assimilacaodenutrientes_cap12

5/23/2018 assimilacaodenutrientes_cap12

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AS PLANTAS SUPERIORES SO ORGANISMOS AUTOTRFICOS que po-dem sintetizar seus componentes orgnicos a partir de nutrientes inorgnicosobtidos do ambiente. Para muitos nutrientes minerais, o processo envolve a

absoro de compostos do solo pelas razes (ver Captulo 5) e a incorporaoem compostos orgnicos, essenciais ao crescimento e ao desenvolvimento.Essa incorporao dos nutrientes minerais em substncias orgnicas comoos pigmentos, os co-fatores enzimticos, os lipdios, os cidos nuclicos e osaminocidos, denominada assimilao de nutrientes.

A assimilao de alguns nutrientes em particular nitrognio e enxofre requer uma srie complexa de reaes bioqumicas, que esto entre asreaes de maior demanda energtica dos organismos vivos:

Na assimilao do nitrato (NO3), o nitrognio do NO

3 convertido

em uma forma mais energtica, o nitrito (NO2) e, ento, em uma

forma ainda mais energtica, o amnio (NH4+), e finalmente em nitro-

gnio-amida da glutamina. Este processo consome o equivalente a 12ATPs para cada nitrognio (Bloom e cols., 1992).

Plantas como as leguminosas, por exemplo, estabelecem uma relaosimbionte com bactrias fixadoras de nitrognio, para converter o ni-trognio molecular (N

2) em amnia (NH

3), que o primeiro produto

estvel no processo natural de fixao; entretanto, em pH fisiolgico, aamnia protonada para formar o on amnio (NH

4+). O processo de

fixao biolgica do nitrognio, junto com a subseqente assimilaode NH

3em um aminocido, consome cerca de 16 ATPs por nitrognio

(Pat e Lauzell, 1990; Vande Broek e Vanderleyden, 1995).

A assimilao de sulfato (SO42) no aminocido cistena, por meio de duas

rotas encontradas nas plantas, consome cerca de 14 ATPs (Hell, 1997).

Para ter-se uma idia da enorme quantidade de energia envolvida, deve-seconsiderar que, se essas reaes ocorressem rapidamente em reverso porexemplo, de NH

4NO

3 (nitrato de amnio) para N

2 elas se tornariam ex-

plosivas, liberando grandes quantidades de energia como movimento, calore luz. Praticamente todos os explosivos so baseados na rpida oxidao decompostos de nitrognio ou de enxofre.

Captulo

12 Assimilao denutrientes minerais


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2 Captulo 12

A assimilao de outros nutrientes, especialmente os macroe os micronutrientes catinicos (ver Captulo 5), envolve a for-mao de complexos com compostos orgnicos. Por exemplo,

o Mg2

+ associa-se ao pigmento clorofia, o Ca2

+ associa-se apectatos na parede celular e o Mo6+com enzimas como a ni-trato redutase e a nitrogenase. Tais complexos so altamenteestveis, sendo que a remoo do nutriente do complexo poderesultar na perda total de funo.

Este captulo resume as reaes primrias pelas quais osprincipais nutrientes (nitrognio, enxofre, fosfato, ctions eoxignio) so assimilados. Sero enfatizadas as implicaes fisi-olgicas do gasto energtico requerido e introduzido o tpico dafixao simbitica do nitrognio.

NITROGNIO NO AMBIENTE

Muitos compostos bioqumicos presentes nas clulas vegetaispossuem nitrognio (ver Captulo 5). Por exemplo, o nitrognio encontrado nos nucleosdeos fosfato e nos aminocidos queformam a estrutura dos cidos nuclicos e das protnas, respec-tivamente. Apenas elementos como o oxignio, o carbono e ohidrognio so mais abundantes nas plantas que o nitrognio. Amaioria dos ecossistemas naturais e agrrios apresneta um ex-pressivo ganho na produtividade aps serem fertilizados com ni-trognio inorgnico, atestando a importncia desse elemento.

Nesta seo, tanto o ciclo biogeoqumico do netrognio.O papel crucial da fixao de nitrognio na converso do ni-

trognio molecular em amnio e em nitrato, quanto o destinodo nitrato e do amnio nos tecidos vegetais sero discutidos.

O nitrognio transformado em diferentes formas nociclo biogeoqumico

O nitrognio est presente em diversas formas na biosfera. Aatmosfera contm uma vasta quantidade (cerca de 78% por vol-ume) de nitrognio molecular (N

2) (ver Captulo 9). Porm, esse

grande reservatrio de nitrognio no est diretamente disponvelpara os organismos vivos. A obteno de nitrognio da atamos-fera requer a quebra de uma ligao tripla covalente de excepcio-nal estabilidade, entre os dois tomos de nitrognio (NN) paraproduzir amnia (NH

3) ou nitrato (NO

3). Tais reaes, conhecidas

como fixao do nitrognio, podem ser obtidas por processoindustrial e por processo natural.

Sob elevadas temperaturas (cerca de 200 C) e alta presso(cerca de 200 atmosferas), o N

2 combina-se com hidrognio

formando amnia. As condies extremas so necessrias parasuperar a alta energia de ativao da reao. Essa reao defixao de nitrognio, conhecida comoprocesso Haber-Bosch, o ponto de partida para a fabricao de muitos produtos paraa indstria e agricultura. Indstrias em todo o mundo produzemmais de 80 x 1012g ano-1de fertilizantes nitrogenados (FAO-STAT, 2001).

Os processos naturais fixam cerca de 190 x 1012 g ano-1de nitrognio (Tabela 12.1) por meio dos seguintes processos(Schlesinger, 1997):

TABELA 12.1Principais processos do ciclo biogeoqumico do nitrognio

Processo DefinioTaxa(1012g ano-1)a

Fixao industrial Converso industrial do nitrognio molecular em amnia 80

Fixao atmosfrica Converso fotoqumica e plos relmpagos do nitrognio molecular em nitrato 19

Fixao biolgica Converso do nitrognio molecular em amnia pelos procariontes 170

Aquisio pelos vegetais Absoro e assimilao do amnio ou nitrato pelos vegetais 1200

Imobilizao Absoro e assimilao do amnio ou nitrato por microrganismos N/C

Amonifi

cao Ao de bactrias e fungos no catabolismo da matria orgnica do solo em amnio N/CNitrificao Oxidao bacteriana (Nitrosomonassp.) do amnio em nitrito e a posterior

oxidao pelas bactrias (Nitrobactersp.) do nitrito em nitratoN/C

Mineralizao Ao das bactrias e fungos no catabolismo da matria orgnica do solo emnitrognio mineral, por meio da amonificao ou nitrificao

N/C

Volatilizao Perda fsica do gs amnia para a atmosfera 100

Fixao do amnio Ligao fsica do amnio nas partculas do solo 10

Desnitrificao Converso bacteriana do nitrato em xido nitroso e nitrognio molecular 210

Lixiviao do nitrato Escoamento fsico do nitrato dissolvido no lenol de gua das camadas superi-ores do solo e eventualmente para os oceanos

36

Nota: Organismos terrestres, do solo e dos oceanos contm cerca de 5,2x1015g e 95x1015g e 6,5x1015g, respectivamente, de nitrognio orgnico que

ativo no ciclo. Admitindo que a quantidade de N2na atmosfera permanece constante (entrada=sada), o tempo mdio de residncia (o tempo mdio quea molcula de nitrognio permanece na forma orgnica) cerca de 370 anos [(tamanho do pool)/(fixao input)=(5,21015g + 95x1015g)/(80x1012gano-1+19x1012g ano-1+ 170x1012g ano-1)] (Schlesinger, 1997). aN/C no-calculado.


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3Assimilao de nutrientes minerais

Relmpagos. Os relmpagos so responsveis por aproxi-madamente 8% do nitrognio fixado. Convertem o vaporde gua e oxignio em radicais hidroxilas livres altamen-

te reativos, em tomos de hidrognio livre e em tomosde oxignio livre, que atacam o nitrognio molecular (N2)

para formar o cido ntrico (HNO3). Posteriormente, esse

cido ntrico precipita sobre a Terra junto com a chuva.

Reaes fotoqumicas. Cerca de 2% do nitrognio fixado derivado de reaes fotoqumicas entre o xido ntricogasoso (NO) e o oznio (O

3), produzindo o cido ntrico

(HNO3).

Fixao biolgica do nitrognio. Noventa por cento(90%) do nitrognio restante resultam da fixao biolgi-ca, nos quais as bactrias ou algas azuis (cianobactrias)fixam o N

2em amnio (NH

4+).

Do ponto de vista agrcola, a fixao biolgica do nitrognio crtica, pois, raramente, a produo industrial de fertilizantes base de nitrognio supre a demanda agrcola (FAOSTAT, 2001).

Uma vez fixado em amnio ou nitrato, o nitrognio entrano ciclo biogeoqumico, passando por vrias formas orgnicaou inorgnicas antes de eventualmente retornar forma de ni-trognio molecular (Figura 12.1; Tabela 12.1). Os ons amnio(NH

4+) e nitrato (NO

3) gerados pela fixao ou liberados por de-

composio da matria orgnica do solo, tornam-se objetos deintensa competio entre plantas e microrganismos. Para per-

manecerem competitivos, os vegetais desenvolveram mecanis-mos para capturar esses ons, a partir da soluo do solo, torpido quanto possvel (ver Captulo 5). Sob as concentraes

elevadas no solo, que ocorrem aps a fertilizao, a absoro doamnio e do nitrato pelas razes pode exceder a capacidade deuma planta em assimilar esses ons, levando ao seu acmulo nostecidos vegetais.

O amnio ou o nitrato armazenados podem ser txicos

As plantas podem acumular altos nveis de nitrato ou po-dem transloc-lo atravs dos tecidos sem efeitos prejudiciais.Entretanto, se os animais e os homens consumirem materialvegetal com altos nveis de nitrato, eles podem sofrer de me-temoglobinemia, uma doena na qual o fgado reduz o nitratoa nitrito, o que se combina coma hemoglobina, resultando em

uma hemoglobina incapaz de se combinar com o oxignio. Ohomem e os outros animais so capazes tambm de converternitrato em nitrosaminas, as quais so potentes carcinognicos.Nesse sentido, alguns pases impem limites nos nveis de ni-trato nos vegetais que so consumidos pelo homem.

Em comparao com o nitrato, altos nveis de amnio sotxicos tanto para as plantas quanto para os animais. O amnio capaz de dissipar os gradientes de prtons transmembrana(Figura 12.2) necessrios ao transporte de eltrons na fotossn-tese e na respirao (ver Captulos 7 e 11), assim como para a

FIGURA 12.1 Ciclo do nitrognio. O nitrognio da atimosfera varia desde a forma gasosa de ons reduzidos, antes de ser incorporado a com-postos orgnicos nos organismos vivos. Algumas etapas envolvidas no ciclo do nitrognio esto representadas.


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4 Captulo 12

captura de metablitos nos vacolos (ver Captulo 6). Devido aoperigo que representam os altos nveis de amnio, os animaisdesenvolveram uma forte averso ao seu odor. Como exem-plo, pode-se citar os sais-de-cheiro, composto por carbonato deamnio, um vapor medicinal liberado sob o nariz para animarpessoas desfalecidas. As plantas assimilam o amnio prximoda regio de absoro ou produo e rapidamente armazenamqualquer excesso nos vacolos para evitar efeitos txicos nasmembranas e no citosol.

Na prxima seo, ser discutido o processo pelo qual onitrato, absorvido pelas razes por meio de um transportador deH+ -NO

3do tipo simporte (ver o Captulo 6 para a discusso

sobre simprote), assimilado em compostos orgnicos e os pro-cessos enzimticos responsveis pela reduo do nitrato primei-ramente em nitrito e depois em amnio.

