Apostila de Nut...eral de Plantas - aposti3-nutri??o mineral de plantas

Apostila de Nut...eral de Plantas - aposti3-nutri??o mineral de plantas

(Parte 1 de 2)

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

10. METABOLISMO DO NITROGÊNIO

10.1. Considerações gerais

As formas mais comuns de nitrogênio no solo são a nítrica e a amoniacal.

Ambas resultam da ação de bactérias e fungos do solo, mineralizando as formas orgânicas, liberadas na decomposição de animais e vegetais mortos, como mostrado abaixo.

amonificação nitrificação mineralização imobilização

As principais fontes de nitrogênio inorgânico absorvido pela plantas superiores também é a nítrica e a amoniacal. A maior parte do amônio pode ser incorporado em compostos orgânicos nas raízes, enquanto que o nitrato é prontamente solúvel no xilema e pode também ser armazenado nos vacúolos das raízes, da parte aérea e em órgãos de armazenamento.

A acumulação do nitrato nos vacúolos pode é importante no balanço cátionânion, para a osmorregulação, principalmente em espécies “nitrofílicas” como a Chenopodium album e Urtica dioica. Entretanto, para ser incorporado em estruturas orgânicas e desempenhar uma função essencial na nutrição da planta, o nitrato deve ser reduzido a amônia. A importância da redução e assimilação do nitrato na vida das plantas é similar a redução e assimilação do C02 na fotossíntese.

10.2. Absorção do nitrogênio a. Absorção do nitrato

O sistema de absorção das raízes, para satisfazer a demanda de nitrato na planta, deve ser muito eficiente, e de fato é. Evidências recentes sugerem que a absorção do nitrato está acoplada a um fluxo eletrogênico de prótons como mostrado na Figura 10.2.

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

METABÓLICO"POOL" DE

[NO3 - ] REDUÇÃO

[NO3- ]ADP+Pi cit

Figura 10.2 – Diagrama esquemático de absorção e de distribuição do nitrato nas células.

Como pode ser observado a H+-ATPase produz o gradiente elétrico e de pH para possibilitar a entrada em simporte do nitrato com 2H+. Uma pequena parte do nitrato fica no citoplasma (“pool metabólico”), mas a maior parte é transportado para o vacúolo (“pool de armazenamento”) e/ou exportado para outros locais na planta, principalmente para as folhas.

Na verdade as plantas possuem dois sistemas distintos de absorção, com diferentes afinidades para o nitrato; um ativo sob baixas concentrações (abaixo de 1 mM) e outro sistema ativo sob altas concentrações (acima de 1mM) de nitrato. O sistema ativo em baixas concentrações possuem alta afinidade pelo substrato

(nitrato) e exibe uma cinética de fluxo saturável com KM entre 0,015 e 0,3 mM, e apresenta alta sensibilidade a inibidores metabólicos. O segundo sistema citado, caracteriza-se por ser constitutivo (pré-existente), passivo e de baixa afinidade pelo substrato.

b. Absorção de amônio

A absorção do íon amônio, similar à de cátions monovalentes como o K+ por exemplo, parece ser um processo dependente de energia, mas a favor do seu gradiente de potencial eletroquímico. Em milho, foi encontrado um efluxo de H+ associado com a absorção de NH4+, na estequiometria de 1:1.

10.3. Redução e assimilação do nitrato a. Locais de redução e formas de transporte

As plantas precisam reduzir o nitrato para que o nitrogênio possa ser incorporado nos inúmeros compostos orgânicos. Esta redução pode ser feita exclusivamente no sistema radicular, como acontece em certas plantas lenhosas

UEM – Nutrição Mineral de Plantas como a macieira silvestre. Neste caso, observa-se elevada atividade da redutase do nitrato nas raízes, quase completa ausência na parte aérea e o N encontrado na seiva xilemática é, quase completamente, de natureza orgânica. Outras plantas reduzem o nitrato exclusivamente nas folhas: é o caso de Xanthium pennysylvanicum. Neste caso, as plantas possuem elevada atividade da redutase do nitrato na parte aérea e ausência nas raízes. A maioria das plantas, entretanto, reduzem o nitrato tanto nas raízes quanto nas folhas e, portanto, possuem redutases do nitrato igualmente ativas nas duas partes da planta. A redução do nitrato também depende dentro da mesma espécie, da idade da folha, da luz, do “status” nutricional da planta, entre outros fatores.

