Azoto nell'ambiente

Molti composti biochimici presenti nelle cellule contengono azoto. Per esempio, l'azoto si trova nei nucleosidi fosfati e negli amminoacidi che formano le unità di base rispettivamente degli acidi nucleici e delle proteine. Più abbondanti nelle piante troviamo soltanto, l'ossigeno, l'idrogeno e il carbonio. L'azoto, comunque, è presente nella biosfera in diverse forme. L'atmosfera contiene grandi quantità di azoto molecolare (N2), circa il 78% del volume totale, che non è però direttamente disponibile agli organismi viventi. L'acquisizione di azoto dall'atmosfera richiede la rottura di un triplo legame covalente presente tra i due atomi di azoto per produrre ammoniaca (NH3) o nitrato (NO3-). Queste reazioni, conosciute meglio col nome di fissazione dell'azoto, possono avvenire per mezzo di processi sia naturali sia industriali. In condizioni di alta temperatura (circa 200°) ed elevata pressione (circa 200 atmosfere) e in presenza di un catalizzatore metallico (di solito il ferro) l'azoto molecolare si combina con 'idrogeno per formare ammoniaca. Questa reazione è chiamata processo di Haber-Bosch ed è il punto di partenza per la produzione di un gran numero di componenti per l'industria e per l'agricoltura. I processi, invece, naturali che fissano l'azoto sono: 1) i fulmini, che causano la formazione di radicali liberi ossidrilici, atomi liberi di idrogeno e atomi liberi di ossigeno, a partire dal vapor d'acqua nell'atmosfera, queste specie reattive attaccano l'azoto molecolare e formano acido nitrico (HNO3) che precipita al suolo con la pioggia; 2) le reazioni fotochimiche, che coinvolgono ossido nitrico gassoso (NO) e ozono (O3), che producono acido nitrico; 3) la fissazione biologica dell'azoto, la più importante, in cui batteri o alghe verdazzurre (cianobatteri) fissano l'azoto in ammonio. Comunque, l'azoto una volta fissato in ammonio o nitrato, entra in un ciclo biogeochimico e passa attraverso diverse forme organiche ed inorganiche prima di ritornare nella forma molecolare. Le piante, a differenza dell'ammonio che risulta essere tossico, possono accumulare elevate quantità di nitrato e possono traslocarlo da tessuto a tessuto senza effetti deleteri. Le radici delle piante assorbono attivamente il nitrato dalla soluzione del suolo tramite numerosi cotrasportatori nitrato-protone a bassa ed elevata affinità. Il primo passaggio dell'assimilazione del nitrato è la riduzione citosolica del nitrato in nitrito. L'enzima nitrato reduttasi catalizza questa reazione:
NO3- + NAD(P)H + H+ + 2e- → NO2- + NAD(P)+ + H2O
Il nitrito (NO2-) è uno ione altamente reattivo e potenzialmente tossico. Le cellule vegetali, per questo, lo trasportano immediatamente dal citosol nei cloroplasti, nelle foglie e nei plastidi, nelle radici. In questi organuli l'enzima nitrito reduttasi riduce il nitrito in ammonio secondo la seguente reazione:                     
NO2- + 6 Fdrid + 8 H+ + 6e- → NH4+ + 6 Fdoss + 2 H2O
dove Fd è la ferredossina ossidata e ridotta. A questo punto, le cellule vegetale evitano la tossicità dell'ammonio convertendo rapidamente l'ammonio generato dall'assimilazione del nitrato o dalla fotorespirazione in amminoacidi. La via principale per questa conversione coinvolge l'azione sequenziale della glutammina sintetasi e della glutammato sintasi. La glutammina sintetasi unisce l'ammonio con il glutammato per formare la glutammina:
Glutammato + NH4+ + ATP → glutammina + ADP + Pi
Le piante possiedono due classi di glutammina sintetasi, una nel citosol e l'altra nei plastidi delle radici o nei cloroplasti del germoglio. Elevate quantità di glutammina plastidiale stimola l'attività della glutammato sintasi, che trasferisce il gruppo ammidico della glutammina al 2-oxoglutarato, fornendo due molecole di glutammato. La reazione risulta la seguente:
Glutammina + 2-oxoglutarato + NADH + H+ → glutammato + NAD+
Una volta assimilato nella glutammina e nel glutammato l'azoto è incorporato in altri amminoacidi attraverso reazioni di transamminazione. Queste reazioni vengono portate a termine da enzimi conosciuti come amminotrasferasi. Un esempio è la spartato amminotrasferasi che catalizza la reazione:                 Glutammato + ossalacetato → aspartato + 2-oxoglutarato
in cui l'ammino gruppo del glutammato è trasferito sul gruppo carbossilico dell'aspartato. L'aspartato è un amminoacido essenziale nel metabolismo e in molte altre funzioni della piante.
Come abbiamo già detto, alcuni batteri possono convertire l'azoto atmosferico in ammonio. La maggior parte di questi procarioti azoto-fissatori vive libera nel suolo ma pochi di essi formano associazioni simbiotiche con le piante superiori. Tali simbiosi si trovano nei noduli che si formano nelle radici delle piante e che contengono i batteri azoto-fissatori. Il tipo più frequente di simbiosi si trova tra i membri della famiglia delle Leguminose e i battei del suolo del genere Rhizobium. La fissazione dell'azoto da parte di questi batteri richiede condizioni anaerobiche e, come quella industriale, produce ammoniaca a partire da azoto molecolare. La reazione generale è:
N2 + 8e- + 8 H+ + 16 ATP → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Questa reazione è catalizzata dal complesso enzimatico delle nitrogenasi. I procarioti simbiontici azoto-fissatori, quindi, liberano ammoniaca che, per evitare la tossicità, deve essere rapidamente convertita in forme organiche nei noduli radicali, prima di essere trasportata nel flusso attraverso lo xilema. In base alla composizione del succo xilematico possiamo suddividere le leguminose che fissano azoto in esportatrici di ammidi (principalmente gli amminoacidi asparagina e glutammina) o esportatrici di ureidi (le tre ureidi principali sono l'allantoina, acido allantoico e citrullina).