Aposti3_Nutrição Mineral de Plantas

8/14/2019 Aposti3_Nutrio Mineral de Plantas

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UEM Nutrio Mineral de Plantas

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10.METABOLISMO DO NITROGNIO

10.1. Consideraes gerais

As formas mais comuns de nitrognio no solo so a ntrica e a amoniacal.Ambas resultam da ao de bactrias e fungos do solo, mineralizando as formasorgnicas, liberadas na decomposio de animais e vegetais mortos, comomostrado abaixo.

N orgnico NH4+ NO2 -NO3-

amonificao nitrificao

mineralizao

imobilizao

As principais fontes de nitrognio inorgnico absorvido pela plantassuperiores tambm a ntrica e a amoniacal. A maior parte do amnio pode serincorporado em compostos orgnicos nas razes, enquanto que o nitrato prontamente solvel no xilema e pode tambm ser armazenado nos vacolos dasrazes, da parte area e em rgos de armazenamento.

A acumulao do nitrato nos vacolos pode importante no balano ction-nion, para a osmorregulao, principalmente em espcies nitroflicas como aChenopodium album e Urtica dioica. Entretanto, para ser incorporado emestruturas orgnicas e desempenhar uma funo essencial na nutrio da planta,o nitrato deve ser reduzido a amnia. A importncia da reduo e assimilao donitrato na vida das plantas similar a reduo e assimilao do C02 nafotossntese.

10.2. Absoro do nitrognio

a. Absoro do nitrato

O sistema de absoro das razes, para satisfazer a demanda de nitrato naplanta, deve ser muito eficiente, e de fato . Evidncias recentes sugerem que aabsoro do nitrato est acoplada a um fluxo eletrognico de prtons comomostrado na Figura 10.2.


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"POOL"METABLICO "POOL" DE

ARMAZENAMENTO

TRANSPORTE

[NO3- ]

REDUO

ATP

H+

[NO3-

]ADP+Pi

cit

RN2H+ [N03

-]vac

Figura 10.2 Diagrama esquemtico de absoro e de distribuio do nitrato nasclulas.

Como pode ser observado a H+-ATPase produz o gradiente eltrico e de pHpara possibilitar a entrada em simporte do nitrato com 2H+. Uma pequena parte donitrato fica no citoplasma (pool metablico), mas a maior parte transportadopara o vacolo (pool de armazenamento) e/ou exportado para outros locais naplanta, principalmente para as folhas.

Na verdade as plantas possuem dois sistemas distintos de absoro, comdiferentes afinidades para o nitrato; um ativo sob baixas concentraes (abaixo de1 mM) e outro sistema ativo sob altas concentraes (acima de 1mM) de nitrato.O sistema ativo em baixas concentraes possuem alta afinidade pelo substrato(nitrato) e exibe uma cintica de fluxo saturvel com KM entre 0,015 e 0,3 mM, eapresenta alta sensibilidade a inibidores metablicos. O segundo sistema citado,

caracteriza-se por ser constitutivo (pr-existente), passivo e de baixa afinidadepelo substrato.

b. Absoro de amnio

A absoro do on amnio, similar de ctions monovalentes como o K+por exemplo, parece ser um processo dependente de energia, mas a favor do seugradiente de potencial eletroqumico. Em milho, foi encontrado um efluxo de H+associado com a absoro de NH4

+, na estequiometria de 1:1.

10.3. Reduo e assimilao do nitrato

a. Locais de reduo e formas de transporte

As plantas precisam reduzir o nitrato para que o nitrognio possa serincorporado nos inmeros compostos orgnicos. Esta reduo pode ser feitaexclusivamente no sistema radicular, como acontece em certas plantas lenhosas


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a. Enzimas de reduo do nitrato

- Redutase do nitrato

A redutase do nitrato (RN) uma molibdenoflavoprotena constituda de

duas subunidades idnticas com peso molecular entre 100 a 110 kD que cataliza areduo do nitrato a nitrito:NO3

- + 2e- NO2-

Cada subunidade possui trs grupos prostticos que transferem os eltronsao NO3

- : FAD; Citocromo c (Fe2+/Fe3+ preso ao grupo heme do citocromo); Cofator molibdnio (MoCo: cofator Mo; Mo-pterina: Mo ligado a um grupo

heterocclico tipo pterina do cido flico) (Figura 10.3).

Figura 10.3 Representao esquemtica da seqncia da assimilao do nitratonas clulas da folhas.