As principais formas de N transportadas na seiva xilemática das raízes para a parte aérea dependem fundamentalmente do tipo de planta, da atividade da redutase do nitrato, da capacidade da planta fixar ou não N2 atmosférico e da forma do N fornecido às plantas. A composição da seiva xilemática de plantas de soja supridas com diferentes formas de nitrogênio pode ser obsevada no Quadro 10.3.

Quadro 10.3 – Composição da seiva xilemática de plantas de soja supridas com diferentes formas de nitrogênio

TRATAMENTOS N- total N-ureídico N-aminoacítico N-NO3- N-NH4+

0 (em N) 187,4 83,0 16,3 0,4 0,2

N-NO3- 10 mM 134,1 47,5 26,4 25,8 0,3

N-NO3- 20 mM 138,0 15,0 37,6 47,0 0,4 N-URÉIA 10 mM 173,8 49,4 48,0 2,4 0,2

N-URÉIA 10 mM 192,9 39,3 56,8 3,5 0,3

No caso das plantas controles, nenhuma fonte de N foi adicionada e todo o N assimilado o foi simbioticamente. Do N total, 83% estava na forma de ureídeos e

16% na forma de aminoácidos. Aquelas que receberam N03-, com a inibição da fixação simbiótica de N2, observou-se queda acentuada no teor de N-ureídico e aumento nos teores de N-aminoacítico, acentuando-se este efeito com o aumento da dose de N03-. As plantas que receberam uréia, também, sofreram inibição na fixação simbiótica de N2 e apresentaram teores de N-aminoacítico ainda mais elevados. Os teores de N-NH4+ permaneceram sempre baixa em razão de um eficiente sistema de assimilação, para evitar sua toxicidade.

O movimento de substâncias nitrogenadas das raízes para as folhas embora se dê principalmente no xilema pode ocorrer também no floema.

UEM – Nutrição Mineral de Plantas a. Enzimas de redução do nitrato - Redutase do nitrato

A redutase do nitrato (RN) é uma molibdenoflavoproteína constituída de duas subunidades idênticas com peso molecular entre 100 a 110 kD que cataliza a redução do nitrato a nitrito:

NO3- + 2e- ⇒⇒⇒⇒ NO2- Cada subunidade possui três grupos prostéticos que transferem os elétrons ao NO3- : • FAD;

• Citocromo c (Fe2+/Fe3+ preso ao grupo heme do citocromo);

• Cofator molibdênio (MoCo: cofator Mo; Mo-pterina: Mo ligado a um grupo heterocíclico tipo “pterina” do ácido fólico) (Figura 10.3).

Figura 10.3 – Representação esquemática da seqüência da assimilação do nitrato nas células da folhas.

Como pode ser observado a redutase do nitrato (RN) está presente apenas no citoplasma. O doador de elétrons para a enzima é proveniente do NADPH produzido no cloroplasto. Assim, a RN tem sua atividade induzida por nitrato e por luz e inibida por NH4+ e por aminoácidos.

- Redutase do nitrito

A redutase do nitrito (RNi) é uma enzima cloroplastídica que catalisa a redução do nitrito a amônia:

A enzima possui um peso molecular entre 60 e 70 kD com dois centro redox: um centro siro-heme e um centro Fe-S (Figura 10.3). É inibida por cianeto e C0 e requer ferredoxina como fornecedor de elétrons. Em tecidos não-verdes a

UEM – Nutrição Mineral de Plantas ferredoxina reduzida pode ser provida pela ação da enzima redutase da ferredoxina-NADP que catalisa a transferência dos elétrons do NADPH para a ferredoxina.

10.4. Assimilação da amônia a. Enzimas de assimilação da amônia

O íon amônio, pode ser oriundo; da absorção radicular, produzido pela redução do nitrato, do catabolismo de aminoácidos ou da fotorrespiração. Esse íon precisa ser rapidamente assimilado em compostos orgânicos em razão de sua toxicidade.

