apostila nutricao mineral de plantas 2

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UEM – Nutrição Mineral de Plantas 60 8. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES MINERAIS: MACRONUTRIENTES 8.1. Classificação e princípios de ação dos nutrientes minerais Por definição, os nutrientes minerais tem funções específicas e essenciais no metabolismo da planta. Dependendo da quantidade requerida de um dado nutriente, o elemento pode ser classificado, como macronutriente ou micronutriente. Outra classificação, baseada nas propriedades físico-químicas, divide os nutrientes em metal (potássio, cálcio, magnésio, ferro, zinco, cobre, molibdênio e níquel) e não metais (nitrogênio, enxofre, potássio, boro, cloro). As duas classificações são inadequadas uma vez que cada nutriente mineral pode realizar uma variedade de funções, algumas destas funções são pouco correlacionadas, com a quantidade requerida ou com propriedades físico- químicas. Um nutriente mineral pode funcionar como um constituinte de uma estrutura orgânica, como um ativador de reações enzimáticas, ou como transportador de cargas e osmorregulador. Nesta apostila a classificação mais simples de macro e micronutrientes é utilizada. As principais funções dos nutrientes minerais tais como, nitrogênio, enxofre e fósforo que servem como constituintes de proteínas e ácidos nucléicos são descritos. Outros nutrientes minerais, tais como magnésio e os micronutrientes (exceto cloro), podem funcionar como constituintes de estruturas orgânicas, predominantemente envolvidos na função catalítica de enzimas. O potássio e presumivelmente o cloro, são os únicos elementos minerais que não são constituintes de estruturas orgânicas. Eles funcionam principalmente na osmorregulação (ex. vacúolos), na manutenção do equilíbrio eletroquímico nas células e seus compartimentos e, na regulação das atividades enzimáticas. É natural que devido sua baixa concentração, os micronutrientes não tenham função direta na osmorregulação ou na manutenção do equilíbrio eletroquímico. Figura 8.1 – Representação esquemática dos compostos de uma molécula de enzima. Área marcada: camada de hidratação de moléculas de água (agrupamentos).

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UEM Nutrio Mineral de Plantas

8.FUNES DOS NUTRIENTES MINERAIS: MACRONUTRIENTES 8.1. Classificao e princpios de ao dos nutrientes minerais Por definio, os nutrientes minerais tem funes especficas e essenciais no metabolismo da planta. Dependendo da quantidade requerida de um dado nutriente, o elemento pode ser classificado, como macronutriente ou micronutriente. Outra classificao, baseada nas propriedades fsico-qumicas, divide os nutrientes em metal (potssio, clcio, magnsio, ferro, zinco, cobre, molibdnio e nquel) e no metais (nitrognio, enxofre, potssio, boro, cloro). As duas classificaes so inadequadas uma vez que cada nutriente mineral pode realizar uma variedade de funes, algumas destas funes so pouco correlacionadas, com a quantidade requerida ou com propriedades fsicoqumicas. Um nutriente mineral pode funcionar como um constituinte de uma estrutura orgnica, como um ativador de reaes enzimticas, ou como transportador de cargas e osmorregulador. Nesta apostila a classificao mais simples de macro e micronutrientes utilizada. As principais funes dos nutrientes minerais tais como, nitrognio, enxofre e fsforo que servem como constituintes de protenas e cidos nuclicos so descritos. Outros nutrientes minerais, tais como magnsio e os micronutrientes (exceto cloro), podem funcionar como constituintes de estruturas orgnicas, predominantemente envolvidos na funo cataltica de enzimas. O potssio e presumivelmente o cloro, so os nicos elementos minerais que no so constituintes de estruturas orgnicas. Eles funcionam principalmente na osmorregulao (ex. vacolos), na manuteno do equilbrio eletroqumico nas clulas e seus compartimentos e, na regulao das atividades enzimticas. natural que devido sua baixa concentrao, os micronutrientes no tenham funo direta na osmorregulao ou na manuteno do equilbrio eletroqumico.

