L’azoto (N) è uno degli elementi cosiddetti essenziali e, per questo motivo, è un atomo che, nelle sue varie forme, risulta essere di fondamentale importanza per la vita della pianta. Tante biomolecole presentano uno o più atomi di azoto nella propria struttura, tra queste è opportuno ricordare gli aminoacidi che sono caratterizzati dalla presenza dell’azoto amminico. Una tra le tante particolarità dell’azoto è quella di esistere con diversi stadi di ossidazione dimostrando una versatilità nel contrarre legami con altri atomi.
| Molecola | Stato ox. |
| Azoto (N2) | 0 |
| Nitrato (NO3–) | +5 |
| Nitrito (NO2–) | +3 |
| Ammonio(NH4+) | -3 |
| Ammoniaca(NH3) | -3 |
Tabella: Stati di ossidazione dell’azoto
Una enorme quantità di azoto è presente nel pool atmosferico. Sappiamo che l’aria che respiriamo è formata da circa il 75% da questo elemento e questa percentuale rende l’idea dell’abbondanza dell’azoto in tutta la superficie terrestre. Nonostante questa copiosità risulta molto difficile, da parte degli organismi, utilizzare l’azoto atmosferico in modo diretto in quanto il triplo legame tra i due atomi è molto forte e stabile e per romperlo è necessario fornire una notevole energia.
L’azoto viene processato naturalmente ad opera dei fulmini che, liberando una gran quantità di energia, riescono a far combinare specie altrimenti inerti tra loro come l’idrogeno, l’ossigeno e l’azoto per formare acido nitrico (HNO3) che precipita al suolo con la pioggia concentrandosi nel terreno sotto forma di nitrato.
Illustrazione: Schematizzazione del ciclo dell’azoto
Alcuni microrganismi possono fissare l’azoto atmosferico in ammonio (NH4+) oppure processare l’ammoniaca del terreno in nitrati (NO3–) che, al loro volta, vengono processati da altri batteri a nitriti (NO2–) oppure eseguire la fissazione di azoto la cui origine è organica, come ad esempio quello presente nel gruppo amminico degli aminoacidi nel processo di umificazione batterica. La presenza di batteri è di primaria importanza per un corretto flusso di azoto da e verso le piante poiché grazie a loro è possibile “vincere” l’alta energia di attivazione richiesta per le reazioni che convertono l’azoto molecolare in molecole direttamente assimilabili dalla cellula vegetale. Esistono due grandi classi di batteri che operano la fissazione dell’azoto: i batteri simbionti ed i batteri non simbionti.
Fissazione simbionte dell’azoto: batteri e leguminose
I batteri simbionti instaurano con le radici di alcune piante leguminose (erba medica, trifoglio, fagioli, piselli ed altre) un rapporto di cooperazione attraverso il quale, batterio e pianta, ricevono rispettivamente energia ed azoto.
I batteri del genere Rhizobium sono un ottimo esempio per analizzare l’associazione simbiontica tra procarioti e leguminose in quanto i procarioti si spostano dal terreno dirigendosi verso le radici che, in questo modo, vengono colonizzate. Le colonie non si disperdono lungo la radice ma si concentrano in delle zone formando dei caratteristici noduli.
I rhizobi, una volta penetrati nella radice, si posizionano e si sviluppano attivando il metabolismo fissativo dell’azoto in ammonio e ricevendo dalla cellula ospite energia sotto forma di ATP. A questo punto è necessario porsi una domanda: abbiamo più volte detto che le radici necessitano di una sufficiente quantità di ossigeno per operare la respirazione e la conseguente sintesi di ATP ma sappiamo anche che l’enzima nitrogenasi, che è la molecola responsabile della nitrificazione, è inibita dall’ossigeno. La sintesi di ATP, che necessita di una buona concentrazione di ossigeno, paradossalmente va ad inibire l’attività della nitrogenasi e, se non esistessero particolari sistemi, la simbiosi sarebbe fortemente compromessa. Per rimediare a questo inconveniente esistono due efficienti meccanismi: la mancanza del fotosistema II, che attraverso la fotolisi dell’acqua libererebbe ossigeno, e la presenza di una particolare emoglobina chiamata leghemoglobina, che contribuisce a mantenere bassa la concentrazione di ossigeno. La leghemoglobina è molto simile all’emoglobina umana in quanto presenta una catena proteica con un gruppo prosteico di tipo eme ma ha la particolarità di essere molto più affine per l’ossigeno il quale è facilitato a legarsi ma viene difficilmente rilasciato. L’eme è sintetizzato dal batterio mentre la globina viene biosintetizzata dalla cellula eucariote vegetale.