V naravi se nahaja 98 različnih kemijskih elementov, a le nekaj jih najdemo v večji količini. V Zemljini skorji je najpogostejši kisik, sledijo pa mu silicij, aluminij, železo in kalcij. Sestava organskih molekul je precej drugačna: na prvem mestu je namreč kisik, sledijo pa mu dušik, kisik, vodik in kalcij. Za nekatere dolgočasen zaradi nereaktivnosti, za druge izredno zanimiv zaradi najbolj raznovrstnih vlog (predvsem v živih organizmih) pa je dušik. Spoznaj ta kemijski element, ki igra pomembno vlogo na vseh področjih in ravneh življenja!
Pogost, a nedostopen kemijski element
Čeprav je dušik glavna sestavina atmosfere (predstavlja kar 78,1 odstotka atmosfere), je v taki obliki zaradi nereaktivnosti za večino organizmov nedostopen in neuporaben. Atmosferski dušik se lahko v druge dušikove spojine pretvori v nekaterih nebioloških procesih. Med nevihto zaradi strel iz dušika in kisika nastane dušikov oksid (NO). Iz dušika in vodika pa lahko v industrijskem procesu sintetiziramo amonijak. Ta postopek, imenovan tudi Haberjev proces, je v kmetijstvu povzročil pravo revolucijo. Čeprav je dušik eden glavnih elementov, ki sestavljajo žive organizme, so ga le nekatere bakterije in arheje sposobne fiksirati iz atmosfere. To so večinoma prosto živeči enocelični prokarionti (arheje). Obstajajo pa tudi tovrstni organizmi, ki živijo v sožitju z rastlinami (na primer proteobakterije s stročnicami) ali celo živalmi (na primer spirochaete s termiti).
Iz atmosfere v organizme
Večina organizmov torej ne more neposredno privzeti dušika iz atmosfere. Lahko asimilirajo dušik v obliki amonijaka. Bakterije v prsti v reakciji nitrifikacije oksidirajo amonijak v nitrite in nitrate. Te lahko uporabijo tudi rastline in drugi mikroorganizmi. Nekatere bakterije lahko nitrate uporabijo za vzpostavljanje protonskega gradienta pri sintezi ATP, pri čemer poteče reakcija denitrifikacije. Nekaj vrst nenavadnih bakterij pa lahko pretvori amonijak in nitrite nazaj v molekularni dušik, kakršnega najdemo v atmosferi. Imenujejo se »anammox« bakterije (iz angleščine: ANaerobic AMMonium OXidation).
Preberi tudi: Kaj je encim AMPK? Igra ključno vlogo v uravnavanju energetskega ravnovesja
Fiksacija dušika je ključna za razvoj človeštva
Človek seveda ni zmožen biološke fiksacije dušika. Je pa razumevanje postopka za človeštvo izrednega pomena. Industrijska sinteza amonijaka s pomočjo Haberjevega procesa je namreč najpomembnejši kemijski postopek za kmetijstvo in celo za človeštvo nasploh. Z njim letno pridobimo preko 100 milijonov ton gnojila, kar posledično omogoča življenje preko ene tretjine ljudi na Zemlji. Poglej si, kako amonijak pridobivamo v industrijskem procesu:
Žal industrijski postopek zahteva visoko temperaturo in tlak, kar pomeni, da z njim porabimo veliko neobnovljive energije (kar en do dva odstotka vse letne porabe energije). Za razliko od industrijskega procesa poteka biološka fiksacija dušika v veliko bolj milih pogojih kot dobrih sto let star Haberjev proces. S posnemanjem naravne fiksacije dušika bi tako lahko prihranili ogromno energije. Na kakšen način bi to izvedli, ostaja izziv.
V DNK, hormonih in celo pigmentih
Dušik je med najpomembnejšimi elementi v živih organizmih. Ker je sestavni del najrazličnejših bioloških molekul, ga najdemo tako pri slonu kot pri bakteriji. Je del peptidnega skeleta v proteinih, najdemo pa ga tudi v stranskih verigah nekaterih aminokislin (v histidinu, lizinu, argininu, triptofanu, asparaginu in glutaminu), ki gradijo proteine. Vsebujejo ga tudi baze v DNK (deoksiribonukleinski kislini) in RNK (ribonukleinski kislini). Sestavlja številne kofaktorje, kot so NAD, FAD in biotin. Nahaja se tudi v nekaterih hormonih, na primer v adrenalinu, v živčnih prenašalcih, kot je serotonin, mnogih pigmentih, na primer v klorofilu, ter v obrambnih molekulah, kot je amanitin. Lahko si predstavljaš, da življenja na Zemlji v taki obliki zagotovo ne bi bilo, če dušika ne bi našli v atmosferi.
Novinar