A assimilação de amônia ocorre em vária etapas, necessitando da participação de várias enzimas. As duas principais rotas de assimilação são:

1) Rota GDH

Nesta rota, catalisada pela enzima desidrogenase do glutamato (GDH), o amônio, com gasto de uma molécula de NADH, é incorporado ao ácido oxoglutárico formando ácido glutâmico (Figura 10.4). Esta rota uma das primeiras a ser descoberta, parece ser importante apenas para o processo de desintoxicação de amônio sob condições de estresse (hídrico, salino, temperatura, etc). Requer NADH ou NADPH quando catalisa reações aminativas e NAD+ ou NADP+ em reações desaminativas.

2) Rota GS/GOGAT

Na rota GS/GOGAT, sugerida na década de 70 com a descoberta das enzimas sintetase da glutamina (GS) e sintetase do glutamato ou glutamina oxoglutarato amino transferase (GOGAT) a assimilação do amônio ocorre em duas etapas. Numa primeira etapa a enzima GS catalisa a incorporação do íon amônio numa molécula de glutamato, formando glutamina. Em seguida, a enzima GOGAT catalisa a transferência do grupo amino da glutamina para o oxoglutarato formando-se duas moléculas de glutamato. Uma das moléculas de glutamato é desviada para a síntese de outros aminoácidos enquanto a outra retorna ao ciclo para ser receptora de novo íon amônio (Figura 10.4). Esta rota é, hoje, considerada a principal rota de assimilação do amônio produzido pela redução do nitrato, principalmente em razão do KM da GS para o amônio ser mais baixo do que o da GDH.

A GS pode estar presente em cloroplastos, citossol e em nódulos, sob diversas isoformas (GS1, GS2 GSn,s, etc). É ativada por Mg2+ e inativada por Mn2+. A GOGAT existe tanto em tecidos verdes como em raízes, principalmente dentro de organelas como em cloroplastos ou plastídios . Existe 3 isoformas desta enzima (Fd-GOGAT, NADH-GOGAT e NADPH-GOGAT). Existem ainda as formas

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

NADH-GOGAT I e I em nódulos de plantas que fixam N2. A atividade desta enzima é dependente de NH4+ e de aspartato.

NH3

ÁCIDO
ÁCIDO
ÁCIDO

“ROTA GS/GOGAT” GS (1)

CLOROPLASTOFdred.

Fdox. LUZ

GOGAT (2)

NITROGENADOS
aminotransferase
glutâmico

(1) GS = Sintetase da Glutamina (2) GOGAT = Glutamina oxoglutarato (3) GDH = Desidrogenase do ácido

Figura 10.4 – Representação esquemática da redução/assimilação do nitrato em plantas superiores.

As principais classes de compostos orgânicos nitrogenados decorrentes do metabolismo dos íons, amônio, nitrato e N2, pode ser verificada abaixo:

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

Aminoácidos Amidas Peptídeos Aminas Ureídeos

Proteínas

Ácidos Nucléicos

Outros - Coenzimas,

- Produtos secundários

- Constituinte de membranas

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

1. FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO

1.1. Considerações gerais

A fixação biológica de N2, atualmente no globo terrestre, está na faixa de 139 a 170 x 106 t N por ano, enquanto que a aplicação de N como fertilizante atinge uma faixa de 65 x 106 t por ano. A conversão do N2 (gás inerte) em nitrogênio combinado (NH3; N03-), a qual pode ser utilizado como nutriente mineral é feita pela redução do N2 a amônia (NH3) ou pela oxidação do N2 a nitrato. Esta conversão também denominada de fixação, possui alto custo energético. Na fixação industrial e na conversão biológica a reação N2 ! 2NH3 domina. Na fixação industrial, o N2 é cataliticamente reduzido a NH3 pela reação com o hidrogênio (produzido por ex. do gás natural) no processo Haber-Bosch (N2 + 3H2

! 2NH3) sob condições de alta temperatura e pressão. O incremento tanto no custo da energia fóssil como o aumento na demanda global da utilização dos fertilizantes nitrogenados para a produção de alimentos, é a principal razão pelo novo interesse na fixação biológica do N2, como uma alternativa ou no mínimo, como um complemento para o uso do fertilizante nitrogenado químico.