ASSIMILAO DO NITRATO

As plantas assimilam a maioria do nitrato absorvido por suasrazes em compostos orgncios nitrogenados. A primeira etapado processo a reduo do nitrato em nitrito no citoplasma(Oaks, 1994). A enzima nitrato redutase catalisa esta reao:

NO3+ NAD(P)H + H++ 2e

NO2+ NAD(P)++ H

2O (12,1)

Onde NAD(P)H indica NADH ou NADPH. A forma mais co-mum da enzima nitrato redutase utiliza somente o NADH comodoador de eltrons; outra forma da enzima, encontrada predomi-

nantemente em tecidos no-clorofilados, como razes, pode usartanto o NADH quanto o NADPH (Warner e Kleinhofs, 1992).As nitrato reduases das plantas superiores so formadas por

duas subunidades idnticas com trs grupos prostticos cada:FAD (flavina andenina dinucleotdeo), heme e um complexo for-mado entre o molibdnio e uma molcula orgnica denominada

pterina(Mendel e Stallmeyer, 1995; Campbell, 1999).

FIGURA 12.2 A toxicidade do NH4+pode dissipar os gradientes de

pH. O lado esquerdo representa o estroma, a matriz mitocondrial ouo citoplasma, onde o pH mais elevado. O lado direito representa olume, o espao intermembrana ou o vacolo, onde o pH mais baixo;a membrana representa o tilacide do cloroplasto, a membrana internamitocondrial ou o tonoplasto do vacolo de uma clula de raiz. O re-sultado lquido da reao mostra que as concentraes de OHdo ladoesquerdo e de H+do lado direito diminuram, isto , o gradiente de pHfoi dissipado (segundo Bloom, 1997).

FIGURA 12.3 Modelo do dmero da nitrato redutase indicando os trsdomnios de ligao, dos quais as seqncias de polipeptdeos so simil-ares nos eucariontes: complexo molibdnio (CoMo), grupo heme e FAD;O NADH liga-se ao domnio de ligao do FAD de cada subunidade einicia a transferncia de dois eltrons a partir do grupo carboxila ter-minal (C), atravs de cada elemento de transferncia de eltrons, at o

grupo amino terminal (N). O nitrato reduzido no complexo molibdnioprximo regio amino terminal. As seqncias dos polipeptdeos nasregies hingeso altamente variveis entrea as espcies.

Nitrato redutase a principal protena contendo molibdnioencontrada nos tecidos vegetativos e um dos sintomas da defi-cincia do molibdnio o acmulo de nitrato, devido diminu-io da atividade da nitrato redutase.

A comparao entre as seqncias de aminocidos da ni-trato redutase de diversas espcies com aquelas de outras pro-tenas j caracterizadas que se ligam ao FAD, heme ou ao molib-dnio, resultou em um modelo para a nitrato redutase com trsdomnios apresentados na Figuar 12.3. O domnio de ligaodo FAD aceita dois eltrons do NADH ou do NADPH. Os el-trons so deslocados pelo domnio heme para o complexo mo-libdnio, onde so transferidos para o nitrato.

O nitrato, a luz e os carboidratos regulam a nitratoredutase

O nitrato, a luz e os carboidratos interferem na nitrato redutaseem nvel de transcrio e traduo (Sivasankar e Oaks, 1996). Emplntulas de cevada, o mRNA da nitrato redutase foi detectadoaproximadamente 40 minutos aps a adio do nitrato, sendo osnveis mximos obtidos em trs horas (Figura 12.4). Ao contrrio

Alto pH MembranaEstroma, matrizou citoplasma

OHOH

OH

OHOH

OH

OH

OH

OH

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+H+

NH3

+

H2O

NH4

+ NH3

NH4++

Baixo pHLume, espaointermembrana ou vaclo

Em pH alto, o NH4

+

reage com o OH

para formar NH3.

NH3 permevel

membrana e se

difunde porintermdio dessa, deacordo com o seugradiente deconcentrao.

NH3reage com o H+

para formar NH4

+.

O

HNN

NNH2N

Uma pterina (completamente oxidada)

Nitrato redutase

N Terminal Regies hinge C Terminal

2

2NO

3

NO3 MoCo

MoCo

Heme

Heme

FAD

FAD

NADH

NADH

e

e


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do rpido acmulo do do mRNA, houve um incremento graduallinear na atividade da nitrato redutase, refletindo a sntese maislenta da protena.

Alm disso, a protena sofre tambm uma modulao ps-traduo (envolvendo um fosforilao reversvel) anloga regula-o da sacarose fosfato sintase (ver Captulos 8 e 10). A luz e osnveis de carboidratos, alm de outros fatores ambientais, estimu-lam a protena fosfatase, que desfosforila vrios resduos de serinana protena nitrato redutase, promovendo a ativao da enzima.

Agindo na direo inversa, o escuro e o Mg+estimulam aprotena quinase, a qual fosforila os mesmo resduos de serina,interagindo com a protena inibidora 14-3-3 e inativando a nitra-to redutase (Kaiser e cols., 1999).A regulao da atividade danitrato redutase atravs da fosforilao e da desfosforilao

possibilita um controle mais rpido do que o obtido atravsda sntese ou degradao da enzima (minutos versus horas).

A nitrito redutase converte o nitrito em amnio

O nitrito (NO2) um on altamente reativo e potencialmente

txico. As clulas vegetais transportam rapidamente o nitritooriginado pela reduo do nitrato (ver Equao 12.1) do citosolpara o interior dos cloroplastos nas folhas e nos plastdeos nas

razes. Nessas organelas, a enzima nitrito redutase reduz o ni-trito a amnio de acordo com a seguinte reao geral:

sistem de um nico poliperptdeo com dois grupos prostticos:um grupo ferro-enxofre, Fe

4S4, e um grupo heme especializado

(Siegel e Wilkerson, 1989). Tais grupos agem conjuntamenteligando-se ao nitrito e o reduzindo-o diretamente a amnio, semaculular compostos nitrogenados em estado redox intermedirios. O fluxo de eltrons pela ferredoxina, Fe

4S4, e heme oodem

ser representados, conforme a Figura 12.5.A nitrito redutase codifica no ncleo e sintetizada no cito-

plasma, apresentando um peptdeo de trnsito N-terminal quedireciona o seu deslocamento para os plastdeos (Wray, 1993).Enquanto o NO

3

e a luz induzem a transcrio do mRNA danitrito redutase, os produtos finais do processo asparagina eglutamina reprimem essa induo.

As plantas podem assimilar nitrato tanto nas razesquanto nas partes areas

Em muitas plantas, quando as razes recebem pequenasquantidade de nitrato, o mesmo reduzido principalmente nes-ses rgos. medida que o suprimento de nitrato aumenta,uma proporo maior do nitrato absorvido translocado paraas partes areas onde ser assimilado (Marschner, 1995). Mesmosob condies similares de disponibilidade do nitrato, o balano do

metabolismo do nitrato entre razes e a parte area conforme

FIGURA 12.4 O aumento da atividade da nitratoredutase resulta da induo da sntese do mRNA daenzima em partes areas e razes de cevada; gmf,grama de massa fresca (Kleinhofs e cols., 1989).

NO2+ 6 Fdred + 8 H++ 6 e

NH4++ 6 Fd

ox+ 2 H

2O (12.2)

Onde o Fd representa a ferredoxina e ossmbolos subscritos rede ox, forma reduz-ida e oxidade, respectivamente. A ferredo-

xina reduzida deriva do transporte de el-trons da fotossntese nos cloroplastos (verCaptulo 7) e do NADPH gerado pela viada oxidao da pentose fosfato nos tecidosno-clorofilados (ver Captulo 11).

Tanto os cloroplastos quanto os plas-tdeos das razes possuem diferentes formasda enzima, contudo ambas as formas con-

FIGURA 12.5 Modelo do acoplamento do fluxo de eltrons da fotossntese, via ferredoxina,com a reduo do nitrito pela nitrito redutase. A enzima nitrito redutase possui dois gruposprostticos, Fe

4S4e heme, os quais participam na reduo do nitrito a amnio.

Luz

Ferredoxina(reduzida)

(Fe4S

4) Heme

Nitrito redutase

e

H+

NO2

Nitrito

NH4

+

Am nioFerredoxina

e

(oxidada)

Reao luminos ada fotossntese

100

80

60

40

20

0 4 8 12 16 20 24

5

10

15

20mRA

nas razes

mRA nas

partes areas

Nitrato redutase nas razes

Tempo Aps a induo (horas)

Nitratoredutasenas partesareas

NvesRelativosdomRNA

da

nitratoredutase(%)

Atividadedanitratoredutase

(molgmf1

h1)


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6 Captulo 12

indicado pela proporo da atividade da nitrato redutase emcada um dos dois rgos ou pelas concentraes relativas donitrato e do nitrognio reduzido na seiva do xilema varia deespcie para espcie.

Nas plantas como o cardo (Xanthium strumarium), o me-tabolismo dos nitratos restrito s partes areas; em outrasplantas, como o tremoo branco (Lupinus albus), a maior partedo nitrato metabolizado nas razes (Figura 12.6); Em geral, asespcies nativas de regies de clima temperado dependem maisintensamente da assimilao do nitrato pelas razes do que asespcies das regies tropicais e subtropicais.

ASSIMILAO DO AMNIOAs clulas vegetais evitam a toxicidade do amnio pela rpida

converso do amnio gerado a partir da assimilao do nitrato ouda fotorrespirao (ver Captulo 8) em aminocidos. A principal viapara esta converso envolve a ao seqencial da glutamina sin-tetase e da glutamato sintase (Lea e cols., 1992). Nesta seo serodiscutidos os processos enzimticos responsveis pela assimilaodo amnio em aminocidos essenciais, alm do papel das amidasna regulao do metabolismo do nitrognio e do carbono.

A converso do amnio em aminocidos requer duasenzimas

A glutamina sintetase (GS) combina o amnio com o gluta-mato para formar a glutamina (Figura 12.7A):

Glutamato + NH4+ + ATP

Glutamina + ADP +Pi (12.3)

Esta reao necessita a hidrlise de uma molcula de ATP eenvolve um ction bivalente, como o Mg2+, Mn2+ ou Co2+comoco-fator. As plantas possuem duas classe de GS, uma no citosole a outra nos plastdeos das razes ou nos cloroplastos das partesareas. As formas citoslicas so expressas durante a germinaode sementes ou no feixe vascular das razes e partes areas, pro-duzindo glutamina para o transporte do nitrognio intracelular.A GS nos plastdeos das razes forma o nitrognio amida que consumido localmente, enquanto que a GS dos cloroplastos daspartes areas reassimila o NH

4+da fotorrespirao (Lam e cols.,

1996). Tanto os nveis de carboidratos quanto os de luz alteram aexpresso das formas dessa enzima presentes nos plastdeos, masapresentam pouco efeito nas formas citoslicas.

Os nveis elevados de glutamina nos plastdeos estimulam

a atividade da glutamoto sintase (conhecido como glutaminas:2-oxoglutarato aminostransferase, ou GOGAT). Essa enzimatransfere o grupo amida da glutamina para o 2-xooglutarato,produzindo duas molculas de glutamto (ver Figura 12.7A). Asplantas possuem dosi tipos de GOGAT: um recebe eltrons doNADH, e o outro eltrons da ferredoxina (Fd):

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Nitrognio nos exsudados do xilema (%)

Nitrato Amidas

UredasAminocidos

Cardo

Stellaria media

Trevo branco

Aveia

Milho

Impatiens

Girassol

Cevada

Feijo

Fava

Ervilha

Rabanete

Tremoo branco

Perilla fruticosa

FIGURA 12.6 Quantidade relativas de nitrato e outros compostos nitro-genados do exsudados do xilema de vrias espcies vegetais. As plantasforam cultivadas com as suas razes expostas a solues de nitrato e aseiva do xilema foi coletada por rompimento do caule.Observe a presena de uredas, compostos nitrogenados especializados, emfeijo e ervilha (que ser discutido posteriormente no texto) (Pate, 1983).

