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{{Infobox Protein
| Name =
| Bild =
| Bild_legende = Links: Kalottenmodell der Nitrogenase von ''Azotobacter vinelandii'' (stabilisiert) nach {{PDB|1N2C}}. Fremdmoleküle und Elektronenfluss hervorgehoben. Rechts: Detail mit Fe-S- und Fe-S-Mo-Homocitrat-Cluster, das katalytische Zentrum.
| Symbol = nif
| AltSymbols = anf, vnf
|EC-Nummer= 1.18.6.1
|Kategorie= Oxidoreduktase
|Reaktionsart=
|Substrat= 8 Ferredoxinred. + 8 H+ + N2 + 16 ATP + 16 H2O
|Produkte= 8 Ferredoxinox. + H2 + 2 NH3 + 16 ADP + 16 Phosphat
| Homolog_fam =
| Taxon = Bakterien, Archaeen
| Taxon_Ausnahme =
| Orthologe =
}}

'''Nitrogenase''' ist ein [[Enzym]]komplex, der in der Lage ist, elementaren, molekularen [[Stickstoff]] (N2) zu [[Reduktion (Chemie)|reduzieren]] und damit in eine biologisch verfügbare Form umzuwandeln. Diesen Vorgang bezeichnet man als ''[[Stickstofffixierung]]''. Nitrogenasen sind bei verschiedenen [[Bakterien]] und einigen [[Archaeen]] vorhanden. Stickstofffixierende [[Actinomycetales|Aktinomyceten]] sind ebenso bekannt wie [[Cyanobakterien]] (zum Beispiel [[Anabaena]]) und [[Proteobakterien]] (zum Beispiel ''[[Azotobacter]]'').