Como pode ser observado a redutase do nitrato (RN) est presente apenasno citoplasma. O doador de eltrons para a enzima proveniente do NADPHproduzido no cloroplasto. Assim, a RN tem sua atividade induzida por nitrato e porluz e inibida por NH4

+ e por aminocidos.

- Redutase do nitrito

A redutase do nitrito (RNi) uma enzima cloroplastdica que catalisa a

reduo do nitrito a amnia:N02

- + 6 e-!!!! NH4+

A enzima possui um peso molecular entre 60 e 70 kD com dois centroredox: um centro siro-heme e um centro Fe-S (Figura 10.3). inibida por cianeto eC0 e requer ferredoxina como fornecedor de eltrons. Em tecidos no-verdes a


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ferredoxina reduzida pode ser provida pela ao da enzima redutase daferredoxina-NADP que catalisa a transferncia dos eltrons do NADPH para aferredoxina.

10.4. Assimilao da amnia

a. Enzimas de assimilao da amnia

O on amnio, pode ser oriundo; da absoro radicular, produzido pelareduo do nitrato, do catabolismo de aminocidos ou da fotorrespirao. Esse onprecisa ser rapidamente assimilado em compostos orgnicos em razo de suatoxicidade.

A assimilao de amnia ocorre em vria etapas, necessitando daparticipao de vrias enzimas. As duas principais rotas de assimilao so:

1) Rota GDH

Nesta rota, catalisada pela enzima desidrogenase do glutamato (GDH), oamnio, com gasto de uma molcula de NADH, incorporado ao cidooxoglutrico formando cido glutmico (Figura 10.4). Esta rota uma das primeirasa ser descoberta, parece ser importante apenas para o processo dedesintoxicao de amnio sob condies de estresse (hdrico, salino,temperatura, etc). Requer NADH ou NADPH quando catalisa reaes aminativas eNAD+ ou NADP+ em reaes desaminativas.

2) Rota GS/GOGAT

Na rota GS/GOGAT, sugerida na dcada de 70 com a descoberta dasenzimas sintetase da glutamina (GS) e sintetase do glutamato ou glutaminaoxoglutarato amino transferase (GOGAT) a assimilao do amnio ocorre emduas etapas. Numa primeira etapa a enzima GS catalisa a incorporao do onamnio numa molcula de glutamato, formando glutamina. Em seguida, a enzimaGOGAT catalisa a transferncia do grupo amino da glutamina para o oxoglutaratoformando-se duas molculas de glutamato. Uma das molculas de glutamato desviada para a sntese de outros aminocidos enquanto a outra retorna ao ciclopara ser receptora de novo on amnio (Figura 10.4).

Esta rota , hoje, considerada a principal rota de assimilao do amnioproduzido pela reduo do nitrato, principalmente em razo do KM da GS para oamnio ser mais baixo do que o da GDH.

A GS pode estar presente em cloroplastos, citossol e em ndulos, sobdiversas isoformas (GS1, GS2 GSn,s, etc). ativada por Mg

2+ e inativada por Mn2+.A GOGAT existe tanto em tecidos verdes como em razes, principalmente

dentro de organelas como em cloroplastos ou plastdios . Existe 3 isoformas destaenzima (Fd-GOGAT, NADH-GOGAT e NADPH-GOGAT). Existem ainda as formas


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NADH-GOGAT I e II em ndulos de plantas que fixam N2. A atividade destaenzima dependente de NH4

+ e de aspartato.

NADH

NO3-

NO2-

NH3

CIDOGLUTMICO

GLUTAMINA

RO TA GDH

CIDOOXOGLUTRICO

CIDOGLUTMICO

AMINOCIDOS

GDH (3)

NAD+

RO TA GS/GOGAT

GS (1)

CITOSSOL

CLOROPLASTOFdred.

Fdox.LUZ

REDUTASE

DO NITR ITO

REDUTASE

DO N ITRATO

GOGAT (2)

NADH

NAD+

CIDOS NUCLICOS

PROTENAS

OUTROS COMPOSTOSNITROGENADOS

(1) GS = Sintetase da Glutamina(2) GOGAT = Glutamina oxoglutarato

aminotransferase(3) GDH = Desidrogenase do cido

glutmico

Figura 10.4 Representao esquemtica da reduo/assimilao do nitrato emplantas superiores.