Figura 8.1 Representao esquemtica dos compostos de uma molcula de enzima. rea marcada: camada de hidratao de molculas de gua (agrupamentos). 60

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O nitrognio e o enxofre so constituintes integrais da estrutura da protena, isto , de apoenzimas (Figura 8.1). Para a reao cataltica da maioria das enzimas, um cofator1 requerido. Este cofator pode ser uma coenzima, um grupo prosttico, ou um componente metlico. Exemplo de coenzimas tpicas so; ATP, FAD, NAD, NADP. Como grupo prosttico pode-se citar o grupo heme (porfirina de Fe) que compem um grande nmero de enzimas como; os citocromos, a catalasee e a peroxidase. Em muitas enzimas o grupo prosttico resume-se em um metal apenas. A maioria dos tomos metlicos integrados em metaloprotenas so metais transitrios, os quais realizam sua funo cataltica atravs de alteraes em sua valncia. Este o caso para o ferro nos citocromos, cobre na plastocianina, e o molibdnio na nitrogenase. Em algumas enzimas, todavia, o metal realiza sua funo cataltica pela formao de um complexo enzimasubstrato-metal ( ex. magnsio na ATPase). Recentemente, a fosforilao de enzimas, para a regulao de sua atividade tem despertado grande interesse. As enzimas que catalisam a fosforilao de protenas so denominadas cinases proticas. Efetores que regulam as cinases proticas so, por exemplo, as poliaminas, calmodulinas e, em particular, o clcio livre. Em plantas mais do que 30 cinases proticas tem sido identificadas, e 10 destas so dependentes de clcio. Este mecanismo oferece, no mnimo para alguns nutrientes minerais, a possibilidade de funcionar como um componente de uma cadeia de sinais. Por outro lado os nutrientes minerais podem ter uma funo dominante nas reaes enzimticas. O potssio um exemplo tpico de um nutriente mineral que exerce sua funo regulatria pela alterao na conformao dos componentes da enzima. As protenas so macromolculas grandemente hidratadas em clulas vivas e ativas metabolicamente. Devido as pontes intermoleculares de hidrognio, as molculas de gua, formam associaes parciais e no permanentes que tem um efeito de estabilizao na conformao protica. Os solutos, incluindo os nutrientes minerais, alteram as propriedades fsicas da gua (solvente) atravs da formao de uma camada de hidratao em torno do on, bem como as propriedades de protenas atravs de interaes, particularmente com grupos carregados de macromolculas (interaes eletrostticas). A hidratao, estabilidade e conformao da enzimas ou outros biopolmeros (ex.: membranas) so desta forma, afetadas no somente pela temperatura e pH, mas tambm pelo tipo (ction ou nion, e suas valncias) e concentrao dos elementos minerais. A conformao (orientao espacial) de uma enzima novamente um fator fundamental tanto para a afinidade entre o centro ativo da enzima com o substrato (valor de KM ) como na taxa de turnover da enzima (VMAX)). O potssio, o principal ction citoplasmtico, e tem um fator proeminente na conformao de enzimas e portanto, regula a atividade de um largo nmero de enzimas. A distribuio de elementos minerais entre tipos diferentes de clula dentro de um dado tecido (ex.: clulas epidrmicas, clulas guardas e as clulas do1

So componentes no proticos, que a maioria das enzimas necessitam para exercer suas atividades catalticas.