A enzima do tipo NADH (NADH-GOGAT) est localizada

nos plastdeos de tecidos no-fotossintticos como razes oufeixes vasculares de folhas em desenvolvimento. Nas razes aNADH-GOGAT est envolvida na assimilao do NH

4+absor-

vido da rizosfera (poro do solo localizado prximo a superfciedas razes), enquanto que, nos feixes vasculares de folhas emdesenvolvimento, a NADH-GOGAT assimila a glutamina trans-locada das razes ou das folhas senescentes.

A glutamato sintase do tipo ferredoxina-dependente (Fd-GO-GAT) encontrada nos cloroplastos e age no metabolismo fotor-respiratrio do nitrognio. Tanto a quantidade da protena quantoa sua atividade aumentam com os nveis de luz. As razes, emparticular naquelas sob nutrio com nitrato, tm Fd-GOGAT nosplastdeos. Provavelmente, a finalidade da Fd-GOGAT das razes seja

incorporar a glutamina gerada durante a assimilao do nitrato.

O amnio pode ser assimilado atravs de uma rota alternativa

A glutamato desidrogenase (GDH) catalisa uma reao re-versvel que sintetiza ou desamina o glutamato (Figura 12.7B):

2-Oxoglutarate + NH4++ NAD(P)H

gluatamato + H2O + NAD(P)+ (12.6)

Uma forma NADH-dependente do GDH encontrada nasmitocndrias e uma forma NADPH-dependente ocorre nos clo-roplastos de rgos fotossintticos. Embora ambas as formas

sejam relativamente abundantes, elas no podem substituir arota da GS-GOGAT para a assimilao do omnio, tendo comofuno principal desanimar o glutamato (ver figura 12.7B).

Glutamina + 2-oxoglutarato + NADH + H+2 glutamato + NAD+ (12.4)

Glutamina + 2-oxoglutarato + Fdred

2 glutamato + Fd

ox (12.5)


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Figura 12.7 Estrutura e rotas de sntese de compostos envolvidos no metabolismo do amnio. O amnio pode ser assimilado por um dos vrios pro-cessos. (A) A rota da GS-GOGAT que forma a glutamina e glutamato. necessrio um co-fator reduzido para a reao: ferrodoxina nas folhas verdes

e o NADH nos tecidos no-fotossintticos. (B) A rota do GDH que forma o glutamato, utilizando o NADH ou o NADPH como um reagente redutor.(C) Transferncia do grupo amino do glutamato para o oxalacetato para formar o aspartato (catalisado pela enzima aspartato aminotransferase) . (D)Sntese da asparagina pela transferncia de um grupo aminocido da glutamina para o aspartato (catalisada pela enzima asparagina sintetase).

(A)

(B)

(C)

(D)

GlutaminasintetaseCOOH

HC NH2

CH2

CH2

C

O

O+

Amnio

NH4

+

Glutamato

(GS)

ATP ADP+P

i

Glutamina 2-Oxoglutarato

COOH

HC NH2

CH2

CH2

C

O

NH2

+

COOH

O

C

CH2

CH2

C O

O

Glutamato

sintase

(GOGAT)

COOH

CH2

C

O

CH2

HC NH2

COOH

HC NH2

CH2

CH2

OC

O

NADH + H+

+

ouFd

red Fdox

2 Glutamatos

O

NAD+

ou

COOH

C O

CH2

CH2

C O

O

+

Amnio

NH4+

Glutamatodesidrogenase

(GDH)COOH

HC NH2 + H2O

O

CH2

CH2

C O

2-Oxoglutarato Glutamatos

NAD(P)H NAD(P)+

COOH

HC NH2 +

CH2

CH2

C O

O

Glutamato Oxalacetato Aspartato 2-Oxoglutarato

COOH

C O

CH2

C O

O

Aspartatoaminotransferase

Asp-AT

NH2C

CH2

C O

COOH

O

COOH

CH2

CH2

C O

O

C O

Asparaginasintetase

(AS)

NH2

COOH

HC NH2 +

CH2

CH2

C

O

COOH

C NH2

CH2

C O

Glutamina Aspartato Asparagina Glutamato

ATP ADP+

PPi

COOH

HC NH2 +

CH2

NH2

C

O O

COOH

HC NH2

CH2

CH2

C O

O


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8 Captulo 12

As reaes de transaminao transferem o nitrognio

Uma vez assimilado em glutamina e glutamato, o nitrognio

incorporado em outros aminocidos por meio de reaes de trans-aminao. As enzimas que catalisam tais reaes so conhecidascomo aminotransferases. Um exemplo o aspartato aminotrans-ferase (Asp-AT), que catalisa a seguinte reao (Figura 12.7C):

Glutamato + oxalacetato aspartato + 2-oxoglutarato (12.7)

no qual o grupo amino do glutamato transferido para o tomocarboxil do aspartato. O aspartato um aminocido que participado transporte malato-aspartato, no processo de transferncia deequivalentes redutores das mitocndrias e cloroplastos para o cito-sol (ver Captulo 11) e no transporte do carbono a partir das clulasdo mesofilo at a bainha do feixe vascular no processo de fixaoC4 do carbono (ver Captulo 8). Todas as reaes de transamina-

o requerem o piridoxal fosfato (vitamina B6) como co-fator.As aminotransferases so encontradas no citoplasma, nos

cloroplastos, nas mitocrndrias, nos glioxissomos e nos peroxis-somos. As aminotransferases localizadas nos cloroplastos podemdesempenhar um importante papel na biossntese dos amino-cidos, pois folhas ou cloroplastos isolados expostos ao dixidode carbono marcado radiotivamente, incorporam com rapidez amarca em glutamato, aspartato, alanina, serina e glicina.

A asparagina e a glutamina unem o metabolismo docarbono e do nitrognio

A asparagina, isolada pela primeira vez do aspargo em1806, foi a primeira amida a ser identificada (lam e cols. 1996).Esse aminocido no atua apenas como um precursor de prote-na, mas como um elemento-chave no transporte e no armaze-namento do nitrognio, devido sua estabilidade a alta razonitrognio:carbono (2N para 4C da asparagina, contra 2N para5C da glutamina e 1N para 5C do glutamato).

A principal rota para a sntese da asparagina envolve a tran-ferncia do nitrognio amida da glutamina para a asparagina(Figura 12.7D):

Glutamina + aspartato + ATP asparagina + glutamato + AMP + PP

i (12.8)

A asparagina sintetase (AS), a enzima que catalisa esta

reao, encontrada no citosol das clulas das folhas e razes enos ndulos que fixam o nitrognio (ver a aproxima seo). Emrazes de milho, , sobretudo aquelas sob nveis potencialmentetxicos de amnia, o amnio pode substituir a glutamina comofonte do grupo amina (Sivankar e Oaks, 1996).

Altos nveis de luz e carboidratos condies que estimulama GS e a Fd-GOGAT dos plastdeos inibem a expresso dosgenes que codoficam AS e a atividade da enzima. A regulaoantagnica dessas rotas competitivas auxilia no balano do me-tabolismo do carbono e do nitrognio nos vegetais (Lam e cols.,1996). As condies de ampla energia (i. , com altos nveis deluz e de carboidratos) estimulam a GS e a GOGAT, inibem a ASe assim favorecem a assimilao do nitrognio em glutamina eem glutamato, compostos ricos em carbono e que participam na

sntese de novos compostos nos vegetais.Por comparao, em condies limitadas de energia ocorre ainibio da GS e da GOGAT e a estimulao da AS, resultando na

assimilao favorvel do nitrognio em asparagina, um compostorico em nitrognio e suficientemente estvel para ser transporta-do em longas distncias e armazenado por muito tempo.

FIXAO BIOLGICA DO NITROGNIO

A fixao biolgica representa a forma mais importante defixar o nitrognio atmosfrico N2 em amnio, representando,assim, o ponto-chave do ingresso do nitrognio molecular no ci-clo biogeoqumico do nitrognio (ver Figura 12.1). Nesta seo,sero abordadas as propriedades das enzimas nitrogenases,responsveis pela fixao do nitrognio, as reaes simbiontesentre organismos fixadores do nitrognio e plantas superiores, aformao de estruturas especializadas nas razes infectadas porbactrias fixadores de nitrognio pelos procariontes simbiontese seus hospedeiros.

Bactrias fixadoras de nitrognio de vida livre esimbiontes

Conforme j mencionado, certas bactrias podem converter onitrognio atmosfrico em amnio (Tabela 12.2). A maior partedesses organismos procariontes fixadores de nitrognio tem vidalivre no solo. Poucos formam associaes simbiontes com plantassuperiores, nas quais o procarionte fornece diretamente plantahospedeira o nitrognio fixado em troca de outros nutrientes ecarboidratos (Tabela 12.2). Tais simbioses ocorrem nos ndulosformados nas razes dos vegetais contendo bactrias fixadoras.

O tipo mais comum de simbiose ocorre entre as espcies dafamlia Leguminosaee as bactrias de solo dos gnerosAzorhi-

zobium, Bradyrhizobium, Photorhizobium, Rhizobium e Sino-rhizobium (coletivamente chamados rizbios; Tabela 12.3 eFigura 12.8). Outro tipo comum de simbiose ocorre entre vriasespcies de plantas lenhosas, como rvores do gneroAlnus, ebactrias do solo do gnero Frankia. Podem ser encontrados,ainda, outros tipos de associaes entre herbceas da Amricado Sul do gnero Gunnerae pteridfitas do gneroAzolla, asquais formam associaes com cianobactrias Nostoc e Ana-baena, respectivamente (ver Tabela 12.2 e Figura 12.9).

A fixao do nitrognio requer condies anaerbicas

Em decorrncia da irreversvel inativao que o oxignio provo-ca na enzima nitrogenase, envolvida na fixao do nitrognio, estedeve ser fixado sob condies anaerbicas. Assim, cada organis-mo fixador de nitrognio listado na Tabela 12.2 funciona em condi-es naturais de ausncia de oxignio ou desenvolve condiesinternas de anaerobiose, mesmo na presena do oxignio.

Nas cianobactrias, as condies de anaerobiose so criadasem clulas especializadas denominadas heterocistos (ver Figura12.9). Os heterocistos so clulas com paredes espessadas,que se diferenciam quando as cianobactrias filamentosas soprivadas do NH4+. Tais clulas no apresentam o fotossistemaII, o qual produz o oxignio nos cloroplastos (ver Captulo 7); as-sim, elas no produzem oxignio (Burris, 1976). Os heterocistos

parecem representar uma adaptao para que ocorra a fixaodo nitrognio, sendo largamente encontrados entre as cianobac-trias aerbicas fixadoras do nitrognio.


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TABELA 12.3Associaes entre plantas hospedeiras e rizbios

Planta hospedeira Rizbios simbiontesParasponia(no-leguminosa, antigamentechamada de Trema)

Bradyrhyzobiumspp.