== Struktur und Eigenschaften ==
[[Datei:FeMoco cluster.svg|mini|200px|FeMoCo: Eisen-Molybdän-Cofaktor in der Nitrogenase.<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Thomas Spatzal, Müge Aksoyoglu, Limei Zhang, Susana L. A. Andrade, Erik Schleicher, Stefan Weber, Douglas C. Rees, Oliver Einsle |Titel=Evidence for Interstitial Carbon in Nitrogenase FeMo Cofactor |Sammelwerk=Science |Band=334 |Nummer=6058 |Datum=2011-11-18 |ISSN=0036-8075 |DOI=10.1126/science.1214025 |Seiten=940–940 |Online=https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1214025 |Abruf=2023-12-20}}</ref>]]
Der Enzymkomplex besteht aus zwei enzymatisch aktiven Proteinen, der ''Dinitrogenase'' (Hetero[[tetramer]] α2β2) und der ''Dinitrogenase-Reduktase'' (Homo[[dimer]]). Die Reaktion findet in der Dinitrogenase statt, die Reduktase überträgt die Elektronen, die sie von [[Ferredoxine|Ferredoxin]] erhält, mittels eines <nowiki>[4Fe-4S]</nowiki>-[[Eisen-Schwefel-Cluster]]s. Das [[Aktives Zentrum|aktive Zentrum]] der Dinitrogenase besteht aus einem weiteren <nowiki>[8Fe-7S]</nowiki>-Eisen-Schwefel-Cluster, sowie dem Eisen-Schwefel-Molybdän-Cofaktor (FeMoCo)<ref name=":0" />. Lange Zeit war die Identität des zentralen Atoms des FeMoCo-Faktors unklar. Sowohl ein Kohlenstoff-, ein Sauerstoff- als auch ein Stickstoffatom waren plausible Kandidaten. [[Thomas Spatzal]], [[Douglas C. Rees]] und Oliver Einsle zeigten mittels hochauflösende [[Röntgenstrukturanalyse|Röntgenstrukturanalysen]] in Kombination mit [[Elektronenspinresonanz|EPR-Spektroskopie]] eindeutig, dass das Zentralatom in Zentrum des FeMoCo ein Kohlenstoffatom ist<ref name=":0" /><ref>{{Literatur |Autor=Oliver Einsle, F. Akif Tezcan, Susana L. A. Andrade, Benedikt Schmid, Mika Yoshida, James B. Howard, Douglas C. Rees |Titel=Nitrogenase MoFe-Protein at 1.16 Å Resolution: A Central Ligand in the FeMo-Cofactor |Sammelwerk=Science |Band=297 |Nummer=5587 |Datum=2002-09-06 |ISSN=0036-8075 |DOI=10.1126/science.1073877 |Seiten=1696–1700 |Online=https://www.science.org/doi/10.1126/science.1073877 |Abruf=2023-12-20}}</ref>. Dies wurde durch zwei weitere und unabhängige X-Ray-Emission-Spectroscopy-Untersuchungen 2011 bestätigt.<ref>T. Spatzal, M. Aksoyoglu, L. Zhang, S. L. A. Andrade, E. Schleicher, S. Weber, D. C. Rees, O. Einsle: ''Evidence for Interstitial Carbon in Nitrogenase FeMo Cofactor.'' In: ''Science.'' 334, 6058, S. 940, [[doi:10.1126/science.1206445]].</ref><ref>K. M. Lancaster, M. Roemelt, P. Ettenhuber, Y. Hu, M. W. Ribbe, F. Neese, U. Bergmann, S. DeBeer: ''X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor.'' In: ''Science.'' 334, 2011, S. 974–977, [[doi:10.1126/science.1206445]].</ref> Durch neuere Computersimulationen wurde zudem 2017 die Festigkeit des zentralen Kohlenstoffs bestimmt.<ref>J. Grunenberg: ''Der interstitiell gebundene Kohlenstoff der Nitrogenase ist deutlich stabiler als bisher angenommen.'' In: ''Angewandte Chemie.'' 2017, 129, S. 7394–7397, [[doi:10.1002/ange.201701790]].</ref> Einige Bakterien sind in der Lage, bei Molybdänmangel alternative Cofaktoren herzustellen, die statt Molybdän [[Vanadium]] oder nur Eisen enthalten.<ref>{{PROSITE|PDOC00085||2011-09-20}}</ref><ref>{{PROSITE|PDOC00580||2011-09-20}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=R. N. Pau, M. E. Eldridge, D. J. Lowe, L. A. Mitchenall, R. R. Eady |Titel=Molybdenum-independent nitrogenases of Azotobacter vinelandii: a functional species of alternative nitrogenase-3 isolated from a molybdenum-tolerant strain contains an iron-molybdenum cofactor |Sammelwerk=Biochemical Journal |Band=293 |Nummer=1 |Datum=1993-07 |ISSN=0264-6021 |DOI=10.1042/bj2930101 |PMC=1134325 |PMID=8392330 |Seiten=101–107}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Alexander N. Glazer, Katerina J. Kechris |Titel=Conserved Amino Acid Sequence Features in the α Subunits of MoFe, VFe, and FeFe Nitrogenases |Sammelwerk=PLoS ONE |Band=4 |Nummer=7 |Datum=2009-07 |ISSN=1932-6203 |DOI=10.1371/journal.pone.0006136 |PMC=2700964 |PMID=19578539 |Seiten=e6136}}</ref> Diese Strukturen sind im Vergleich zu FeMoco jedoch deutlich instabiler.<ref>Heldt, Piechulla: Pflanzenbiochemie, Springer, 2017, ISBN 978-3-662-44397-2, S. 300</ref> Die Nitrogenase der meisten Bakterien ist wie alle Enzyme mit Eisen-Schwefel-Clustern extrem sauerstoffempfindlich. Um das Enzym gegen Sauerstoff zu schützen, haben Bakterien verschiedene Anpassungen entwickelt, etwa dicke Schleimkapseln oder besonders dickwandige Zellen. Bakterien, die oxygene Photosynthese betreiben, trennen stickstofffixierende Zellen ([[Heterozyste]]n) räumlich von Sauerstoff freisetzenden Zellen oder sie assimilieren Stickstoff nur nachts, wenn die Lichtreaktion der Photosynthese ruht. Einige Bakterien können Stickstoff nur in Symbiose fixieren, zum Beispiel [[Rhizobien]] (Knöllchenbakterien), die mit Pflanzen (oft [[Leguminosen]]) zusammenleben. Da die Pflanzen selbst nicht in der Lage sind, elementaren, molekularen Stickstoff zu fixieren, sind sie auf das Produkt der bakteriellen Nitrogenase angewiesen. Das gebildete Ammoniak ist Ausgangsstoff für die Bildung von [[Glutaminsäure]] und [[Glutamin]].