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UEM Nutrio Mineral de Plantas mesofilo), tambm prov informaes importantes sobre as funes dos elementos minerais. Isto particularmente importante para a distribuio de ons em diferentes compartimentos celulares. Grandes progressos atualmente esto sendo feitos, pelos pesquisadores, para entender melhor as funes dos nutrientes minerais, no somente em comparar gentipos, ou mutantes dentro de uma espcie de planta mas tambm para introduzir aproximaes e tcnicas de biologia molecular e gentica dentro do estudo da nutrio mineral de plantas. 8.2. NITROGNIO

Consideraes Gerais

Dependendo da espcie de planta, do estdio de desenvolvimento e do rgo a quantidade para o crescimento timo varia entre 2 a 5% do peso da planta. Quando o suprimento est abaixo do timo, o crescimento retardado e o nitrognio remobilizado das folhas mais velhas para as mais novas (regies de crescimento). Neste caso, os sintomas tpicos de deficincia de nitrognio podem ser observados. Um aumento no teor de nitrognio no somente decresce a senescncia e estimula o crescimento mas tambm altera a morfologia da planta de maneira tpica, principalmente se a disponibilidade do nitrognio alta no meio radicular durante o incio do desenvolvimento. Como conseqncia do aumento no teor de nitrognio na planta pode-se citar: - Aumento na relao do peso e do comprimento da parte area/sistema radicular da planta (planta anual e perene). Isto afeta a absoro de nutrientes e gua do solo. - Aumento do comprimento, largura e reduo na espessura da folha, podendo tornar as folhas com grande inclinao com relao ao caule, afetando, assim, a interceptao da luz. - Aumento da predisposio ao acamamento. Absoro o nitrognio pode ser absorvido do meio em diferentes formas; N2, atravs das bactria fixadoras de nitrognio (ex. leguminosas); na forma mineral como N-N03- e N-NH4+ e como uria. A forma predominante que a planta absorve, em condies naturais a do nitrato devido ao processo de nitrificao no solo (item 10) Transporte a forma do nitrognio que transportado via xilema varia em funo da forma do nitrognio absorvido pelo sistema radicular, e do tipo de metabolismo da raiz. Quando a planta absorve N-NH4+ pelo sistema radicular, este deve ser imediatamente metabolizado por ser um ction muito txico ao nvel celular. Normalmente, o N-NH4+ assimilado a compostos orgnicos no sistema radicular e transportado como aminocidos. Em conseqncia, pouco ou nada de N-NH4+ ser encontrado no xilema. A concentrao de N-N03-, encontrada no 62

UEM Nutrio Mineral de Plantas xilema, vai depender de vrios fatores, mas predominantemente da capacidade de reduo deste on no sistema radicular. Algumas plantas reduzem 100% do nitrato nas razes, consequentemente pouco N na forma de N03- ser transportado via xilema. Outras plantas podem reduzir 100% do nitrato na parte area, e ento grande concentrao de N-N03- ser encontrado no xilema. Mas a maioria das plantas reduzem o nitrato em ambas as partes da planta, e assim tanto nitrato como aminocidos podem ser encontrados neste vaso. Nas plantas fixadoras do N2 atmosfrico, o transporte do nitrognio fixado no sistema radicular transportado principalmente como uredeos (alantona e cido alantico) e em menor proporo como glutamina e asparagina (item 11). Redistribuio - como j discutido anteriormente, o nitrognio um elemento de alta mobilidade na planta. Desta forma, na deficincia deste elemento o N facilmente redistribudo na forma de aminocidos via floema para as partes novas, principalmente para as folhas jovens e regies meristemticas. Funes a maior parte do nitrognio se encontra na forma orgnica (reduzida). um componente fundamental das protenas (enzimas). Tem importante funo como ligante de ons metlicos, principalmente na forma de anis heterocclicos, como por exemplo, na clorofila. Participa na formao de pontes de hidrognio estabilizando e dando a conformao apropriada as protenas (enzimas) e cidos nuclicos. Importante na formao da ligao peptdica entre os resduos de aminocidos, permitindo assim, a formao das protenas. Alm disso, o nitrognio tem papel importante na formao de baseschiff , intermedirio de inmeras reaes catalisadas por enzimas como pode ser observado abaixo.