Soja (Glycine max) Bradyrhyzobium japonicum(tipo com crescimento lento)

Sinorhizobium fredii(tipo com crescimento rpido)

Alfafa (Medicago sativa) Sinorhizobium meliloti

Sesbania(aqutica) Azorhizobium(forma ndulos nas razes e no caule; no caule se desenvolvemrazes adventcias)

Feijo (Phaseolus) Rhizobium leguminosarumbv. phaseoli; Rhizobium tropicii; Rhizobium etli

Trevo (Trifolium) Rhizobium leguminosarumbv. trifolii

Ervilha (Pisum sativum) Rhizobium leguminosarumbv. viciae

Aeschenomene(aqutica) Photorhizobium (rizbios fotossinteticamente ativos, que formam ndulos no caule,provavelmente associados a razes adventcias)

TABELA 12.2Exemplos de organismos que podem realizar a fixao do nitrognio

Fixao simbionte do nitrognio

Planta hospedeira Fixao simbionte de N

Legumes: leguminosas e Parasponia Azorhizobium, Bradyrhizobium, Photorhizobium, Rhizobium,Sinorhizobium

Actinorrzicas:Alnus(rvore), Ceanothus(arbusto), Ca-suarina(rvore), Datisca(arbusto)

Frankia

Gunnera Nostoc

Azolla(pteridfita aqutica) Anabaena

Cana-de-acar Acetobacter

Fixadores de nitrognio de vida livre

Tipo Gneros fixadores de N

Cianobactrias (algas azuis-esverdeadas) Anabaena, Calothrix, NostocOutras bactrias

Aerbicas Azospirillum, Azotobacter, Beijerinckia, Derxia Bacillus Klesbsiella

Facultativas Bacillus Klebsiella

Anaerbicas

No-tossintetizantes Clostridium, Methanococcus(Archaebacteria)

Fotossintetizantes Chromatium, Rhodospirillum

As cianobactrias podem fixar o nitrognio em condies deanaerobiose, como aquelas encontradas em campos alagados. Nospases asiticos, ambos os tipos de cianobactrias fixadoras do ni-trognio, com ou sem os heterocistos, representam o princ ipalmodo de manuteno de um suprimento adequado de nitrogniono solo das plantaes de arroz. Esses microrganismos fixam onitrognio quando os campos esto alagados e morrem quandosecam, liberando o nitrognio fixado para o solo. Uma outra fonteimportante de nitrognio em campos alagados cultivador com ar-

roz a pteridfita aquticaAzolla, a qual se associa com a ciano-bactriaAnabaena. A associaoAzolla-Anabaenapode fixar 0,5Kg de nitrognio atmosfrico por hectare/dia, uma taxa de fertil-izao suficiente para manter uma lavoura de arroz.

As bactrias de vida livre, capazes de fixar nitrognio, podemser aerbicas, facultativas ou anaerbicas (ver Tabela 12.2)

Bactrias aerbicas fixadoras de nitrognio, como a Azoto-bacter, mantm condies reduzidas de oxignio (condies


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10 Captulo 12

microaerbicas) por meio das suas altas taxas de respirao(Burris, 1976). Outras, como a Gloeothece, liberam o O2 fo-tossinttico durante o dia e fixam o nitrognio durante a noite.

Organismos facultativos capazes de crescer sob condi-es aerbicas e anaerbicas, geralmente fixando o nitro-gnio somente sob condies anaerbicas.

Para as bactrias anaerbicasfixadoras de nitrognio, o

oxignio no representa um problema, pois est ausenteno ambiente. Tais organismos podem ser tanto fotossin-tetizantes (como Rhodospirillum) quanto no-fotossinte-tizantes (como Clostridium).

A fixao simbionte do nitrognio ocorre em estrututasespecializadas

Os organismos procariontes simbiontes fixadores de nitrognioocorrem no interior de ndulos, rgos especiais da planta hospe-deira que contm as bactrias fixadoras (ver Figura 12.8). No casodo gnero Gunnera, esses rgos ocorrem em glndulas do caule,

que se desenvolvem independentemente do organismo simbionte.No caso das leguminosas e das plantas actinorrzicas, as bactriasfixadoras de nitrognio induzem a formao de ndulos nas razes.

As gramneas tambm podem desenvolver relaes simbi-ontes com organismos fixadores de nitrognio, mas nessas as-sociaes os ndulos no so produzidos. No caso, a bactria

fixadora de nitrognio coloniza os tecidos do vegetal ou se an-cora na superfcie da raiz, principalmente prximas da zona dealongamento e dos plos radiculares (ver Glossrio) (Reis e cols.,2000). Por exemplo, a bactria fixadora de nitrognio Aceto-bacter diazotrophicusvive no apoplasto dos tecidos do caule decana-de-acar e pode suprir o seu hospedeiro com nitrogniosuficiente para garantir a sua independncia de fertilizantes ni-trogenados. (Dong e cols., 1994). O potencial para aplicao de

Azospirillumem milho e em outros gros tem sido explorado,porm esse organismo parece fixar pouco nitrognio quandoassociado a plantas (Vande Broek e Vanderleyden, 1995).

As plantas leguminosas e actinorrzicas regulam a permea-bilidade dos gases nos seus ndulos, mantendo ali um nvel deoxignio que pode sustentar a respirao, mas suficientemente

baixo para evitar a inativao da nitrogenase (Kuzma e cols.,1993). A permeabilidade gasosa aumenta na luz e decresce sobcondies de seca ou exposio ao nitrato. O mecanismo deregulao da permeabilidade gasosa ainda no conhecido.

Os ndulos possuem uma heme protena que se liga aooxignio chamada de leg-hemoglobina, a qual est presenteem altas concentraes (700 M nos ndulos de soja) no ci-toplasma das clulas infectadas do ndulo, conferindo a essesndulos uma cor rosada. A planta hospedeira produz a poroglobina da leg-hemoglobina em resposta infeco pela bactria(Marschner, 1995); a bactria simbionte produz a poro heme.A leg-hemoglobina apresenta uma alta afinidade pelo oxignio(K

mde aproximadamente 0,01 M), cerca de 10 vezes mais alta

do que a cadeia da hemoglobina humana.Embora se acreditasse que a leg-hemoglobina agisse como

um tampo para o oxignio do ndulo, estudos recentes indi-cam que ela armazena uma quantidade suficiente de oxigniopara a manuteno da respirao nodular por poucos segundos(Denison e Harter, 1995). Sua funo auxiliar o transporte dooxignio para a respirao das clulas bacterianas simbiticas,de maneira anloga ao transporte de oxignio realizado pela he-moglobina nos tecidos dos animais (Ludwig e de Vries, 1986).

O estabelecimento da simbiose requer uma troca desinais

A simbiose entre as leguminosas e os rizbios no ob-rigatria. As plntulas de leguminosas desenvolvem-se semqualquer associao com rizbios e podem permanecer em talcondio durante todo seu ciclo de vida. Os rizbios tambmocorrem como organismos de vida livre no solo. Entretanto, sobcondies limitantes de nitrognio, os simbiontes procuram unsaos outros, por meio de uma elaborada troca de sinais. A sina-lizao, o processo de infeco e o desenvolvimento de ndu-los fixadores de nitrognio envolvem genes especficos tanto daplanta hospedeira quanto dos simbiontes.

Os genes vegetais especficos de ndulos so denominadosgenes nodulinos (Nod), enquanto que os genes dos rizbiosparticipantes da formao dos ndulos so chamados de genes denodulao(nod) (Heidstra e Bisseling, 1996). Os genes nodso

classificados de nodgerais e genes nodhospedeiro-especfico. Osgenes nod gerais nodA, nodBe nodC so encontrados emtodas as cepas de rizbios, enquanto os genes nodhospedeiro-es-


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pecfico Como nodP, nodQenodH, ou os nodF, nodEenodL,diferem entre as espcies de rizbios e determinam o tipo de hospe-deiros. Somente um dos genes nod, o gene regulador nodD, con-stitutivamente expresso e, como ser explicado em detalhe, o seuproduto proteco (NodD) regula a transcrio de outros genes nod.

O primeiro estdio no estabelecimento da relao simbionteentre a bactria fixadora de nitrognio e seu hospedeiro a mig-rao da bactria em direo as razes da planta hospedeira. Estamigrao uma resposta quimiottica, mediada por atrativos

qumicos, em especial (isso)flavonides e betanas, secretadospelas razes. Tais atrativos ativam a protena do rizbio NodD, aqual induz a transcrio de outros neges nod (Phillips e Kapulnik,1995). A regio promotora de todos os operons nod, exceto ado nodD, possui seqncias altamente conservadas chamadasde nod box. A ligao da NodD ao nod box induz a transcriode outros neges nod.

Os fatores Nod produzidos pela bactria atuam comosinalizadores para a simbiose

Os genes nod ativados pelo NodD codificam as protenas denodulao, cuja maioria est envolvida na biossntese dos

fatoresNod, os quais so molculas sinalizadoras oligossacardeos delipoquitina, que apresentam uma quitina -14 ligada a um es-queleto N-acetil-D-glicosamina (variando em comprimento detrs a seis unidades de acar), alm de uma cadeia acil lipdica naposio C-2 do acar no-redutor (Figura 12.10).

Trs dos genes nod (nodD e nodC) codificam as enzimas(NodA, NodB e NodC, respectivamente) necessrias sntesedessa estrutura (Stokkermans e cols., 1995):

1. A NodA uma N-aciltransferase que catalisa a adio dacadeia acil lipdica.

2. A NodB uma desacetilase quitina-oligossacardeo que re-move o grupo acetil de um acar terminal no-redutor.

3. A NodC uma sintase quitina-oligossacardeo que liga osmonmeros de N-acetil-D-glicosamina.

Os genes nod hospedeiro-especficos que variam entre asespcies de rizbios esto envolvidos na modificao das cadeiaacil lipdica ou na adio de grupos importantes na determina-o da especificidade do hospedeiro (Carlson e cols., 1995):

NodE e NodF determinam o comprimento e o grau de satu-rao da cadeia acil lipdica; aquelas de Rhizobium legumino-sarumbv. Viciaee R. melilotiresultam na sntese de gruposacil lipdicos de 18:4 e 16:2, respectivamente (rever o Cap-

tulo 11, onde o numero que antecede os dois pontos indica onmero total de carbonos na cadeia acil lipdica, enquanto onmero posterior indica o nmero de ligaes duplas).

Outras enzimas, como NodL, influenciam a especificida-de do hospedeiro aos fatores Nod pela adio de substi-tuies especficas nas pores dos acares redutores eno redutores do esqueleto de quitina.

FIGURA 12.9 Um filamento de cianobactria fi-xadora de nitrognio (Anabaena) com um herero-cisto. O heterocisto com paredes espessas, inter-

calado entre as cluloas vegetativas, possui umambiente interno anaerbico que permite ciano-bactria fixar nitrogncio em condies aerbicas(Paul W. Johnson/Biological Photo Service)

FIGURA 12.10 Os fatores Nod so oligossacardeos de lipoquitina. A

cadeia de cido graxo apresenta normalmente de 16 a 18 carbonos. Onmero de sesses intermedirias repetidas (n) geralmente dois a trs(segundo Stokkermans e cols., 1995)

CH2OH

Hidrognio, Sulfato,

fucose ou 2-O-metilfucose

Hidrognioou glicerol

cido graxo

CH2OH CH

2

HO

HO NH HO

O

O

O

O

N

C

CH3

OO

O

O

HO N

CH3

C

n

O


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12 Captulo 12

Uma elguminosa hospedeira em particular responde a umfator Nod especfico. Os receptores da leguminosa para os fa-tores Nod parecem ser lectinas especiais (protena de ligao

a acar), produzidas nos plos radiculares (van Rhijn e cols.,1998; Etzler e cols., 1999). Os fatores Nod ativam estas lec-tinas, aumentando a hidrlise de ligaos fosfoanididrida dosnucleosideos de e trifosfato. Tal ativao da lectina direcionaos rizbios especficos aos hospedeiros apropriados e facilita aligao dos rizbios parede celular do plo radicular.

