Lämmastikusidumine

Lämmastikusidumine (ka lämmastiku sidumine, lämmastiku fikseerimine, lämmastiku seondamine) on keemiline protsess, mille tagajärjel atmosfääri suhteliselt inertne molekulaarne lämmastik (N₂) muundatakse redutseeritud (näiteks ammoniaak) või oksüdeeritud (näiteks nitraat) vormiks.

Inkubatsioonikambrid tsüanobakterite proovidega, et hinnata nende bakterite lämmastikku siduva ensüümi (nitrogenaas) aktiivsust. Pilt on tehtud Teravmägedes Sassendaleni piirkonnas

Lämmastikusidumine toimub looduses peamiselt mikroorganismide (näiteks tsüano- ja asotobakterid), UV-kiirguse ja välgu kaasabil. Bioloogilise dilämmastiku muundamise saadus on ammoniaak. Abioloogilisel teel tekivad lämmastikoksiidid. Õhu lämmastikku seotakse ka inimtegevuse tagajärjel (ammoniaagi tööstuslik tootmine Haberi-Boschi protsessi abil) ja tahtmatult mitmesuguste põlemisprotsesside (näiteks automootor) teel.

Lämmastikusidumine on vajalik elu kestmiseks. Kõik biosfääri bioloogilised organismid vajavad elutegevuseks lämmastikku, kuna väga paljud asendamatud biomolekulid sisaldavad seda oma koostises. Lämmastik on üks neljast tähtsamast keemilisest elemendist, millest koosnevad elus rakkude molekulid, st moodustub elu. Olgugi et suur osa atmosfäärist koosneb lämmastikumolekulidest, pole need oma väga tugevast kolmiksidemest põhjustatud keemilise inertsuse tõttu enamikule elusorganismidele kättesaadavad. Kuigi lämmastikoksiide tekib ka eluta looduse protsessides välguenergia ja UV-kiirguse abil, on bioloogiline lämmastikusidumine väga oluline protsess. Suurem osa biosfääris vajaminevast lämmastikust seotakse bioloogilisel teel.

Biokeemiline olemus

Tüüpiline lämmastikusidumise keemiline reaktsioon, mida viivad läbi mikroorganismid nitrogenaasi vahendusel, on järgmine:

N₂ + 6H + energia → 2NH₃

Tööstuslik lämmastikusidumine (Haberi-Boschi protsess) nõuab üsna kõrget temperatuuri ja rõhku, st eritingimusi, mille loomiseks kulub palju energiat. Bioloogilise lämmastikusidumise puhul teostab nitrogenaas sedavõrd efektiivselt katalüüsi, et reaktsioon toimub hariliku temperatuuri ja rõhuga mitmete vaheetappide kaupa, kasutades üksnes ATP-molekulide energiat. Ühe lämmastikumolekuli katalüüsireaktsiooniks kulub samuti rohkelt energiat: 16 ATP-molekuli, 16 veemolekuli, 8 elektroni ja 8 prootonit. Reaktsiooni saaduseks on 2 ammoniaagimolekuli, vesinikumolekul, 16 ATP-molekuli ja 16 fosfaatiooni. Teadaolevalt on kõikidel bioloogilistel lämmastikusidujatel samasuguse ehitusega ensüüm: nitrogenaas.

Nitrogenaasikompleks on tundlik hapnikumolekuli (O₂) inaktiveerivale mõjule. Näiteks kaunviljad, mille juurtes olevate mügarbakterite abil toimub lämmastiku sidumine, hoiavad oma juuremügarikes hapnikumolekulide väga väikest kontsentratsiooni, sidudes need leghemoglobiiniga (hemoglobiiniga sarnane hapnikku siduv valk).

Kirjandus

• Biokeemia lühikursus. Õpik kõrgkoolidele. John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert Stryer. Lk 506–508. 2016, TTÜ Kirjastus ISBN: 9789949239313

Välislingid

• [1] Ingliskeelne video "Nitrogenase - Nitrogen fixation Enzyme"