Bacterias nitrificantes

La oxidación del amoníaco en la nitrificación autotrófica es un proceso complejo que requiere varias enzimas , así como oxígeno como reactivo. Las enzimas clave necesarias para liberar energía durante la oxidación del amoníaco a nitrito son la amoníaco monooxigenasa (AMO) y la hidroxilamina oxidorreductasa (HAO). La primera es una proteína de cobre transmembrana que cataliza la oxidación del amoníaco a hidroxilamina ( 1.1 ) tomando dos electrones directamente del conjunto de quinonas. Esta reacción requiere _O₂ .

El segundo paso de este proceso ha sido cuestionado recientemente. ^{[ 7 ]} Durante las últimas décadas, la visión común era que una HAO de tipo c multihemo trimérica convierte la hidroxilamina en nitrito en el periplasma con la producción de cuatro electrones ( 1.2 ). El flujo de cuatro electrones se canaliza a través del citocromo c _{554 hacia un citocromo c 552} unido a la membrana . Dos de los electrones se redirigen de vuelta a la AMO, donde se utilizan para la oxidación del amoníaco (reservorio de quinol). Los dos electrones restantes se utilizan para generar una fuerza protón-motriz y reducir el NAD(P) mediante transporte inverso de electrones. ^{[ 8 ]}

Sin embargo, resultados recientes muestran que la HAO no produce nitrito como producto directo de la catálisis. En cambio, esta enzima produce óxido nítrico y tres electrones. El óxido nítrico puede ser oxidado posteriormente por otras enzimas (o por oxígeno) a nitrito. En este paradigma, es necesario reconsiderar el balance electrónico del metabolismo global. ^{[ 7 ]}

El nitrito producido en el primer paso de la nitrificación autotrófica se oxida a nitrato por la nitrito oxidorreductasa (NXR) ( 2 ). Es una proteína de hierro-azufre-molibdeno asociada a la membrana y forma parte de una cadena de transferencia de electrones que canaliza electrones del nitrito al oxígeno molecular. Los mecanismos enzimáticos involucrados en las bacterias oxidantes de nitrito están menos descritos que los de la oxidación del amonio. Investigaciones recientes (p. ej. Woźnica A. et al., 2013) ^{[ 9 ]} proponen un nuevo modelo hipotético de la cadena de transporte de electrones de las NOB y los mecanismos de la NXR. Aquí, a diferencia de los modelos anteriores, ^{[ 10 ]} la NXR actuaría en el exterior de la membrana plasmática y contribuiría directamente a un mecanismo de generación de gradiente de protones como postularon Spieck ^{[ 11 ]} y colaboradores. Sin embargo, el mecanismo molecular de la oxidación del nitrito sigue siendo una cuestión abierta.

La conversión en dos etapas de amoníaco a nitrato observada en bacterias oxidantes de amoníaco, arqueas oxidantes de amoníaco y bacterias oxidantes de nitrito (como Nitrobacter ) resulta desconcertante para los investigadores. ^{[ 12 ] [ 13 ]} La nitrificación completa, la conversión de amoníaco a nitrato en un solo paso conocido como comammox , tiene un rendimiento energético (∆G°′) de −349 kJ mol ⁻¹ NH ₃ , mientras que los rendimientos energéticos para las etapas de oxidación de amoníaco y oxidación de nitrito de la reacción en dos etapas observada son −275 kJ mol ⁻¹ NH ₃ , y −74 kJ mol ⁻¹ NO ₂ ⁻ , respectivamente. ^{[ 12 ]} Estos valores indican que sería energéticamente favorable para un organismo llevar a cabo la nitrificación completa de amoníaco a nitrato ( comammox ), en lugar de realizar solo uno de los dos pasos. La motivación evolutiva para una reacción de nitrificación desacoplada en dos pasos es un área de investigación en curso. En 2015, se descubrió que la especie Nitrospira inopinata posee todas las enzimas necesarias para llevar a cabo la nitrificación completa en un solo paso, lo que sugiere que esta reacción sí ocurre. ^{[ 12 ] [ 13 ]}