A formao do ndulo envolve vrios fitormnios

Os dois processos infeco e organognese do ndulo ocor-rem simultaneamente durante a formao do ndulo da raiz. Du-rante o processo de infeco, os rizbios que esto ligados aos plosradiculares liberam os fatores Nod, que induzem um pronunciado e

enrolamento das clulas do plo (Figura 12.11 A e B). Os rizbiostornam-se envolvidos por um pequeno compartimento, formandopelo enrolamento. A parede celular do plo radicular tambm degradada nessas regies em resposta aos fatores Nod, permitindoque as clulas bacterians acessam diretamente superfcie externada membrana plasmtica (Lazarowitz e Bisseling, 1997).

A prxima etapa a formao de um canal de infeco(Figura 12.11 C), uma extenso interna tubular da membranaplasmtica, que produzida pela fuso de vesculas derivadasdo Gogi no local da infeco. O canal cresce no seu pice pelafuso de vesculas secretoras na extremidade do tubo. Na regiomais profunda do crtex, prximo ao xilema, as clulas cortic-ais desdiferenciam-se e iniciam a diviso, formando uma readistinta no crtex, denominadaprimrdio nodular,a partir doqual o ndulo ir se desenvolver. Os primrdios nodulares soformados opostos aos plos do protoxilema do feixe vascular daraiz (Timmers e cols., 1999) (ver Tpico 12.1 na Internet).

Diferentes compostos de sinalizao, atuando positiva ounegativamente, controlam a posio do primrdio nodular. Onucleosdeo uridina difunde-se do estelo para o crtex, na zonado protoxilema da raiz e estimula a diviso celular (Lazarowitz eBisseling, 1997). O etileno sintetizado na regio do periciclo,difunde-se para o crtex e bloqueia a diviso celular no plooposto ao floema da raiz.

O canal de infeco, preenchido pelos rizbios em prolif-erao, alonga-se atravs do plo radicular e das camadas declulas corticais, em direo ao primrdio nodular. Quando o

canal de infeco atinge as clulas especializadas no ndulo,sua extremidade fusiona-se com a membrana plasmtica da c-lula hospedeira, liberando clulas bacterianas envoltas por umamembrana derivada da membrana plasmtica da clula hospe-deira (ver figura 12.11D). A ramificao do canal de infecodentro dos ndulos permite a bactria infectar muitas clulas(ver figura 12.11E e F)(Maylona e cols., 1995).

Inicialmente, as bactrias continuam a se dividir e a mem-brana que as envolve aumenta em superfcie para acomodaresse crescimento pela fuso com vesculas menores. Logo aps,a partir de um sinal da planta, as bactrias param de se dividire comeam a aumentar em tamanho e a se diferenciarem emorganelas endossimbiticas fixadoras de nitrognio denomina-das bactereriides. A membrana que envolve os bacteriides

chamada de membrana peribacteriide.O ndulo como um todo desenvolve caractersticas semel-hantes a um sistema vascular (o qual facilita a troca de nitrognio

fixado produzido pelos bacteriides por nutrientes disponibilizadospela planta) e uma camada de clulas para excluir o O

2do interior

do ndulo da raiz. Em algumas leguminosas de clima temperado(p. ex., ervilhas), os ndulos so alongados e cilndricos, devido presena de um meristema nodular. Os ndulos de leguminosastropicais, como soja e amendoim, no apresentam um meristemapersistente, alm de serem esfricos (Rolfe e Gresshoff, 1988).

O complexo da enzima nitrogenase fixa o N2

A fixao biolgica do nitrognio, semelhante fixao in-dustrial do nitrognio, produz amnia a partir do nitrognio mo-lecular. A reao geral :

N2 + 8 e- + 8 H+ +16 ATP2 NH

3+ H

2+ 16 ADP + 16 P

i (12.9)

Observe que a reduo do N2a 2NH

3, uma transferncia de

seis eltrons, est associada reduo de dois prtons para formarH

2. O complexo da enzima nitrogenase catalisa essa reao.O complexo da enzima nitrogenase pode ser separado em

dois componentes a Fe-protena e a MoFe-protena , nen-huma delas com atividade cataltica prpria (Figura 12.12):

A Fe-protena a menor dos dois componentes e apre-senta duas subnidades idnticas de 30 a 72 kDa cada,

dependendo do organismo. Cada subunidade contmum grupo ferro-enxofre (4 Fe e 4 S2), que participa nasreaes redox envolvidas na converso de N

2em NH

3.

A Fe-protena irreversivelmente inativada por O2com

uma meia-vida caractersitca de 30 a 45 segundos (Dixone Wheeler, 1986).

MoFe-protena apresenta quatro subunidades, com massamolecular total de 180 a 235 kDa, dependendo da esp-cie. Cada subunidade apresenta dois grupos Mo-Fe-S. AMoFe-protena tambm inativada pelo oxignio, com ameia-vida de 10 minutos no ar.

Na reao geral de reduo do nitrognio (ver Figura 12.12),

a ferredoxina atua como um doador de eltrons para Fe-prote-na, a qual, por sua vez, hidrolisa ATP e reduz a MoFe-protena.A MoFe-protena pode, ento, reduzir inmeros substratos (Ta-

FIGURA 12.11 O processo de infeco durante a organognse dondulo. (A) Os rizbios ligam-se a um plo radicular em formao,em resposta a atrativos qumicos liberados pela planta. (B) Em res-posta aos fatores produzidos pela bactria, o plo radicular apresen-ta um enrolamento anormal e as clulas dos rizbios crescem dentrodos enrolamentos. (C) A degradao localizada da parede celular doplo radicular leva infeco e formao do canal de infeco apartir das vesculas secretoras do Golgi das clulas da raiz. (D) Ocanal de infeco atinge a extremidade da clula e sua membranafusiona-se com a membranaplasmtica da clula do plo radicular.(E_ Os rizbios so liberados no apoplasto e penetram no complexoda lamela mdia da membrana plasmtica da clula suepidrmica,iniciando um novo canal de infeco, o qual forma um canal abertocom o primeiro. (F_ O canal de infeco estende-se e se ramifica atatingir as clulas-alvo, onde as vesculas constitudas por membranasdo vegetal, contendo bactrias, so liberadas no citosol.


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bela 12.4), embora, sob condies naturais, ela reaja somentecom N

2e H+. Uma das reaes catalisadas pela nitrogenase, a

reduo do acetileno a etileno, usada para estimar a atividadeda nitrogenase (ver Tpico 12.2 na Internet).

O balano energtico da fixao do nitrognio complexo.A produo de NH

3a partir de N

2e H

2 uma reao exergni-

ca (ver Captulo 2 na Internet) para uma discusso de reaesexergnicas), com um G (mudana na energia livre) de 27kJ mol1. Entretanto, a produo industrial de NH

3a partir de

N2 e H

2 endergnica, necessitando-se um grande input de

energia, devido energia de ativao necessria para quebrara ligao tripla do N2

Pela mesma razo, a reduo enzimticado N

2pela nitrogenase tambm requer um grande investimento

de energia (ver Equao 12.9), embora as mudanas exatas naenergia livre ainda sejam desconhecidas.

Clculos baseados no metabolismo de carboidrato de legumi-nosas indicam que a planta consome 12 g de carbono orgnicopor grama de N

2fixado (Heytler e cols., 1984). Com base na

Equao 12.9, o Gpara a reao geral da fixao biolgicado nitrognio cerca de 200 kJ mol1. Visto que a reao total altamente exergnica, a produo de amnio limitada pelaao lenta (nmero de molculas de N

2reduzida por unidade de

tempo) do complexo nitrogenase (Ludwig e de Vries, 1986).

Sob condies naturais, quantidades substanciais de H+so re-duzidas ao gs H2. Este processo pode competir com a reduo do

N2pelos eltrons da nitrogenase. Nos rizbios, 30 a 60% da en-


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14 Captulo 12

ergia fornecida para a nitrogenase podem ser perdidos como H2,

diminuindo a eficincia da fixao do nitrognio. Alguns rizbios,entretanto, contm hidrogenase, uma enzina que pode clivar o H

2

formado e gerar eltrons para a reduo do N2, aumentando, as-

sim, a eficincia da fixao do nitrognio (Marschner, 1995).

Amidas e uredas so formas transportadas de nitrognio

Os organismos procariontes simbiticos fixadores de ni-trognio liberam amnia que, para evitar a toxidade, deve serrapidamente convertida em formas orgnicas nos ndulos da raiz,antes de serem transportadas pelo xilema para a parte area.As leguminosas fixadoras de nitrognio podem ser divididas emexportadoras de amidas ou exportadoras de uredas, com basena composio da seiva do xilema. As amidas (principalmente osaminocidos asparagina e glutamina) so exportadas por legu-minosas de regies temperadas, tais como ervilha (Pisum), trevo(Trifolium), fava (Vicia) e lentilha (Lens).

As uredas so exportadas por leguminosas de origem tropi-cal, tais como a soja (Glycine), o feijo (Phaseolus), o amendoim(Arachis) e a Vigna. As trs uredas principais so alantona, cidoalantico e citrulina (Figura 12.13). A alantona sintetizada nosperoxissomos a partir do cido rico, enquanto o cido alantico sintetizado a partir da alantona no retculo endoplasmtico. O local

de sntese da citrulina a partir do aminocido ornitina no foi aindadeterminado. Os trs compostos so liberados no xilema e trans-portados para a parte area, onde so rapidamente catabolizados aamnio. Esse amnio entra na rota de assimilao j descrita.

ASSIMILAO DE ENXOFRE

O enxofre est entre os elementos mais versteis dos or-ganismos vivos (Hell, 1997). As pontes dissulfdicas em pro-tenas exercem funes estruturais e reguladoras (ver Captulo8). O enxofre participa no transporte de eltrons por meio dosgrupos ferro-enxofre (ver Captulos 7 e 11). Os stios catalticosde vrias enzimas e co-enzimas, tais como urease e coenzimaA, contm enxofre. Os metablitos secundrios (compostosque no esto envolvidos nas vias primrias de crescimentoe de desenvolvimento) que contm enxofre variam desde osfatores Nod rizobiais, discutidos na seo anterior, ao anti-sp-tico alina encontrado no alho e ao anticarcinognico sulfora-fano, presente no broclis.

A versatilidade do enxofre deriva, em parte, da propriedadeque apresenta em comum com o nitrognio: mltiplos estadosestveis de oxidao. Nesta seo, sero discutidas as etapasenzimticas que participam da assimilao do enxofre e as rea-es bioqumicas que catalisam a reduo do sulfato em doisaminocidos contendo enxofre, cistena e metionina.

O sulfato a forma de absoro de enxofre nos vegetais

A maioria do enxofre nas clulas de vegetais superiores de-riva do sulfato (SO42) absorvido via um transportador H+SO

42

do tipo simporte (ver Captulo 6), a partir da soluo do solo.O sulfato no solo proveniente sobremaneira do desgaste dasrochas. No entanto, a industrializao acrescenta uma fonteadicional de sulfato: a poluio atmosfrica. A queima e com-bustveis fsseis libera vrias formas de enxofre gasoso, inclu-indo dixido de enxofre (SO

2) e sulfeto de hidrognio (H

2S), os

quais so levados para o solo pela chuva.Quando dissolvido em gua, o SO

2 hidrolisado e trans-

forma-se em cido sulfrico (H2SO

4), um cido forte, que a

principal fonte de chuva cida. As plantas podem, tambm, me-tabolizar o dixido de enxofre, que absorvido na forma gasosaatravs dos estmatos. Entretanto, exposies prolongadas

(mais de oito horas) s altas concentraes atmosfricas do SO2(maiores do que 0,3 ppm) causam extensos danos nos tecidos,devido formao do cido sulfrico.

Figura 12.12 A reao catalisada pela ni-trogenase. A ferrodoxina reduz a Fe-prote-na. Acredita-se que a ligao e a hidrlise doATP Fe-protena provoca uma mudana naconformao dessa protena, o que facilita asreaes redox. A Fe-protena reduz a MoFe-protena e esta ltima reduz o N

2 (Dixon e

Wheeler, 1986 e Buchanan e cols., 2000).