R' R' C H + H NH2 C R C N C H Base Schiff R

0 aldedo

C00H H aminocido

C00H

8.3. FSFORO Embora o fsforo seja pouco exigido pela planta, um dos nutrientes mais utilizados na adubao dos solos brasileiros. A falta deste nutriente o que mais restringe a produo agrcola no Brasil. A maioria das anlises de solo no Brasil registra menos de 10 mg kg-1 de solo, o que considerado baixo considerado baixo. Em solos sob o cerrado, os teores encontrados so freqentemente 1 mg kg-1 de solo, ou menos. Alm da baixa disponibilidade deste elemento no solo, o fsforo tem outro agravante que a grande interao com os elementos no solo 63

UEM Nutrio Mineral de Plantas (P-Fe, P-Al em solos cidos e P- Ca em solos alcalinos), o que torna uma grande proporo do fsforo indisponvel planta. Diferentemente do nitrato e do sulfato, o fosfato no reduzido nas plantas e permanece em sua forma oxidada. Aps a absoro, o fsforo permanece como fosfato inorgnico (Pi), ou esterificado a grupos hidroxil na cadeia carbnica ( CO-P) como um simples ster fosfato ( ex. fosfato em acar), ou ligado a outro fosfato por ligao rica em energia, formando o pirofosfato (P~P), como por exemplo o ATP. A taxa de troca entre Pi, fsforo em ster e o pirofosfato grande. Por exemplo, o Pi absorvido das razes incorporado em poucos minutos em Porgnico, mas logo aps liberado novamente como Pi dentro do xilema. Outro tipo de ligao do fosfato caracterizado pela alta estabilidade da estado dister (C-P-C). Nesta associao o fosfato forma uma parte conectando unidades mais complexas ou estruturais macromoleculares. Absoro a forma do fsforo que absorvida depende predominantemente da faixa de pH do meio (solo). Na faixa de pH entre 2 e 7, predomina a forma H2P04-, forma esta absorvida pelo sistema radicular das plantas. A forma HP04= predomina em solos com pH na faixa de 7 a 12 (alcalinos), entretanto, a absoro menos rpida se comparada a primeira citada. O processo de absoro do fsforo ativo, uma vez que a concentrao do fsforo maior nas clulas radiculares (100 a 1000 vezes) do que na soluo externa. Assim, o fsforo deve entrar na clula contra o gradiente de concentrao, portanto, ativamente. Todavia, para se dizer que um determinado on est sendo absorvido por um processo ativo ou passivo, o componente eltrico deve ser considerado. A presena de magnsio no meio favorece a absoro de fsforo (efeito sinrgico). Transporte a forma que o fsforo transportado via xilema basicamente a mesma da absoro, ou seja, como H2P04-. Redistribuio o fsforo sendo um elemento de alta mobilidade na planta facilmente distribudo no floema. As formas que podem ser encontradas no floema so; fosforil colina e Pi. Em plantas bem supridas de fsforo o vacolo armazena a maior parte do Pi total da planta (85 a 95%). Quando h reduo no suprimento de fsforo para a planta o Pi redistribudo principalmente das folhas velhas para as novas, apresentando como conseqncia desta redistribuio, sintomas de deficincia inicial nas folhas velhas. Funes Como elemento estrutural

A funo do fsforo como um elemento constituinte da estrutura molecular mais proeminente nos cido nuclicos (DNA e RNA). O DNA e o RNA so 64

UEM Nutrio Mineral de Plantas importantes no armazenamento e transferncia da informao gentica, respectivamente. Em ambos, o fosfato forma uma ponte entre as unidades de ribonucleosdeos para formar as macromolculas. O fsforo forma ligao dister abundante nos fosfolipdios das biomembranas, formando ponte entre um diglicerdeo e outras molculas (aminocidos, amina ou lcool). Armazenamento e transferncia de energia

