Die Denitrifikation von Nitrat erfolgt bei vollständiger Reaktion über die Zwischenstufen Nitrit - NO - N2O zu molekularem Stickstoff. Für jeden Schritt gibt es eine Reduktase. In fakultativ anaeroben Bakterien ist die Nitratreduktase ein Transmembranprotein, das mit einem Nitrat/Nitrit-Antiporter assoziiert ist. Das Reaktionsprodukt Nitrit wird in den periplasmatischen Raum abgegeben, wo die Enzyme für die nächsten beiden Reaktionsschritte lokalisiert sind (Nitrit und NO führen im Cytoplasma zu Vergiftungserscheinungen).
Bisher sind zwei Klassen dissimilatorischer Nitritreduktasen bekannt: Die Enzyme der Klasse I enthalten Kupfer als Kofaktor, bei Klasse II wird Häm benutzt. Bei der Ammonifizierung (andere Seite des Stickstoffkreislaufes) gibt es hexahämhaltige Nitritreduktasen. Die molekularen Strukturen von Klasse I und Klasse II - Enzymen konnte aufgeklärt werden.
Klasse II - Enzyme katalysieren sowohl die ein-Elektron-Reduktion von Nitrit zu NO
NO2- + 2 H+ + e- -> NO + H2O
als auch die vier-Elektronen-Reduktion von Sauerstoff zu Wasser
O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O
Wegen seines Hämgehaltes wird das Enzym auch als Cytochrom cd1 bezeichnet. Die Nitritreduktion ist in denitrifizierenden Bakterien etwa zehnmal effizienter und deswegen als der physiologisch relevante Vorgang anzusehen. Die kupferhaltigen Klasse I - Enzyme werden durch Sauerstoff in einer Wasserstoffperoxid liefernden Reaktion inaktiviert.
| NIR Klasse I | NIR Klasse II | |
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| Strukturdetails | Strukturdetails |
Das bei der Nitritreduktion gebildete NO wird von Stickstoffmonoxidreduktasen zu Distickstoffoxid reduziert
2 NO + NADH + 2 H+ -> N2O + NAD+ + H2O
An dieser Reaktion ist kein weiteres Protein beteiligt, die Elektronen werden direkt zwischen NAD und Häm als prosthetischer Gruppe ausgetauscht. Das Enzym aus dem denitrifizierenden Pilz Fusarium oxysporum konnte sowohl in der freien als in der mit Substrat besetzten Form kristallisiert werden.
| NOR F. oxysporum |
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| Strukturdetails |
Literatur: WG Zumft, Cell Biology and Molecular Basis of Denitrification. Microbiology and Molecular Biology Reviews 61 (1997) 533-616