TABELA 12.4Reaes catalisadas pela nitrogenase

N2NH

3Fixao do intrognio molecular

N2O N

2+ H

2O Reduo do xido nitroso

N3 N

2+ NH

3Reduo de azida

C2H2C

2H4

Reduo de acetileno

2H+H2 Produo de H2

ATPADP + Pi

Atividade hidroltica do ATP

Complexo da enzima nitrogenase

Fe-protena MoFe-protena

MoFeox

Produtos2 NH3, H2

SubstratoN

2, 8 H+

MoFered

MoFeoxFered

Feox

Fered

16 ATP 16 ADP

16 Pi

Ferredoxinaox

Ferredoxinared

+


15/23


A assimilao do sulfato necessita da reduo do sulfatoa cistena

A primeira etapa na sntese de compostos orgnicos conten-do enxofre a reduo do sulfato ao aminocido cistena (Figura12.14). O sulfato muito estvel e necessita ser ativado antes quealguma reao subseqente possa ocorrer. A ativao inicia coma reao entre o sulfato e o ATP, para formar 5-adenililsulfato (oqual , algumas vezes, referido como adenosina-5-fosfosulfato eabreviado como APS) e pirofosfato (PPi) (ver Figura 12.14):

SO42+ Mg-ATP APS + PP

i (12.10)

A enzima que catalisa essa reao, ATP sulfurilase, apresen-ta duas formas: a maior encontrada nos plastdeos e amenor,no citoplasma (Leustek e cols. 2000). A reao de ativao en-ergeticamente desfavorvel. Para levar essa reao adiante, os

produtos APS e PPidevem ser convertidos de imediato em out-ros compostos. O PP

i hidrolisado a fosfato inorgnico (P

i) pela

pirofosfatase inorgnica, de acordo com a seguinte reao:

PPi+ H

2O 2 P

i (12.11)

O outro produto, APS, rapidamente reduzido ou sulfatado,sendo predominante a via de reduo (Leustek e cols., 2000).

A reduo do APS um processo de mltiplas etapas,que ocorre exclusivamente nos plastdeos. De incio, A APSredutase, aparentemente, transfere dois eltrons da glutationareduzida (GSH) para produzir sulfito (SO

32):

APS + 2 GSHSO32+ 2 H++ GSSG + AMP (12.12)

Onde GSSG representa a glutationa oxidada. (o SHem GSH e oSSem GSSg representam as pontes S-H e S-S, respectivamente).

A seguir, a sulfito redutase transfere seis eltrons da ferredo-xina (Fd

red) para produzir sulfeto (S2):

SO32+ 6 Fd

redS2+ 6 Fd

ox (12.13)

O sulfeto resultante reage com 0-acetilserina (OAS) para for-mar cistena e acetato. A 0-acetilserina, que reage com o S2, formada na reao catalisada pela serina acetiltransferase:

Serina + Acetil-CoA OAS + CoA (12.14)A reao que produz cistena e acetato catalisada pela

OAS tiol-liase:

OAS + S2cistena + acetato (12.15)

A sulfatao do APS, localizada no citosol, a via alterna-tiva. Inicialmente, a APS quinase catalisa a reao da APS comATP, para formar 3-fosfoadenosina-5 fosfossulfato (PAPS).

APS + ATP PAPS + ADP (12.16)

As sulfotransferases, ento, podem transferir o grupo sulfatodo PAPS para vrios compostos, incluindo colina, brassino-sterides, flavonol, cido glico glicosdeo, glucosinolatos, pep-tdeos e polissacardeos (Leustek e Saito, 1999).

A assimilao do sulfato ocorre principalmente nas folhas

A reduo do sulfato cistena altera o nmero de oxidaodo enxofre de +6 para 4, assim necessitando da transfernciade 10 eltrons. A glutationa, a ferredoxina, o NAD(P)H ou a 0-acetilserina podem atuar como doadores de eltrons em vriospassos da rota metablica (ver Figua 12.14).

Na assimilao do enxofre, as folhas so em geral mais ativas

do que as razes, provavelmente devido ao fato da fotossntese dis-ponibilizar a ferredoxina reduzida e a fotorrespirao gerar a serina,que pode estimular a produo da 0-acetilserina (ver Captulo 8). Oenxofre assimilado nas folhas exportado pelo floema para os lo-cais de sntese proteca (frutos e pices caulinares e radiculares), so-bretudo na forma de glutationa (Bergmann e Rennenberg, 1993):

Figura 12.13 As principaisuredas utilizadas para trans-portar nitrognio a partir doslocais onde sero desamina-dos para fornecer nitrogniopara a sntese de aminoci-dos e nucleosdeos.

A glutationa tambm atua como um sinal que coordena a absorodo sulfato pelas razes e assimilao do sulfato pela parte area.

cido alantico Alantona Citrulina

H2

N

H2N

H

H

H

C

C C

C N

N

O

O

O

OH

O C

HN

NH H

C

C

O

H

N

O

C NH2 H2N C N

H

O

CH2CH2CH2C

H

NH2

COOH

Glicina

Cistena

Glutamato

Glutationa reduzida

O O

C

O

C

C

H H

HN

CH

N H

CH2 SH

O C

CH2

CH2

C

C

O O

HH3N+


16/23

16 Captulo 12

A metionina sintetizada a partir da cistena

A metionina, um outro aminocido contendo enxofre en-contrado nas protenas, sintetizada nos plstideos a partir dacistena (para maiores detalhes ver Tpico 12.3 na Internet).Aps as snteses da cistena e da metionina, o enxofre pode serincorporado nas protenas e em diversos outros compostos, taiscomo a acetil CoA e o S-adenosilmetionina, sendo este ltimoum composto muito importante para a sntese do etileno (verCaptulo 22), e em reaes envolvendo a transferncias de gru-pos metil, como na sntese da lignina (ver Captulo 13).

ASSIMILAO DO FOSFATO

O fosfato (HPO42

) na soluo do solo rapidamente absor-vido pelas razes das plantas por intermdio de um transportadorde H+HPO

42do tipo simporte (ver Captulo 6) e incorporado

em uma variedade de compostos orgnicos, incluindo acaresfosfatos, fosfolipdeos e nucleotdeos. O principal ponto de en-trada do fosfato na via de assimilao ocorre durante a formaodo ATP, a molcula de energia da clula. Nessa reao, o fosfatoinorgnico adicionado ao segundo grupo fosfato da adenosinadifosfato para formar a ligao ster fosfato.

Na mitocndria, a energia para a sntese do ATP provenienteda oxidao do NADH pela fosforilao oxidativa (ver Captulo 11).O ATP tambm sintetizado segundo reaes da fosforilao de-pendente da luz que ocorrem no cloroplasto (ver Captulo 7). Almdestas reaes que ocorrem nas mitocndrias e nos cloroplastos,aquelas que ocontecem no citosol tambm assimilam fosfato.

A gliclise incorpora o fosfato inorgnico no cido 1-3-difos-foglicrico, formando um grupo acil fosfato de alta energia. Estefosfato pode ser doado par ao ADP para formar o ATP, em

uma reao de fosforilao em nvel de substrato (ver Captulo11). Uma vez o fosfato incorporado ao ATP, o grupo fosfatopode ser transferido por intermdio de muitas reaes diferen-

Figura 12.14 Estrutura e rotas metablica dos compostos envolvidos na assimilao do enxofre. A enzima ATP sulforilasecliva o pirofosfato do ATP e o substitui com o sulfato. O sulfeto produzido a partir do APS por reaes que envolvem areduo pela glutationa e ferredoxina. O sulfeto ou tiossuleto reagem com a 0-acetilserina para formar cistena. Fd, ferre-doxina; GSH, glutationa reduzida; GSSG, glutationa oxidada.

AdeninaO

O

O

O

O O

O O

OO

O

O

OH

H H H H

P

P SCH2Sulfotransferase

R-OH 3-Fosfoadenilato

3-Fosfoadenosina-5-fosfossulfato (PAPS) Metablito O-sulfatado

O

O

O OR S

ATP

ADP

H H

ATP

SO42

APS quinase

ATPsulforilase

Adenina

Sulfato PPi

Pirofosfataseinorgnica

2 Pi

H2O

O

H HOH OH

O

O

O

O

O

CH2 P S O

O

APS sulfo-transferase

GSH 5-AMP

COO

CH2

NH

C O

O

CH CH2 S S

O

O

O

NH

C

CH2

CH2

C H

COO

H3N+

No-enzimtico

O

O S

O

GSH GSSG

Sulfito Sulfeto

redutaseSulfito

S2

S-Sulfoglutationa

SH

S2 Acetato

O-Acetilserina

tioliase

CH2

CH COOH

NH2

CistenaO-AcetilserinaSerina

HO CH2

CH

NH2

COOH

Serinaacetiltransferase

Acetil-CoA CoA

CH3

C

O

O CH2

CH COOH

NH2

Adenosina-5-fosfossulfato (APS)

6Fdred 6Fdox


17/23


tes, para formar vrios compostos fosforilados encontrados nasclulas dos vegetais superiores.

ASSIMILAO DE CTIONS

Os ctions absorvidos pelas clulas vegetais formam com-plexos com compostos orgnicos, nos quais o ction se tornaligado ao complexo por ligaes no-covalentes (para discussode ligaes no-covalentes, ver Captulo 2 na Internet). Asplantas assimilam macronutrientes catinicos como potssio,magnsio e clcio, assim como micronutrientes catinicos co-bre, ferro, mangans, cobalto, sdio e zinco.

Nesta seo, sero descritas as ligaes eletrostticas e devalncia coordenada, as quais fazem parte da assimilao devrios ctions que as plantas utilizam como nutrientes e as ex-igncias especiais para a absoro do ferro pelas razes e sua

subseqente assimilao nas plantas.

Os ctions formam ligaes no-covalentes comcompostos de carbono

As ligaes no-covalentes so de dois tipos: ligaes devalncia coordenada e ligaes eletrostticas. Na formaode um complexo de valncia coordenada, vrios tomos deoxignio ou nitrognio de um composto de carbono doam el-trons no-compartilhados para formar uma ligao com o nu-triente catinico. Como resultado, a carga positiva do ction neutralizada.

As ligaes de valncia coordenadaformam-se tipicamenteentre ctions polivalentes e molculas de carbono por exem-plo, complexos entre o cobre e o cido tartrico (Figura 12.15

A) ou entre o magnsio ea clorofila (Figura 12.15B). Os nutrien-tes que so assimilados como exemplo de valncia coordenadaincluem o cobre, o zinco, o ferro e o magnsio. O clcio tam-bm pode formar um complexo de valncia coordenada com o

cido poligaracturnico das paredes celulares (Figura 12.15C).

Figura 12.15 Exemplos de complexos de valncia coordenada. Os complexos de valncia coordenada so formados quandoos tomos de oxignio ou nitrognio, do composto do carbono, doam pares de eltrons no-compartilhados (representados porpontos) para formar uma ligao com o ction. (A) ons cobre compartilham eltrons com os oxignios das hidroxilas do cido tar-trico). (B) ons magnsio compartilham eltrons com os tomos de nitrognios da clorofila a. As linhas tracejadas representam asligaes de valncia coordenada entre eltrons no-compartilhados dos tomos de nitrognio e do ction magnsio. (C) O modelo

de caixa de ovos da interao do cido poligalacturnico, o principal constituinte das pectinas nas paredes celulares, e os onsclcio. Na direita est representado, de forma aumentada, a formao de um complexo de valncia coordenada entre um nico onclcio com os oxignios das hidroxilas dos resduos do cido galacturnico. (Rees, 1977).

