Fissazione biologica dell’azoto

L’aria che respiriamo è per quasi quattro quinti azoto, eppure noi e quasi tutti gli esseri viventi non riusciamo a usarlo: l’azoto dell’aria è chiuso in una molecola fra le più stabili che esistano. Solo pochi batteri sanno spezzarla, in un processo che è alla base di tutta la vita: la fissazione biologica dell’azoto.

Vediamo perché l’azoto dell’aria è così difficile da usare, come certi batteri riescono a trasformarlo in una forma utile e perché questo processo sostiene l’intera biosfera.

Un elemento essenziale ma inaccessibile

L’azoto è un componente indispensabile della vita: entra nelle proteine, nel DNA e in moltissime molecole biologiche. E ce n’è in abbondanza, perché costituisce la maggior parte dell’aria. Eppure c’è un paradosso: questo azoto atmosferico è quasi del tutto inutilizzabile dagli esseri viventi. Piante, animali e quasi tutti gli organismi non riescono a prenderlo dall’aria, pur essendone circondati, e devono procurarselo in altre forme.

Il legame quasi indistruttibile

La ragione di questa inaccessibilità sta nella molecola dell’azoto atmosferico, formata da due atomi tenuti insieme da un triplo legame, uno dei legami più forti e stabili di tutta la chimica. Spezzarlo richiede una quantità enorme di energia, ed è per questo che l’azoto dell’aria è così inerte, restio a reagire. Per renderlo utilizzabile bisogna prima rompere quel triplo legame e combinare l’azoto con l’idrogeno, trasformandolo in ammoniaca, una forma con cui la vita sa lavorare.

N≡N  (aria, inerte)  +  idrogeno  →  2 NH₃  (ammoniaca, utilizzabile)

L’enzima che riesce nell’impresa

A compiere questa impresa nelle cellule è un enzima straordinario, la nitrogenasi, posseduto solo da alcuni batteri. La nitrogenasi riesce là dove quasi nessun altro arriva: spezza il triplo legame dell’azoto e lo riduce ad ammoniaca, in condizioni normali di temperatura. Per farlo si serve di un cuore metallico speciale, contenente ferro e molibdeno, su cui l’azoto viene afferrato e trasformato. È uno degli enzimi più affascinanti della natura, capace di una reazione che l’industria realizza solo con altissime temperature e pressioni.

Il prezzo in energia

Spezzare il triplo legame dell’azoto è così difficile che la nitrogenasi deve spendere una grande quantità di energia, sotto forma di molte molecole di ATP, la “moneta energetica” della cellula, per ogni molecola di azoto trasformata. È un investimento enorme, che i batteri possono permettersi solo perché il prodotto, l’azoto utilizzabile, è preziosissimo. Questo costo elevato spiega anche perché così pochi organismi compiano la fissazione: è un’impresa energeticamente impegnativa, riservata a chi possiede l’enzima adatto e l’energia per alimentarlo.

Una collaborazione preziosa

Molti dei batteri che fissano l’azoto vivono in simbiosi con le piante, in particolare con i legumi come fagioli, piselli e trifoglio. Questi batteri si insediano in piccole strutture sulle radici, dove trasformano l’azoto dell’aria in una forma che la pianta può usare; in cambio la pianta li nutre. È uno scambio vantaggioso per entrambi, ed è il motivo per cui i legumi arricchiscono naturalmente il terreno di azoto e si usano da sempre nella rotazione delle colture per renderlo più fertile, senza bisogno di concimi.

Il fondamento nascosto della vita

La fissazione dell’azoto è uno di quei processi invisibili da cui dipende tutto. Senza i batteri che la compiono, l’azoto resterebbe intrappolato nell’aria e non entrerebbe nelle proteine e nel DNA degli esseri viventi: la vita come la conosciamo non potrebbe esistere. Tutto l’azoto contenuto nel nostro corpo, in ultima analisi, è passato un tempo attraverso la nitrogenasi di qualche batterio. Nel Novecento l’umanità ha imparato a fissare l’azoto anche artificialmente, in grandi impianti, per produrre i fertilizzanti che nutrono buona parte della popolazione mondiale; ma la natura lo fa da miliardi di anni, in silenzio, con un enzima che resta uno dei capolavori della biochimica.

Natura e industria a confronto

È istruttivo confrontare il modo in cui la natura e l’uomo risolvono lo stesso problema. L’industria fissa l’azoto in grandi impianti che lavorano ad altissime temperature e pressioni, consumando enormi quantità di energia per spezzare il triplo legame: un processo potentissimo ma molto dispendioso, che oggi produce i fertilizzanti su cui si regge gran parte dell’agricoltura mondiale. La nitrogenasi dei batteri, invece, compie la stessa trasformazione a temperatura ambiente, senza alte pressioni, grazie al suo raffinato cuore metallico. Capire come l’enzima riesca a fare con tanta delicatezza ciò che l’industria ottiene solo con la forza bruta è uno degli obiettivi più ambiti della chimica: imitarlo permetterebbe di produrre fertilizzanti con un consumo di energia molto minore, con un beneficio enorme per l’ambiente. È un esempio splendido di come studiare i meccanismi della natura possa indicare la via a tecnologie più pulite ed efficienti.

Domande frequenti

Che cos’è la fissazione dell’azoto?

È la trasformazione dell’azoto dell’aria, chimicamente inerte, in una forma utilizzabile dagli esseri viventi, come l’ammoniaca. La fissazione biologica è compiuta solo da alcuni batteri, grazie a un enzima speciale chiamato nitrogenasi.

Perché l’azoto dell’aria non si può usare direttamente?

Perché i suoi due atomi sono tenuti insieme da un triplo legame, fra i più forti e stabili della chimica. Spezzarlo richiede moltissima energia, quindi l’azoto dell’aria è inerte e restio a reagire. Per usarlo bisogna prima romperlo e trasformarlo in ammoniaca.

Che cos’è la nitrogenasi?

È l’enzima, posseduto solo da alcuni batteri, che riesce a spezzare il triplo legame dell’azoto e a ridurlo ad ammoniaca a temperatura normale. Si serve di un cuore metallico di ferro e molibdeno e consuma molta energia. È uno degli enzimi più straordinari della natura.

Perché il processo costa tanta energia?

Perché spezzare il fortissimo triplo legame dell’azoto è molto difficile, e la nitrogenasi deve spendere molte molecole di ATP per ogni azoto trasformato. Questo costo elevato spiega anche perché così pochi organismi, solo quelli con l’enzima adatto, compiano la fissazione.

Cosa c’entrano i legumi?

Molti batteri che fissano l’azoto vivono in simbiosi con i legumi, insediandosi in piccole strutture sulle radici: trasformano l’azoto dell’aria in forma utile per la pianta, che in cambio li nutre. Per questo i legumi arricchiscono il terreno di azoto e si usano nella rotazione delle colture.