Embora os steres fosfato (C-P) e fosfatos de alta energia estejam em baixas concentraes nas clulas eles representam a maquinaria metablica das clulas. Acima de 50 compostos steres formados do fosfato e lcool acares foram identificados, acima de 10 incluindo glicose-6-fosfato e fosfogliceraldedo, esto presentes em relativamente altas concentraes nas clulas. A maioria dos steres fosfato so intermedirios na rota metablica da biossntese e degradao. Sua funo e formao est diretamente relacionada ao metabolismo energtico das clulas e ao fosfato rico em energia. A energia, por exemplo, para a biossntese do amido ou para a absoro dos ons suprido por intermedirios ricos em energia ou coenzimas, principalmente ATP. Uma molcula de ATP e mostrado abaixo:NH2N N N N

0

000CH2 - 0 - P - 0 - P - 0 - P - 0-

0

0

0

A energia liberado durante a gliclise, respirao ou fotossntese utilizada para a sntese de pirofosfato (composto de alta energia), e na hidrlise desta ligao 7,6 kcal mol-1 (ou 30 kJ) de ATP liberado. O ATP o principal composto rico em energia requerido para a sntese de amido. A energia do ATP pode ser tambm transferida para outras coenzimas as quais diferem do ATP somente na base nitrogenada, por exemplo, uridina trifosfato (UTP) e guanosina trifosfato (GTP), as quais so requeridas para a sntese da sacarose e celulose, respectivamente. A liberao do PPi acontece nas principais rotas metablicas, por exemplo, na acilao de CoA na sntese de cido graxo, do amido no cloroplasto e da sacarose no citossol. Varias enzimas podem fazer uso do PPi, como por exemplo, a UDP-glicose fosforilase e a PPi-H+-ATPase no tonoplasto. A concentrao celular do PPi de 100 a 200 nmol g-1 de peso fresco (similar ao ATP). Nas folhas a concentrao de PPi no citossol similar a 65

UEM Nutrio Mineral de Plantas concentrao no estroma do cloroplasto e, permanece mais ou menos estvel durante o perodo luz-escuro. A fosforilao de enzimas pelo ATP, GTP e ADP outro mecanismo pelo qual os compostos ricos em fosfato modulam a atividade enzimtica. Estas fosforilaes regulatrias mediada pelas cinases proticas e podem resultar da ativao e inativao e/ou alterao nas propriedades alostricas das molculas marcadas. A fosforilcao de protenas considerada como um fator chave na transduo de sinais, por exemplo, em respostas mediadas por fitocromos. Em plantas C4 e MAC, a fosforilao aumenta a atividade da PEP carboxilase e a enzima torna-se menos sensvel a retroalimentao negativa pela concentrao do malato. Funo regulatria do fosfato inorgnico

Em muitas reaes enzimticas, o Pi, pode ser um substrato ou um produto final ( Ex .: ATP ADP +Pi). Desta forma, o Pi controla algumas reaes chaves de algumas enzimas. Para isso, a compatibilidade do Pi essencial para a regulao das rotas metablicas no citoplasma e cloroplastos. Em tecidos de frutos de tomate, por exemplo, o Pi trocado dos vacolos para o citoplasma pode estimular a atividade da fosfofrutocinase, enzima chave no fluxo de substratos na via glicoltica. Assim, a troca de Pi no vacolo pode dar incio aos processos correlacionadas com o amadurecimento dos frutos. O retardamento no amadurecimento de plantas de tomate deficientes em fsforo pode estar relacionado a esta funo do Pi. A concentrao de Pi nos cloroplastos e na mitocndria tambm alta, aproximadamente 10 mM. A enzima chave na sntese de amido nos cloroplastos (amiloplastos), a ADP-glicose pirofosforilase (Figura 8.3) alostericamente inibida por Pi e estimulada por triosefosfato (TF). A relao Pi/TF que determina a taxa de sntese de amido nos cloroplastos. J, a concentrao de Pi e TF nos cloroplastos controlada por um transportador de triosefosfato, carregador especfico localizado na membrana interna do envelope da organela, que promove a troca de Pi por triosefosfato entre o estroma e o citoplasma. Desta forma, a inibio da sntese do amido pela alta concentrao de Pi nos cloroplastos resultado tambm da diminuio da concentrao do substrato triosefosfato (= a gliceraldedo-3-fosfato ou dihidroxiacetonafosfato) que serve tanto para a estimulao da enzima, quanto de substrato para a sntese de amido. A acumulao de amido nos cloroplastos de plantas deficientes esperado por no mnimo duas razes: a reduo da concentrao de Pi no citossol, e consequentemente baixa exportao de triosefosfato do cloroplasto, e o aumento da atividade da ADP-pirofosforilase devido a reduo na concentrao de Pi no estroma.