(A)

COOH

HC

COOH

HC

H

H

cido tartrico

+ Cu2+

COOH

H

H

COOH

HC

HCCu

Complexo cobre-cido tartrico

(B)

H2C CH

CH3

CH3

C2H

5

N N

N NCH

3

Mg

CH3

CH2

CH2

OCH3H39C20OOC

O C O

Clorofila a(C)

cido poligalacturnico

HO

H

H

HO H

H

H

H

H

H

H

H

OO

Ca

:::

O::

O

:

O

:O:

O O

O

: :

: :

:

:

:

CO2

H

Cadeia do cido poligalacturnico

Os ons clcio somantidos nos espaosentre duas cadeias decido poligalacturnico.

Considera-se que a maiorparte do clcio da paredecelular deve estar ligadodesta forma.


18/23

18 Captulo 12

As ligaes eletrostticas so formadas devido atraode um ction carregado positivamente por um grupo carregadonegativamente, como o carboxilato (COO-) em um composto

de carbono. Ao contrrio da situao das ligaes coordenadas,o ction em uma ligao eletrosttica mantm a sua carga positi-va. Os ctions monovalentes, como o potssio (K+), podem for-mar ligaes eletrostticas com os grupos carboxlicos de muitoscidos orgnicos (Figura 12.16A). Entretanto, grande parte dopotssio que acumulado pelas clulas vegetais e que atua naregulao osmtica e na ativao enzimtica permanece no ci-tosol e nos vacolos como on livre. Os ons divalentes, comoo clcio, formam ligaes eletrostticas com os pectatos (Figura12.16B) e os grupos carboxlicos dos cidos poligalacturnicos(ver Captulo 15).

Em geral, ctions como magnsio(Mg2+) e o Clcio (Ca2+)so assimilados pela formao de complexos de valncia coor-denada e ligaes eletrostticas com aminocidos, fosfolipdeos

e outras molculas carregadas negativamente.

As razes modificam a rizosfera para absorver o ferro

O ferro importante nas protenas ferro-enxofre (ver Cap-tulo 7) e como catalisador de enzimas que participam nas reaesde redox (ver Captulo 5), como aquelas do metabolismo do ni-trognuio aqui discutidas. As plantas obtm o ferro do solo, ondeele est presente primariamente como ferro frrico (Fe3+) em xi-dos como o Fe(OH)2+, Fe(OH)

3e Fe(OH)

4. Em pH neutro, o fer-

ro frrico altamente insolvel. Para que quantidades suficientesdo ferro sejam absorvidas da soluo do solo, as razes necessitamdesenvolver vrios mecanismos para aumentar a solubilidade e adisponibilidade do ferro. Tais mecanismo incluem:

Aumento da solubilidade do ferro frrico pela acidificaodo solo.

Reduo do ferro frrico a forma ferrosa (Fe2+) mais solvel.

Liberao de compostos que formam complexos estveise solveis com o ferro (Marschner, 1995). Rever o Cap-tulo 5, no qual esses compostos so chamados de quelan-tes do ferro (ver Figura 5.2).

Em geral, as razes acidificam o solo ao seu redor. Elas ex-sudam prtons durante a absoro e a assimilao dos ctions,em especial amnio, e liberam compostos orgnicos, como os

cidos mlico e ctrico, que aumentam a disponibilidade do ferroe do fosfato (ver Figura 5.4). A deficincia do ferro estimula aexsudao de prtons pelas razes. Alm disso, as membranasplasmticas da raiz possuem uma enzima, a redutase ferro-quelante, que reduz o ferro frrico forma ferro ferroso, ondeo NADH ou o NADPH servem como doadores de eltrons. Aatividade dessa enzima aumenta sob condies de deficinciade ferro.

Vrios compostos secretados pelas razes formam queladosestveis com o ferro. Os exemplos incluem o cido malico, ocido ctrico, os fenlicos e o cido piscdico. As gramneas pro-duzem uma classe especial de quelantes do ferro denominadasdefitosiderforos. Os fitosiderforos so constitudos por ami-nocidos que no so encontrados nas protenas, como cido

muginico, por exemplo, e formam complexos estveis com oFe3+. As clulas das razes das gramneas possuem um sistemade transporte de fitosiderforo-Fe3+, que carrega o quelado parao interior do citoplasmas. Sob deficincia de ferro, as razes dasgramneas liberam mais fitosiderforos no solo e aumentam acapacidade do sistema de transporte do fitosiderforo-Fe3+.

O ferro forma complexos com o carbono e com o fosfato

Uma vez que as razes tenham absorvido ferro ou um ferroquelado, eles so oxidados nas razes forma frrica e transloca-dos, em sua maior parte, para as folhas, na forma de complexoseletrostticos com o citrato.

A maior parte do ferro nos vegetais encontrada na molcu-la heme do citocromo, nos cloroplastos e nas mitocndrias (verCaptulo 7). Uma importante reao de assimilao do ferro asua insero na porfirina, a qual precursora do grupo heme.Essa reao catalisada pela enzima ferroquelatase (Figura12.17) (Jones, 1983). Alm disso, as protenas ferro-enxofre dacadeia transportadora de eltrons (ver Captulo 7) contm ferrono-heme covalentemente ligado aos tomos de enxofre dosresduos de cistena na apoprotena. O ferro encontrado tam-

Figura 12.16 Exemplos de complexos eletrostticos (inicos). (A) O ction K+monovalente e o malato formam o com-

plexo potssio malato. (B) O ction divalente Ca2+e o pectato formam o complexo clcio pectato. Os ctions divalentespodem formar ligaes cruzadas entre as bordas paralelas que possuem grupos carboxila negativamente carregados. Asligaes do clcio exercem um papel estrutural nas paredes celulares.

(A) Ction monovalente

COOH

HCOH

CH2

COOHDissociao do H+

2 H+

cido mlico Malato Potssio malato

Formao do complexo

HCOH

CH2 2 K+

COO

COO

COOK+

HCOH

CH2

COOK+

(B) Ction divalente

C

O O

C

O O

Ca2+

C

O O

C

O O

Ca2+

Clcio pectato


19/23


bm nos centros Fe2S2, os quais possuem dois ferros (cada um

complexado com os tomos de enxofre dos resduos de cistena)e dois sulfetos inorgnicos.

O ferro livre (ferro que no est complexado com compostos

de carbono) pode interagir com o oxignio para formar nionssuperxidos (O

2), os quais podem danificar membranas pela de-

gradao dos componentes lipdicos insaturados. As clulas veg-etais podem limitar os danos armazenando o excesso de ferro emcomplexos de ferro-protena chamados de fitoferritina(Bienfaite Van der Mark, 1983). A fotoferritina consiste de uma estruturaprotica com 24 subunidades idnticas formando uma esfera ocaque possui uma massa molecular de cerca de 480 kDa. No in-terior dessa esfera, h um ncleo de 5.400 a 6.200 tomos deferro presentes como um complexo fosfato-xido frrico.

A forma pela qual o ferro liberado da fitoferritina no conhecida, porm a quebra da estrutura protica parece estarenvolvida neste processo. O nvel de ferro livre nas clulas veg-etais regula a biossntese de novo da fitoferritina (Lobreaux ecols., 1992).

ASSIMILAO DO OXIGNIO

A respirao responde por aproximadamente de 90% dovolume de oxignio (O

2) assimilado pelas clulas vegetais (ver

Captulo 11). Uma outra rota importante para a assimilao doO

2 em compostos orgnicos envolve a incorporao do O

2a

partir da gua (ver reao 1 da Tabela 8.1). Uma pequena pro-poro do oxignio pode ser diretamente assimilada em com-postos orgnicos no processo defixao de oxignio.

Na fixao de oxignio, o oxignio molecular adicionado

diretamente a um composto orgnico em reaes realizadas porenzimas conhecidas como oxigenases. Lembre-se do Captulo8, no qual o oxignio diretamente incorporado em um com-posto orgnico durante a fotorrespirao, em uma reao queenvolve a atividade oxigenase da ribulose-1,5-bifosfato carboxi-lase/oxigenase (rubisco), a enzima de fixao do CO

2 (Ogren,

1984). O primeiro produto estvel que contm oxignio a partirda forma molecular o 2-fosfoglicolato.

Em geral, as oxigenases so classificadas como dioxige-nases ou monoxigenases, conforme o nmero de tomos deoxignio que so transferidos a um composto de carbono nareao catalisada. Nas reaes de dioxigenases, ambos ostomos de oxignio so incorporados em um ou dois compos-tos de carbono (Figura 12.18A e B). Os exemplos de dioxige-

nases nas clulas vegetais so as lipoxigenases, que catalisama adio de dois tomos de oxignio aos cidos graxos insatu-rados (ver Figura 12.18A) e a prolil hidroxilase, a enzima que

converte prolina ao aminocido pouco comum hidroxiprolina(ver Figura 12.18B).

A hidroxiprolina um importante componente da extensina,uma protena da parede celular (ver Captulo 15). A sntese de

todos os outros aminocidos, pois a reao ocorre aps a prolinater sido incorporada na protena e , portanto, uma reao demodificao ps-traducional. A prolil hidroxilase esta localizadano retculo endoplasmtico, sugerindo que a maior parte das pro-tenas contendo hidroxiprolina encontrada na via secretora.

As monoxigenasesadicionam um dos tomos do oxigniomolecular a um composto de carbono; o outro tomo de oxignio convertido em gua. As monoxigenases so algumas vezes refe-ridas como oxidases de funo mistadevido sua capacidade decatalisar simultaneamente a reao de oxigenao e a reao oxi-dase (reduo do oxignio a gua). A reao monoxigenase tam-bm necessita de um substrato reduzido (NADH ou NADPH) comoum doador de eltrons, de acordo com a seguinte equao:

A + O2+ BH2AO + H2O + B

onde A representa o composto orgnico e B representa o doa-dor de eltrons.

Uma importante monoxigenase vegetal a famlia dasheme-protenas, coletivamente chamadas de citocromo P450,as quais catalisam a hidroxilao do cido cinmico em cido

p-cumrio (Figura 12.18C). Nas monoxigenases, o oxignio primeiramente ativado por ser combinado com o tomo de ferrodo grupo heme; o NADPH serve como um doador de eltrons.O sistema oxidase de funo mista est localizado no retculoendoplasmtico e capaz de oxidar vrios substratos, incluindomono e diterpenos e cidos graxos.

O BALANO ENERGTICO DA ASSIMILAO DENUTRIENTES

A assimilao de nutrientes geralmente necessita de grandesquantidades de energia para converter compostos inorgnicosestveis de baixa energia em compostos inorgnicos de alta en-ergia. Por exemplo, a reduo do nitrato a nitrito e este emamnio requer a transferncia de cerca de 10 eltrons e re-sponde por cerca de 25% do total de energia consumida pelasrazes e partes areas (Bloom, 1997). Conseqentemente, ovegetal pode utilizar um quarto da sua energia para assimilaro nitrognio, um constituinte que representa menos de 2% do

peso seco total da planta.Muitas das reaes de assimilao ocorrem no estroma docloroplasto, onde elas tm acesso imediato a poderosos agentes

Figura 12.17 Reao da ferroquelatase. A enzimaferroquelatase catalisa a insero do ferro no anel daporfirina para formar o complexo de valncia coorde-nada. Ver a Figura 7.37 para ilustrao da biossntesedo anel da porfirina.N N

NN

Ferroquelatase+ Fe2+

N N

NN

Fe

Anel porfirnico


20/23

20 Captulo 12

redutores como o NADPH, a tieredoxina e a ferredoxina forma-dos durante o transporte de eltrons da fotossntese. Esse processo

combinando assimilao de nutrientes ao transporte de eltronsda fotossntese denominado fotoassimilao(Figura 12.19).A fotoassimilao e o ciclo de Calvin ocorrem no mesmo

compartimento, mas a fotoassimilao s ocorre quando a cade-ia fotossinttica de transporte de eltrons produz agentes redu-tores alm do que necessrio para o ciclo de Calvin (p. ex., sobcondies de alta luminosidade e baixo CO

2) (Robinson, 1988).