== Katalysierte Reaktion ==
Da N2 ein sehr stabiles und [[inert]]es [[Molekül]] ist (die [[Bindungsenergie]] beträgt 945 kJ/mol), wird eine große Menge an Energie benötigt, um die [[Dreifachbindung]] zwischen den beiden Stickstoff-[[Atom]]en zu spalten. Die hierfür benötigte Energie, liefert der Energieträger [[Adenosintriphosphat|ATP]]. Als Produkt dieser Reaktion entsteht [[Ammoniak]].

Die Summengleichung der durch Nitrogenase katalysierten Reaktion lautet:
:<math>\mathrm{ N_2 + 8\ H^+ + 8\ e^- + 16\ ATP + 16\ H_2O \longrightarrow 2\ NH_3 + H_2 + 16\ ADP + 16\ H_3PO_4}</math>

Die Aktivität der Nitrogenase ist nicht auf Stickstoff beschränkt, das Enzym reduziert auch andere Dreifachbindungen, zum Beispiel die von [[Ethin]], [[Cyanid]], [[Azide]]n oder [[Stickstoffoxide]]n. Unter natürlichen Bedingungen hat diese Eigenschaft vermutlich keine Bedeutung. Die Reduktion von Ethin zu Ethen wird jedoch genutzt, um Nitrogenase experimentell nachzuweisen.

== Regulation ==
Der gesamte Prozess der biologischen Stickstofffixierung ist relativ komplex und erfordert das Zusammenwirken mehrerer Enzyme, von denen die Nitrogenase das wichtigste ist. Die Gene dieser Enzyme unterliegen einer strengen Regulation. Ihre [[Transkription (Biologie)|Transkription]] wird zum Beispiel durch Sauerstoff und Stickstoffverbindungen wie [[Nitrat]] und einige [[Aminosäuren]] abgeschaltet. Die Abschaltung durch Stickstoffverbindungen ist vorteilhaft, weil die Nutzung von Stickstoff aus diesen Quellen wesentlich weniger Energie verbraucht.

Die Nitrogenase-Aktivität wird bei ''[[Klebsiella pneumoniae]]'' über das ''nifLA''-Operon auf transkriptionaler Ebene reguliert. Das Protein NifL ist dabei ein Sensor für O2, NifA ist unter anderem ein transkriptionaler Aktivator für das ''nifHDKY''-Operon, welches die strukturellen Elemente der Nitrogenase codiert. Ist das Bakterium Sauerstoff ausgesetzt, bilden NifL und NifA ein Heterodimer, NifA kann in Folge die Aktivatorfunktion nicht ausüben, Nitrogenase wird nicht exprimiert. Dieser Effekt ist sinnvoll, da Nitrogenase durch O2 inhibiert werden würde und eine Expression bei Anwesenheit von O2 reine Energieverschwendung wäre.<ref>[https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00271203 The use of cloned nif (Nitrogen fixation) DNA to investigate transcriptional regulation of nif expression in Klebsiella pneumoniae]</ref>
Die Expression der Gene ''nifL'' und ''nifA'' selbst wird von NtrC gestartet. Dieser Faktor signalisiert den Bedarf, Stickstoff zu fixieren.<ref>[https://www.nature.com/articles/301302a0 Positive control and autogenous regulation of the nifLA promoter in Klebsiella pneumoniae]</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Mikrobiologie]]
[[Kategorie:Oxidoreduktase]]
[[Kategorie:Proteinkomplex]]

Nitrogenase - Versionsgeschichte

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