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3 Urease – ein Schlüsselenzym im
Stickstoffkreislauf
Zwei Nickelatome, fixiert in einer Proteinmatrix, zerstören ca. die Hälfte
der Harnstoff-Weltproduktion, wenn sich Bodenbakterien über diesen
wichtigsten synthetischen Stickstoffdünger hermachen. Um etwas
dagegen zu tun, muss man die Regeln des Spiels kennen. Einige dieser
Regeln lernen Sie hier kennen, nämlich (1) die Chemie des Harnstoffs,
(2) die Chemie des Nickels und (3) die Charakteristika der
Enzymkatalyse. Speziellere Tricks ergeben sich aus der Struktur der
Urease und dem Katalysecyclus – beides wird in den
Forschungsprojekten berührt und später in Ihrem Studium vertieft.
3.1 Wissenswertes vorab
Pflanzen nutzen Stickstoff: Stickstoff ist als Baustein von Nukleinsäuren,
Aminosäuren, Peptiden und Proteinen ein essentielles Bioelement. Im
natürlichen Kreislauf zirkuliert ein Vorrat an reaktiven
Stickstoffverbindungen (Ammoniumsalze und Nitrat sowie Stickstoff in
organischen Verbindungen). Dieser wird durch zwei Prozesse ergänzt, durch
die der reaktionsträge Luftstickstoff in den Kreislauf eingeschleust wird. (1)
In Blitzen entstehen aus dem Stickstoff und dem Sauerstoff der Luft
Stickoxide, die mit Wasser und weiterem Sauerstoff zu Salpetersäure
reagieren, die mit dem Regen in den Boden kommt und dort neutralisiert
wird; das so eingetragene Nitrat kann von den Pflanzen genutzt werden. (2)
In Symbiose mit Schmetterlingsblütlern (Fabaceae) lebende Bodenbakterien
sowie einige Blaualgen assimilieren Luft zu Ammonium-Stickstoff.
Tiere scheiden Stickstoff-Verbindungen aus: Menschen und Tiere nehmen
Stickstoffverbindungen in Form von Proteinen mit der Nahrung auf. Der
Stickstoff-Stoffwechsel von Säugern endet mit der Ausscheidung von
Harnstoff (Harnsäure bei Vögeln, Insekten, Reptilien und terrestrischen
Schnecken, Ammoniak bei Fischen). Die düngende Wirkung von natürlichem
Harnstoff aus der Viehhaltung nutzt der Mensch seit der Sesshaftwerdung
zu Beginn der Jungsteinzeit vor ca. 10.000 Jahren. Tierische Harnstoffausscheidungen
werden dabei durch Destruenten wie Bakterien und Pilze
durch Ammonifizierung wieder abgebaut. Ein Beispiel ist die
ureasekatalysierte Hydrolyse des Harnstoffs durch Bodenbakterien.
Nitrifizierende Bakterien können einen Teil der Ammonium-Ionen in einem
zweistufigen aeroben Prozess unter Energiegewinnung über die Stufe des
Nitrits zu Nitrat oxidieren, welches von Pflanzen ebenfalls aufgenommen
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