1.2 Sistema de fixação do nitrogênio biológico

A capacidade de fixação biológica do N2 atmosférico é restrito aos organismos com estrutura de célula procarióticas, chamada, bactérias e algas verde-azuis (cianobactérias). A fixação simbiótica de significância na agricultura é feita por Eubactéria, muitas das quais são heterotróficas, dependentes do suprimento de carbono reduzido (Azospirilllum). Outros são autotróficos e capazes de reduzir o C02 ( ex. Anabaena). Um número de espécies do genero Frankia (Thallobacteria), Nostoc e Anabaena (Cianobacteria) e de Rhizobium

(Protobactéria) são de particular importância devido sua capacidade simbiótica. Baseada na taxa de crescimento, dois grupos distintos de rizóbios existem; o gênero de alto crescimento (Rhizobium) e o gênero de crescimento lento (Bradyrhizobium).. No ecossistema terrestre, três tipos importantes de estratégias de fixação de N2 podem ser diferenciadas; simbióticos, associativos e organismos fixadores de nitrogênio livre (Figura 1.2).

Em média, o sistema simbiótico tem maior capacidade de fixação não somente pelo suprimento de carboidratos obtidos da planta, mas também outras condições são otimizadas para a fixação eficiente de N2. Neste sistema as plantas se beneficiam porque mais de 90% do nitrogênio fixado é transportado da bactéria para a planta. Leguminosas nodulada, tais como a alfafa e a soja em simbiose com Rhizobium e Bradyrhizobium, respectivamente, estão entre os mais importantes sistemas de fixação de nitrogênio na agricultura.

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

Sistema de fixação e microrganismos envolvidos

Simbiose

(ex. rhizobium, Actinomicetos)

Associação

(ex. Azospirillum, Azotobacter)

Livres

( ex. Azotobacter,

Klebsiella, Rhodospirillum)

Fonte de energia

(carbono orgânico) Sacarose e seus metabólicos (da planta hospedeitra)

Exsudatos radiculares da planta hospedeira

Heterotr: resíduos de Plantas

Autotróf: Fotossíntese

Estimativa da quantidade fixada (kg N há-1 ano-1)

Leguminosas: 50-400

10-200
1-2

Nodulados nãoleguminosas:20-300 10-80

Figura 1.2 – Tipo, fonte de energia, e capacidade do sistema de fixação biológica do N2 nos solos ( MASCHNER, 1997).

Alguns sistemas de fixação de nitrogênio com alta especificidade bactériahospedeiro não desenvolvem nódulos. O habitat destas bactéria é a superfície radicular e espaços intercelulares das células do córtex. Nesta associação com a rizosfera (Figura 1.2) a planta hospedeira fornece exsudatos radiculares como fonte de energia para a fixação de N2. Neste caso o benefício para a planta neste tipo de fixação de N2 é indireto, quando aproximadamente 90% do nitrogênio fixado torna-se somente disponível para a planta após a morte da bactéria.

As bactérias fixadoras de N2 livres no solo são em sua maioria heterotróficas (ex. Azobacter), e possuem capacidade de fixação de N2 bastante limitada pela limitação de substratos devido a uma inadequada disponibilidade de resíduos orgânicos (Figura 1.2).

1.3 Bioquímica da fixação do nitrogênio

A redução biológica do N2 a NH3 é um processo endergônico, exigindo, ao contrário do processo industrial, um baixo requerimento energético. Em todos os microrganismos fixadores de N2, o passo mais importante desta reação é o mesmo e pode ser observado na Figura 1.3.

O complexo enzimático chave, denominado Nitrogenase, é único para todos os microrganismos fixadores de nitrogênio, e é encontrado, por exemplo, em bactérias aeróbicas e anaeróbicas, em cianobactérias e em raízes noduladas de leguminosas e não-leguminosas.

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

Figura 1.3 – Esquema ilustrando o suprimento de energia e as principais reações do sistema nitrogenase.

A nitrogenase consiste em duas proteínas não-heme sensíveis ao 02 . A menor das duas é denominada Proteína –Fe, consistindo de duas subunidades e um simples agrupamento de 4F e 4S. A maior, MoFe-proteína, consiste de 4 subunidades e contém 30 átomos de Fe e 2 de Mo.

Para a reação da nitrogenase, há necessidade de energia na forma de ATP e redutores equivalentes (elétrons) (Figura 1.3), provenientes da respiração (ATP) e transportadores de elétrons que normalmente é a ferredoxina.

(Parte 1 de 2)

Comentários