As principais classes de compostos orgnicos nitrogenados decorrentes dometabolismo dos ons, amnio, nitrato e N2, pode ser verificada abaixo:


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NO3-

NH4+

(N2)

AminocidosAmidasPeptdeosAminas

Uredeos

Protenas

cidos Nuclicos

Outros- Coenzimas,- Produtos secundrios- Constituinte demembranas


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11.FIXAO DO NITROGNIO

11.1. Consideraes geraisA fixao biolgica de N2, atualmente no globo terrestre, est na faixa de

139 a 170 x 106 t N por ano, enquanto que a aplicao de N como fertilizanteatinge uma faixa de 65 x 106 t por ano. A converso do N2 (gs inerte) emnitrognio combinado (NH3; N03

-), a qual pode ser utilizado como nutriente mineral feita pela reduo do N2 a amnia (NH3) ou pela oxidao do N2 a nitrato. Estaconverso tambm denominada de fixao, possui alto custo energtico. Nafixao industrial e na converso biolgica a reao N2! 2NH3 domina. Nafixao industrial, o N2 cataliticamente reduzido a NH3 pela reao com ohidrognio (produzido por ex. do gs natural) no processo Haber-Bosch (N2 + 3H2! 2NH

3) sob condies de alta temperatura e presso. O incremento tanto no

custo da energia fssil como o aumento na demanda global da utilizao dosfertilizantes nitrogenados para a produo de alimentos, a principal razo pelonovo interesse na fixao biolgica do N2, como uma alternativa ou no mnimo,como um complemento para o uso do fertilizante nitrogenado qumico.

11.2 Sistema de fixao do nitrognio biolgico

A capacidade de fixao biolgica do N2 atmosfrico restrito aosorganismos com estrutura de clula procariticas, chamada, bactrias e algasverde-azuis (cianobactrias). A fixao simbitica de significncia na agricultura feita por Eubactria, muitas das quais so heterotrficas, dependentes dosuprimento de carbono reduzido (Azospirilllum). Outros so autotrficos e capazesde reduzir o C02 ( ex. Anabaena). Um nmero de espcies do genero Frankia(Thallobacteria), Nostoc e Anabaena (Cianobacteria) e de Rhizobium(Protobactria) so de particular importncia devido sua capacidade simbitica.Baseada na taxa de crescimento, dois grupos distintos de rizbios existem; ognero de alto crescimento (Rhizobium) e o gnero de crescimento lento(Bradyrhizobium)..

No ecossistema terrestre, trs tipos importantes de estratgias de fixaode N2 podem ser diferenciadas; simbiticos, associativos e organismos fixadoresde nitrognio livre (Figura 11.2).

Em mdia, o sistema simbitico tem maior capacidade de fixao nosomente pelo suprimento de carboidratos obtidos da planta, mas tambm outrascondies so otimizadas para a fixao eficiente de N2. Neste sistema as plantasse beneficiam porque mais de 90% do nitrognio fixado transportado da bactriapara a planta. Leguminosas nodulada, tais como a alfafa e a soja em simbiosecom Rhizobium e Bradyrhizobium, respectivamente, esto entre os maisimportantes sistemas de fixao de nitrognio na agricultura.


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Sistema de fixaode N2

(N2! NH4+)

e microrganismosenvolvidos

Simbiose

(ex. rhizobium,Actinomicetos)

Associao

(ex. Azospirillum,Azotobacter)

Livres

( ex. Azotobacter,Klebsiella,

Rhodospirillum)Fonte de energia

(carbono orgnico)Sacarose e seusmetablicos (da

planta hospedeitra)

Exsudatosradiculares da

planta hospedeira

Heterotr:resduos de

Plantas

Autotrf:Fotossn-

teseEstimativa da

quantidade fixada(kg N h-1 ano-1)

Leguminosas:50-400

Nodulados no-leguminosas:20-300

10-200 1-2 10-80

Figura 11.2 Tipo, fonte de energia, e capacidade do sistema de fixao biolgicado N2 nos solos ( MASCHNER, 1997).

Alguns sistemas de fixao de nitrognio com alta especificidade bactria-hospedeiro no desenvolvem ndulos. O habitat destas bactria a superfcieradicular e espaos intercelulares das clulas do crtex. Nesta associao com arizosfera (Figura 11.2) a planta hospedeira fornece exsudatos radiculares comofonte de energia para a fixao de N2. Neste caso o benefcio para a planta nestetipo de fixao de N2 indireto, quando aproximadamente 90% do nitrogniofixado torna-se somente disponvel para a planta aps a morte da bactria.

As bactrias fixadoras de N2 livres no solo so em sua maioriaheterotrficas (ex. Azobacter), e possuem capacidade de fixao de N2 bastantelimitada pela limitao de substratos devido a uma inadequada disponibilidade deresduos orgnicos (Figura 11.2).

