step - inefficient but expensive