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Figura 8.3 Envolvimento e funo regulatria do fosfato na sntese de amido e transporte de carboidratos na clula da folha. (1) ADP-glicosepirofosforilase: regula a taxa de sntese de amido; inibido por Pi e estimulada por PGA. (2) Transportador de fosfato: regula a liberao dos fotossintatos dos cloroplastos; aumentado por Pi. TP, triosefosfato (Gliceraldedo-3-fosfato, GAP; dihidroxifosfato; DHAP); F6P, Frutose-6-fosfato; G6P, glicose-6-fosfato. (Baseado em Walker, 1980 em MARSCHNER,1997).

Fsforo como reserva

As sementes e frutas podem armazenar o fsforo na forma de fitato. Os fitatos so sais do cido ftico (mioinositol do cido hexafosfrico) . Quando sais de clcio e magnsio ligam-se no cido ftico, tem-se a fitina. O cido ftico tem tambm, alta afinidade por Zn e Fe. Em sementes de leguminosas e de cereais os principais fitatos so os sais de clcio de potssio. A proporo de sais associadas com o cido ftico varia de espcie de planta e entre diferentes tecidos nas sementes. Os fitatos contendo fsforo representam cerca de 50% do P total em leguminosas e 60-70% em gros de cereais.

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Nos estados iniciais do desenvolvimento da plntula, o embrio requer grande quantidade de nutrientes minerais, incluindo magnsio (necessrio para a fosforilao e sntese protica), potssio (requerido para a expanso celular) e fsforo (incorporado nos lipdios das membranas e cidos nuclicos). A degradao de fitatos, caracterizado por fitases, conduz a um rpido declnio no fsforo ligado ao fitato (Quadro 8.3), e consequentemente sntese de outros compostos fosforilados, durante a germinao de sementes de arroz (Quadro 8.3). O aumento dos nveis de Pi e ster de fosfato refletem uma intensiva respirao, fosforilao e processos relacionados. A degradao de fitatos continua com o tempo, e finalmente os nveis de fsforo incorporado no DNA e RNA aumentam, indicando um aumento na sntese de protenas e diviso celular. Quadro 8.3 Alteraes nas fraes de fsforo durante a germinao de sementes de arroz Germinao (horas) 0 24 48 72 Fraes de fsforo (mg P/ g mat. seca) lipdios Pi ster RNA + DNA 0,43 1,19 1,54 1,71 0,24 0,64 0,89 0,86 0,078 0,102 0,110 0,124 0,058 0,048 0,077 0,116

fitatos 2,67 1,48 1,06 0,80

Fonte: Mukherji et al. (1971), em MARSCHNER (1997)

8.4. POTASSIO O potssio o mais abundante ction no citoplasma (100 a 150 mM) e possui grande contribuio no potencial osmtico das clulas e tecidos de plantas glicofticas. O potssio na planta no metabolizado e forma complexos prontamente trocveis. O potssio em termos gerais, o segundo nutriente em exigncia pelas culturas, no sendo to limitante no solo quanto o fsforo. Depois do fsforo, o nutriente mais consumido pela agricultura brasileira. Absoro a absoro do potssio altamente seletiva e est intimamente acoplado a atividade metablica. Este elemento no solo aparece na forma inica (K+), sendo esta a forma absorvida pelas razes das plantas. Como o potssio um on monovalente, ao competir com elevadas concentraes de ctions divalentes como o Ca++ e o Mg++ sofre inibio competitiva, ou seja, compete com desvantagem pelo mesmo stio de absoro. Entretanto baixas concentraes de clcio contribuem para sua absoro (efeito sinergstico). Transporte o potssio transportado como K+, ou seja, na mesma forma que absorvido do solo. 68

