Stickstoff fixierende Organismen

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Grundlagen der Stickstofffixierung: Das Enzym Nitrogenase

Die Stickstofffixierung ist ein faszinierender biochemischer Prozess, bei dem atmosphärischer Stickstoff (\(N_2\)) in eine für Pflanzen nutzbare Form, nämlich Ammoniak (\(NH_3\)), umgewandelt wird. Dieser Prozess ist wesentlich für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen, da Stickstoff ein entscheidender Bestandteil von Aminosäuren, Proteinen und Nukleinsäuren ist.

Schematische Darstellung des Stickstoffkreislaufs in der Natur.1

Die Rolle von Nitrogenase

Im Zentrum der Stickstofffixierung steht das außergewöhnliche Enzym Nitrogenase. Dieses Enzym ist einzigartig, da es die starke Dreifachbindung des atmosphärischen Stickstoffs unter normalen Umgebungsbedingungen brechen kann. Nitrogenase besteht aus zwei Hauptkomponenten: der Dinitrogenase und der Dinitrogenase-Reduktase. Diese beiden arbeiten zusammen, um die Reduktion von \(N_2\) zu \(NH_3\) zu katalysieren.

Wichtige Komponenten von Nitrogenase

Die Eisen-Schwefel-Cluster in beiden Komponenten von Nitrogenase sind entscheidend für die enzymatische Aktivität. Diese Cluster übertragen notwendige Elektronen während der Stickstoffreduktion.

Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff

Ein kritischer Aspekt von Nitrogenase ist seine Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff. Sauerstoff kann die Eisen-Schwefel-Cluster in Nitrogenase oxidieren, was die Aktivität des Enzyms hemmt. Dies ist besonders relevant, da viele stickstofffixierende Organismen unter aeroben Bedingungen leben.

Verschiedene Typen stickstofffixierender Organismen

Stickstofffixierende Organismen findet man in zwei Hauptformen: freilebende und symbiotische Bakterien. Freilebende Bakterien, wie Azotobacter, können eigenständig Stickstoff fixieren, während symbiotische Bakterien, wie Rhizobien, eine Partnerschaft mit Pflanzenwurzeln eingehen, hauptsächlich mit der Familie der Leguminosen (Fabaceae).

Symbiose zwischen Rhizobien und Leguminosen

In dieser Symbiose bilden die Bakterien Knöllchen an den Wurzeln der Pflanzen, wo sie Stickstoff fixieren, der dann direkt den Pflanzen zur Verfügung gestellt wird. Diese Beziehung ist von gegenseitigem Nutzen: die Pflanzen erhalten essentiellen Stickstoff, während die Bakterien von den Kohlenhydraten profitieren, die durch die Photosynthese der Pflanzen produziert werden.

Ökologische Bedeutung der Symbiose

Die Symbiose zwischen Rhizobien und Leguminosen spielt eine zentrale Rolle im Stickstoffkreislauf. Sie trägt wesentlich zur Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenernährung bei, indem sie direkt verfügbaren Stickstoff bereitstellt.

Ökologische Bedeutung der Stickstofffixierung

Die Fähigkeit zur Stickstofffixierung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Ökosysteme. Sie ermöglicht Pflanzen das Wachstum in stickstoffarmen Böden und trägt zur Stabilität und Produktivität von Ökosystemen bei.

Das IMPP fragt besonders gerne nach der Funktionsweise und ökologischen Bedeutung von Stoffwechselprozessen wie der Stickstofffixierung, daher ist es wichtig, dass ihr die biochemischen und ökologischen Aspekte gründlich versteht.

Zusammenfassung

  • Stickstofffixierung: Ein biochemischer Prozess, bei dem atmosphärischer Stickstoff (\(N_2\)) in Ammoniak (\(NH_3\)) umgewandelt wird, was essentiell für das Wachstum von Pflanzen ist, da Stickstoff ein Hauptbestandteil von Aminosäuren und Proteinen ist.
  • Nitrogenase: Ein Schlüsselenzym in der Stickstofffixierung, das aus zwei Komponenten besteht, der Dinitrogenase und der Dinitrogenase-Reduktase, die zusammenwirken, um die starke Dreifachbindung von Stickstoff zu brechen und zu Ammoniak zu reduzieren.
  • Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff: Nitrogenase ist empfindlich gegenüber Sauerstoff, was seine Aktivität hemmen kann, da Sauerstoff die Eisen-Schwefel-Cluster des Enzyms oxidieren kann.
  • Stickstofffixierende Organismen: Es gibt freilebende und symbiotische Bakterien; letztere gehen eine Symbiose mit Leguminosen (Fabaceae) ein, was zu einer gegenseitigen Nutzenbeziehung führt, in der Pflanzen Stickstoff erhalten und Bakterien Kohlenhydrate.
  • Ökologische Bedeutung der Symbiose: Die Symbiose zwischen Rhizobien und Leguminosen trägt erheblich zur Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenernährung bei, was die Produktivität und Stabilität von Ökosystemen fördert.

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Footnotes

  1. Credits Schematische Darstellung des Stickstoffkreislaufs in der Natur. Grafik: Cicle_del_nitrogen_ca.svg: Johann Dréo (User:Nojhan), traduction de Joanjoc daprès Image:Cycle azote fr.svg. derivative work: Burkhard (talk), Cicle del nitrogen de, CC BY-SA 3.0↩︎