Altos nveis de CO2inibem a fotoassimilao (Figura 12.20, ver

Ensaio 12.1 na Internet). Como resultado, as plantas C4 (ver

Captulo 8) direcionam a maior parte da sua fotoassimilao nasclulas do mesofilo, onde as concentraes do CO

2so baixas

(Becker e cols., 1993).Os mecanismos que regulam a partio dos agentes redutores

entre o ciclo de Calvin e a fotoassimilao demandam maiores in-

vestigaes, pois esperado que os nveis atmosfricos de CO2se-jam duplicados durante o prximo sculo (ver Captulo 9), de for-ma que este fenmeno pode afetar as relaes planta-nutriente.

RESUMO

A assimilao de nutrientes o processo pelo qual os nu-trientes obtidos pelas plantas so incorporadas em compostosde carbono necessrios ao crescimento e ao desenvolvimento.Com freqncia, esses processos envolvem reaes qumicas al-tamente energticas e, assim, podem depender diretamente dosagentes redutores produzidos pela fotossntese.

A assimilao do nitrognio uma das vrias etapas queconstituem o ciclo nitrognio, o qual engloba vrias formas donitrognio da biosfera e suas interconverses. As principais fon-tes de nitrognio disponveis para as plantas so o nitrato (NO

3)

e o amnio (NH4).

O nitrato absorvido pelas razes assimilado nas razes ounas partes areas, dependendo da sua disponibilidade e da esp-cie vegetal. No processo de assimilao, o nitrato reduzido a

nitrito (NO2) no citosol pela enzima nitrato redutase; posterior-mente, o nitrito reduzido a amnio nos plastdeos da raiz ounos cloroplastos pela enzima nitrito redutase.

Figura 12.18 Exemplos de dois tipos de reaes da oxigenase em clulas de vegetais superiores.

A Dioxigenase lipoxigenase catalisaa adio de dois tomos deoxignio ao cido graxo conjugadopara formar um hidroperxidocom um par de ligaes duplasconjugadas cis-trans. O cidograxo hidrxi-perxi pode entoser enzimaticamente convertidoa cidos graxos hidrxi e outrosmetablitos.

A Dioxigenase prolil hidroxilasecatalisa a adio de um oxigniodo O2na prolina da cadeiapolipeptdica para produzirhidroxiprolina, e a adio de umoxignio ao -cetroglutarato paraproduzir succinato e CO2.

A monoxigenase citocromoP450 utiliza um oxignio do O

2

para hidroxilar o cido cinmico(e outros substratos) e o outrooxignio para produzir gua. ONAD(P)H atua como um doadorde eltrons para as reaes demonoxigenase.

Prolina(no polipeptdeo

-Cetoglutarato

4-trans-L-Hidroxiprolina(no polipeptdeo

Sucinato

cido p-cumrico

cido cinmico

cido graxo

Lipoxigenase

(A) Reao da dioxigenase

(B) Reao da dioxigenase

(C) Reao da monoxigenase

Prolil hidroxilase

H H H H H

H

C C C C C

R2

R1

O2

R2

R1

H H H

C CC C

CH

H

O

O

trans

cis

HH

HH H

H H

O

C CR1

N R2

4

++O2

COOH

C O

CH2

CH2

COOH

Fe2+, ascorbatoR

2

R1 C C H

H

HH

H H

OH

O

N +

4

COOH

CH2

CH2

COOH

+ CO2

COOH

CH

CH + +O2 NADPH + H

+Citocromo P450

COOH

CH

CH + +H2O NADP+

OH


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O amnio, derivado da absoro da raiz ou produzido porassimilao do nitrato ou da fotorrespirao, convertido aglutamina e glutamato pelas aes seqnciais da glutaminasintetase e da glutamato sintase, as quais esto localizadas no

citosol e nos plastdeos das razes ou dos clorolastos.Uma vez assimilado em glutamina ou glutamato, o nitrogniopode ser transferido para muitos outros compostos orgnicos

atravs de diversas reaes, incluindo as de transaminao. Ainterconverso entre a glutamina e a asparagina pela asparaginasintetase equilibra o metabolismo do carbono e do nitrognioem uma planta.

Muitas plantas formam uma relao simbitica com bact-rias fixadoras de nitrognio que contm um complexo enzimti-co, a nitrogenase, que pode reduzir o nitrognio atmosfrico em

Figura 12.19 Resumo dos processos envolvidos na assimilao do nitrognio mineral na folha. O nitrato translocado dasrazes pelo xilema absorvido por uma clula do mesofilo atravs de um dos simportes nitrato-prton (NRT) para o citoplasma.O nitrato , ento, reduzido a nitrito via nitrato redutase (NR). O nitrito translocado para o estroma do cloroplasto junto comum prton. No estroma, o nitrito reduzido amnio, via nitrito redutase (NiR) e esse amnio convertido em glutamato pelaao seqencial da glutamina sintetase (GS) e da glutamato sintase (GOGAT). Novamente no citoplasma, o glutamato trans-aminado a aspartato, via aspartato aminotransferase (Asp-AT). Finalmente, a asparagina sintetase (AS) converte o aspartato emasparagina. As quantidades aproximadas de ATP equivalente para cada reao esto indicadas acima.

Figura 12.20 Quociente de assimilao (QA = CO2assimilado/O

2

liberado) de plntulas de trigo como uma funo da quantidade de luz(radiao fotossinteticamente ativa). A fotoassimilao do nitrato estdiretamente relacionada com o quociente de assimilao, pois a trans-ferncia de eltrons para o nitrato e nitrito durante a fotoassimilaoaumenta a liberao de O

2a partir das reaes fotossintticas depen-

dentes de luz, enquanto a assimilao de CO2pelas reaes indepen-

dentes da luz continua em taxas similares. Entretanto, plantas queesto fotoassimilando o nitrato exibem um QA menor. Nas medidasrealizadas no ambiente, em concentraes de 360 mol mol1 CO

2

(linha vermelha), QA diminui como uma funo da radiao incidente,indicando que as taxas de fotoassimilao aumentaram. Em concen-traes elevadas (700 mol mol1CO, linha azul), o QA permanececonstante em todos os nveis de luz utilizados, indicando que as rea-es de fixao do CO

2 esto competindo por agentes redutores,

inibindo a fotoassimilao (Bloom e cols., 2002).

ATP 3 ATP 7 ATP 2 ATP

ATP

2 ATP

ATPNADH

NO3

NRTNO

3 NO

2

NR

H+ H+

NO2

NiRNH

4+ Glutamato Glutamato

Asp-ATAspartato

ASAsparagina

CLOROPLASTO

GS/GOGAT

CLULA DO MESOFILO

Fdred

Fdred

Protenas,cidos nuclicos

Outrosaminocidos

1,0

CO

2assimilado/O

2

liberado

0,8

0,6

0,40 400 800 1.200 1.600 2.000

Radiao fotossinteticamente ativa (mol m2s1)

Condies de medio

700 mol m1 CO2)360 mol m1 CO2)


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22 Captulo 12

amnia. Plantas leguminosas e actinorrzicas formam associa-es com rizbios e Frankia, respectivamente. Tais associaesso o resultado de uma excelente sintonia na interao entre o

simbionte e a planta hospedeira, envolvendo o reconhecimentode sinais especficos, a induo de um programa de desenvolvi-mento especializado na planta, a absoro de bactrias pelaplanta e o desenvolvimento de ndulos, os nicos rgos queabrigam bactrias nas clulas vegetais. Alguns microorganismosprocariontes fixadores de nitrognio no formam relaes sim-biontes com plantas superiores, porm beneficiam as plantaspelo aumento dos nveis de nitrognio do solo.

Semelhante ao nitrato, o sulfato (SO42) deve ser reduzido

pela assimilao. Na reduo do sulfato, produzida uma formaativada do sulfato, denominada 5-adenililsulfato (APS). O sulfe-to (S2), produto final da reduo do sulfato, no acumuladonas clulas, mas, ao contrrio, rapidamente incorporado nosaminocidos cistena e metionina.

O fosfato (HPO42) est presente em uma variedade de com-postos encontrados nas clulas vegetais, incluindo acares fosf-atos, lipdeos, cidos nuclicos e nucleotdeos livres. O produtoinicial da sua assimilao o ATP, o qual produzido por fosfo-rilaes em nvel de substrato no citosol, na fosforilao oxida-tiva nas mitocndrias e na fosforilao nos cloroplastos.

Enquanto a assimilao do nitrognio, do enxofre e do fsfo-ro necessita da formao de ligaes covalentes com compostosde carbono, muitos macro e micronutrientes catinicos (p. ex.K+, Mg2+, Ca2+, Cu2+, Fe3+, Mn2+, Co2+, Na2+, Zn2+) simplesmenteformam complexos. Esses complexos podem ser mantidos porligaes eletrostticas ou por ligaes de valncia coordenada.

A assimilao do ferro pode envolver a quelao, as reaesde oxidorreduo e a formao de complexos. A fim de arma-zenar grandes quantidades de ferro, as clulas vegetais sintetizamfitoferritina, uma protena que armazena o ferro. Uma importantefuno do ferro nas clulas vegetais agir como um componenteredox no stio ativo de enzimas, freqentemente como um com-plexo ferro-porfirina. O ferro inserido em um grupo porfirnicona reao da ferroquelatase.

Alm de ser utilizado na respirao, o oxignio molecularpode ser assimilado no processo de fixao de oxignio, no qualocorre a adio direta de oxignio aos compostos orgnicos. Talprocesso catalisado por enzimas conhecidas como oxigenases,classificadas como monoxigenases ou dioxegenases.

A assimilao de nutrientes necessita de grandes quantidadesde energia para converter compostos inorgnicos estveis de

baixa energia em compostos orgnicos com alta energia. Umaplanta pode utilizar a energia da fotossntese para assimilar com-postos inorgnicos no processo denominado fotoassimilao.

Material da Internet

Referncias bibliogrficas

Becker, T W., Perrot-Rechenmann, C., Suzuki, A ., and Hirel, B. (1993)Subcellular and immunocytochemical localization of the enzymesinvolved in ammonia assimilation in mesophyll and bundle-sheathcells of maize leaves. Planta191: 129-136.

Bergmann, L., and Rennenberg, H. (1993) Glutathione metabolism inplants. In Sufiir Nutrition and Assimilation in Higher Plants.Regulatory, Agricultural and Environmental Aspects, L. J. DeKok, 1. Stulen, H. Rennenberg, C. Brunold, and W E. Rauser, eds.,SPB Acad. Pub., The Hague, Netherlands, pp. 109-123.

Bienfait, H. E, and Van der Mark, E. (1983) Phytoferritin and its role iniron metabolism. In Metals and Micronutrients: Uptake and Uti-lization by Plants, D. A Robb and W S. Pierpoint, eds., AcademicPress, New York, pp. 111-123.

Bloom, A J. (1997) Nitrogen as a limiting factor: Crop acquisition ofammonium and nitrate. In Ecology in Agriculture, L. E. Jackson,ed., Academic Press, San Diego, CA, pp.145-172.

Bloom, A J., Smart, D. R., Nguyen, D. T., and Searles, P S. (2002)

Nitrogen assimilation and

assimilacaodenutrientes_cap12

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nitrognio encontrado

nitrognio bloom

nutrientes inorgnicosobtidos

ohidrognio so

compostos do solo

abundantes nas plantas

processo natural

explosivos so baseados