11.3 Bioqumica da fixao do nitrognio

A reduo biolgica do N2 a NH3 um processo endergnico, exigindo, aocontrrio do processo industrial, um baixo requerimento energtico. Em todos osmicrorganismos fixadores de N2, o passo mais importante desta reao omesmo e pode ser observado na Figura 11.3.

O complexo enzimtico chave, denominado Nitrogenase, nico paratodos os microrganismos fixadores de nitrognio, e encontrado, por exemplo, embactrias aerbicas e anaerbicas, em cianobactrias e em razes noduladas deleguminosas e no-leguminosas.


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Figura 11.3 Esquema ilustrando o suprimento de energia e as principais reaesdo sistema nitrogenase.

A nitrogenase consiste em duas protenas no-heme sensveis ao 02 . Amenor das duas denominada Protena Fe, consistindo de duas subunidades eum simples agrupamento de 4F e 4S. A maior, MoFe-protena, consiste de 4subunidades e contm 30 tomos de Fe e 2 de Mo.

Para a reao da nitrogenase, h necessidade de energia na forma de ATPe redutores equivalentes (eltrons) (Figura 11.3), provenientes da respirao(ATP) e transportadores de eltrons que normalmente a ferredoxina.

A nitrogenase catalisa a reduo de muitos substratos, incluindo o H+, N2, eC2H2. A principal reao para a reduo do dinitrognio (N2) a seguinte:

N2+ 8e-+ 16ATP2NH3+ H2+ 16ADP + 16 Pi

Apesar de estequiometricamente a reduo de um mol de N2 requerer 16mol de ATP, na verdade entre 25 a 30 mol de ATP so utilizados.

Como observado na Figura 11.3 durante a reduo do N2 h formao degs H

2, que no s um inibibor competitivo na fixao do nitrognio como

tambm representa um desperdcio de energia lquida no processo, a menos quea bactria possua outra enzima chamada de hidrogenase. Sob condies timaspara a fixao do N2, em mdia 25 % do total de fluxo de eltrons na nitrogenase alocado para a formao de H2. A funo da hidrogenase quebrar o H2 a 2H

+ +2 e- e reciclar estes eltrons produzindo mais ATP. Em leguminosas, a seleo deraas de rizbios que possuem alta atividade da hidrogenase considerado umfator importante no aumento da eficincia da fixao do N2

A nitrogenase extremamente sensvel ao O2. Para proteger a nitrogenaseda inativao irreversvel pelo oxignio in vivo, as bactria fixadoras de N2 temdesenvolvido algumas estratgias e mecanismos que incluem:

a) Controle da difuso de 02 atravs de barreiras mecnicas imposta poruma camada espessa de crtex envolvendo o local de fixao de N2;

b) Controle da difuso de 02, enzimaticamente pela leghemoglobina. Estaprotena funciona como um tampo de 02, ou seja, quando h excesso de 02 nosistema, ela absorve o excedente, liberando-o vagarosamente de maneira a no


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inativar a nitrogenase. Outras enzimas que desativam espcies de 02 txico e H202 a ascorbato peroxidase (estudada em funes dos elementos)

11.4 Processo de infeco da bactria

Tanto em leguminosas como no leguminosas, a simbiose caracterizadapela especificidade entre a bactria e o hospedeiro (planta). O Quadro 11.4fornece exemplos da preferncia do hospedeiro para o gnero Rhizobium eBradyrhizobium.

Quadro 11.4 Exemplos de preferncia pelo hospedeiro no gnero Rhizobium eBradyrhizobium*

Gnero/Espcie da Bactria Planta Hospedeira

Rhizobium leguminosarum

biovar viciae Vicia, Lens, Pisum sativumbiovar phaseoli Phaseolusbiovar trifoli Trifolium

Rhizobium meliloti Medicago sativa, MelilotusBradyrhizobium japonicum GlycineBradyrhizobium lupinus LupinusBradyrhizobium arachis Arachis

*Formalmente referido como rizbio de crescimento lento

Em solos que ainda no tenham sido colonizados por estirpes hospedeiras,

recomenda-se a prtica de inoculao das sementes no momento da semeadurade leguminosas como por exemplo a soja e a alfafa. A manipulao gentica deestirpes de rizbios e mesmo de gentipos de plantas mais adequados tem sidomuito pesquisado nestes ltimos anos, e tem contribudo para a efetividade dainfeco, nodulao e fixao do N2 nos sistemas biolgicos.

