DICCIONARIO MÉDICO
Fijación del nitrógeno
La fijación del nitrógeno es un proceso mediante el cual el nitrógeno molecular (N2) de la atmósfera se transforma en compuestos nitrogenados (amoniaco, nitratos) que pueden ser incorporados por los seres vivos para la síntesis de aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos. El nitrógeno constituye cerca del 78 % del aire que respiramos, pero la molécula N2 resulta prácticamente inerte debido al triple enlace covalente que une sus dos átomos. Romper ese enlace exige una cantidad considerable de energía, y la inmensa mayoría de los organismos son incapaces de hacerlo por sí mismos. El término «fijación» (del latín fixus, «sujeto, estable») alude precisamente a la transformación de un gas que escapa a la bioquímica ordinaria en moléculas que los seres vivos pueden utilizar. Desde el punto de vista biomédico, la fijación del nitrógeno no es un proceso que ocurra en el organismo humano, pero su relevancia es difícil de exagerar: sin ella, la biosfera carecería del nitrógeno necesario para fabricar aminoácidos y bases nitrogenadas, los ladrillos de las proteínas y del ADN. La conversión de N2 en compuestos asimilables ocurre por tres vías principales. La fijación abiótica se produce durante las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), que aportan suficiente energía para combinar nitrógeno y oxígeno en óxidos de nitrógeno; estos se disuelven en el agua de lluvia y alcanzan el suelo como nitratos. Su contribución cuantitativa es modesta. En el polo opuesto se sitúa la fijación industrial. El proceso Haber-Bosch, desarrollado a principios del siglo XX por Fritz Haber y Carl Bosch, combina N2 e hidrógeno a alta presión y temperatura (150-300 atmósferas, 400-500 °C) en presencia de un catalizador de hierro para producir amoniaco. Ese amoniaco es la materia prima de la mayor parte de los fertilizantes nitrogenados que sostienen la agricultura moderna. Se estima que la mitad del nitrógeno presente en el cuerpo humano medio ha pasado alguna vez por una planta Haber-Bosch, dato que ilustra su escala. La tercera vía, y la que mayor interés tiene en biología, es la fijación biológica. Solo ciertos procariotas, denominados diazótrofos, poseen la maquinaria enzimática necesaria para reducir N2 a amoniaco (NH3) en condiciones ambientales. La enzima responsable de la fijación biológica es la nitrogenasa, un complejo formado por dos componentes: la dinitrogenasa (también llamada componente I o molibdoferroproteína), que contiene el cofactor FeMo donde se reduce el N2, y la reductasa de la nitrogenasa (componente II o ferroproteína), que transfiere electrones al componente I. La reacción global consume 16 moléculas de ATP por cada molécula de N2 reducida, lo cual la convierte en uno de los procesos metabólicos con mayor gasto energético que se conocen. Un rasgo notable de la nitrogenasa es su extrema sensibilidad al oxígeno. La exposición al O2 inactiva irreversiblemente el cofactor de hierro-molibdeno. Los diazótrofos han desarrollado estrategias muy distintas para proteger la enzima: las cianobacterias filamentosas segregan la fijación en células diferenciadas llamadas heterocistos, cuya pared gruesa limita la difusión de oxígeno; las bacterias simbióticas del género Rhizobium operan dentro de nódulos radiculares donde la leghemoglobina mantiene una presión parcial de O2 baja pero suficiente para la respiración aerobia. La asociación entre bacterias del género Rhizobium (y géneros próximos como Bradyrhizobium y Sinorhizobium) y las raíces de plantas leguminosas constituye el ejemplo más estudiado de fijación simbiótica. La planta exuda flavonoides que activan en la bacteria los genes nod, responsables de la síntesis de factores Nod. Estas señales moleculares desencadenan la formación de nódulos en la raíz, estructuras altamente vascularizadas donde la bacteria, transformada en bacteroide, fija nitrógeno a cambio de fotosintatos proporcionados por la planta. Fuera de las leguminosas, el actinomiceto Frankia forma nódulos con plantas actinorrizas (alisos, casuarinas), capaces de colonizar suelos pobres. Y entre los diazótrofos de vida libre, Azotobacter, Clostridium y diversas cianobacterias fijan nitrógeno sin necesidad de un hospedador vegetal. Indirecta pero profunda. El nitrógeno fijado entra en la cadena alimentaria a través de las plantas y acaba formando parte de las proteínas, los ácidos nucleicos y otras biomoléculas del organismo humano. Sin fijación del nitrógeno no habría aminoácidos ni, por tanto, vida tal como la conocemos. El triple enlace del N2 es uno de los más fuertes de la naturaleza (945 kJ/mol). Haber demostró en 1909 que podía romperse industrialmente, pero trasladar el proceso del laboratorio a la escala fabril exigió la ingeniería de Bosch. Ambos recibieron el Nobel de Química, en 1918 y 1931 respectivamente. La fijación del carbono incorpora CO2 atmosférico a moléculas orgánicas durante la fotosíntesis (ciclo de Calvin). La fijación del nitrógeno convierte N2 en amoniaco. Ambos procesos alimentan la biosfera con elementos indispensables, pero los llevan a cabo organismos y enzimas completamente distintos.Qué es la fijación del nitrógeno
Vías de fijación
El complejo nitrogenasa
La simbiosis Rhizobium-leguminosa
Preguntas frecuentes
¿Tiene relación con la medicina humana?
¿Por qué se descubrió tan tarde el proceso Haber-Bosch si el problema era conocido?
¿Qué diferencia hay entre fijación del nitrógeno y fijación del carbono?
Referencias
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Infografías realizadas con https://BioRender.com
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