Os princpios do reconhecimento da planta hospedeira e infeco sumarizado na Figura 11.4 para rizbios que infectam os plos radiculares (ex. R.leguminosarumbiovar trifoliiem Trifoliumspp.).

a) O primeiro passo da infeco na planta pelo microsimbionte requer oreconhecimento do hospedeiro;

b) Flavonides (lutena) so liberados pelas razes e induzem a expressode genes de nodulao nas bactrias (necessrio para a produo de lectinas eligao da bactria ao plo radicular);

c) H o curvamento do plo radicular e simultaneamente a induo dadiviso das clulas corticais;


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d) Invaso do Rhizobium atravs de um fio de infeco, ocorrendoconcomitantemente o desenvolvimento do meristema nodular;

Figura 11.4 Modelo do incio do evento da infeco na planta hospedeira peloRhizobium em um perodo de 96 horas.

e) O fio de infeco chegando ao meristema nodular, entra no citoplasmadas clulas do crtex, e transformam-se em bacteriides(bactrias que perderamseu movimento), os quais so envoltos por uma membrana chamada demembrana peribacteriide.

f) Na transformao das bactrias em bacteriide, ocorre tambm a sntesede hemoglobina, nitrogenase e outras enzimas requeridas para a fixao do N2.

Dependendo da espcie da planta e dos fatores ambientais, a fixao do N2comea de 10 a 21 dias aps a infeco. O funcionamento dos ndulos tambmdiferem tipicamente entre espcies de plantas na forma e tamanho, e pode ser dotipo indeterminado (continua a crescer) ou do tipo determinado (Figura 11.4.1).


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Figura 11.4.1 - Seo de uma raiz nodulada de soja (Glycine max) com ndulosdeterminados (esquerda) e de Mimosa pudica L. com ndulosalongados indeterminados.

11.5. Funcionamento do ndulo radicular e energtica da fixao donitrognio

O grande potencial de fixao de N2 em leguminosas noduladas devido basicamente a 3 fatores: a) suprimento direto de fotoassimilados para obacteriide nos ndulos; b) a manuteno de baixas concentraes de 02 nointerior dos ndulos, protegendo a nitrogenase ; e c) o rpido transporte donitrognio fixado para a parte area (Figura 11.5). A sacarose liberada do floemapara os ndulos onde o metabolismo do carbono e do nitrognio adaptado abaixos nveis de 02. O baixo nvel de 02 controlado por uma barreira mecnicaimposta pelo crtex do ndulo e, pela alta taxa de respirao pelo bacteriide paramanter a produo de energia (fosforilao oxidativa). Entretanto, quem controlaem grande parte a difuso de 02 no bacteriide a leghemoglobina. Esta enzimapossui colorao avermelhada com um tomo de ferro central no anel porfirnico.A capacidade de fixao do N2 est intimamente ligada a concentrao deleghemoglobina, o que no significa que ambas estejam linearmentecorrelacionada.

Figura 11.5 Modelo da relao entre a nitrogenase e as reaes relacionadasnos bacteriides e no citossol de ndulos de leguminosahospedeira.


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A sacarose antes de entrar no bacteriide sofre transformao a cidomlico (devido a baixa tenso de 02), atuando como substrato para a snteseredutiva dos cido carboxlicos (C4), fumarato e succinato, os quais sotransportados para dento do bacteriide servindo como substrato de energia para

a nitrogenase. Outros esqueletos carbnicos da gliclise servem como substratospara a assimilao do NH3 no citossol (Figura 11.5).Muito do que respirado no bacteriide perdido como C02. Entretanto,

grande parte do C02 que sai do bacteriide incorporado pela PEP caseproduzindo malato e/ou aspartato que pode ser utilizado na assimilao do NH3 etransporte nas plantas (Figura 11.5).

O custo do carbono para a fixao do N2 depende da planta hospedeira, daraa da bactria e do desenvolvimento da planta. Em mdia, para leguminosas,36-39% do custo do carbono requerido para a nodulao, 42-45% para aatividade nitrogenase e, 16-22 % para a assimilao e transporte.

O nitrognio fixado nos bacteriides dos ndulos radiculares liberadocomo NH

3no citossol da planta hospedeira (Figura 11.5), por difuso simples,

atravs da membrana do peribacteriide. No citossol da planta, o NH3 assimilado pela via rota sintase da glutamina (GS)/glutamato sintase (GOGAT),como j demonstrado anteriormente.

Geralmente, a glutamina um composto nitrogenado exportado empequena quantidade dos ndulos. Nas espcies leguminosas com ndulosindeterminados a glutamina normalmente metabolizada a asparagina nosndulos e liberado no xilema para a parte area. Entretanto, em espciesleguminosas com ndulos determinados, a glutamina metabolizada nos ndulosa uredeos (alantona e cido alantico) e transportado no xilema para a partearea.

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