UEM Nutrio Mineral de Plantas Redistribuio o K+ caracterizado pela alta mobilidade nas plantas, em todos os nveis, dentro da clula, dentro dos tecidos, e transportado a longa distncia via xilema e floema. Isto acontece, porque o potssio no faz parte permanente de nenhum composto orgnico (funo estrutural). Funes em quase todos os casos a concentrao de K+ mantida em torno de 100 a 200 mM, sendo tambm verdade para os cloroplastos. As suas funes, nestes compartimentos no podem ser substitudos por outros ctions inorgnicos como o Na+. No vacolo a concentrao de potssio pode variar entre 10 a 200 mM, ou pode alcanar 500 M nas clulas guardas da epiderme. A funo do potssio na expanso celular e outros processos que dirigem o turgor celular, esto relacionados com a concentrao de potssio no vacolo. Ativao enzimtica

Um grande nmero de enzimas so completamente dependente ou estimulada por potssio. Este elemento como outros ctions monovalentes ativam enzimas pela alterao conformacional na estrutura enzimtica. Em geral, a alterao conformacional induzida por potssio nas enzimas, aumenta a taxa da reao cataltica, Vmas e em alguns casos a afinidade para com seu substrato (diminuio do Km). Em plantas deficientes de K, ocorrem algumas alteraes qumicas, incluindo acumulao de carboidratos solveis, decrscimo no contedo de amido e o acmulo de compostos nitrogenados solveis. Estas alteraes no metabolismo est relacionado ao alto requerimento de certas enzimas regulatrias, principalmente a piruvato cinase e a fosfofrutocinase. Por sua vez a sintetase do amido altamente dependente em ctions monovalentes, entre os quais o K o mais eficiente. Esta enzima catalisa a transferncia da glicose para as molculas do amido. Outra funo do K a ativao da H+-ATPase ligada a membrana. Esta ativao no somente facilita o transporte de K da soluo externa atravs da membrana plasmtica para dentro das clulas radiculares como tambm torna o K o elemento mineral mais importante na expanso celular e na osmorregulao. Em tecidos de plantas deficientes em K, existem maior atividade de hidrolases ou de oxidases tais como a polifenol oxidase, do que planta com suprimento normal do nutriente. Um exemplo ilustrativo do efeito indireto a acumulao de diamina putrescina (putrescina) em plantas deficientes de K , por um fator de 80 a 100. As enzimas que catalisam a sntese de putrescina da arginina via agmatina, so inibidas por alta concentrao de K e estimulada pelo baixo pH celular. Nas regies danificadas, que se observa nas bordas e pontas das folhas mais velhas das plantas ocorre acmulo de putrescina, que visualizado pela clorose com posterior necrose dos tecidos.

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UEM Nutrio Mineral de Plantas Sntese de protenas

O K mais requerido para a sntese de protena do que para a ativao enzimtica. provvel que o K esteja envolvido em vrios passos no processo de traduo, incluindo a ligao do tRNA aos ribossomos. Assim, a deficincia de K nas plantas, em reduo na sntese de protenas. Fotossntese e transporte de carboidratos

Em plantas superiores, o K afeta a fotossntese em vrios nveis. o on acompanhante para o fluxo de H+ atravs da membrana do tilacide induzidas por luz e para o estabelecimento do gradiente de pH transmembrana para a sntese de ATP (fotofosforilao), em analogia a sntese de ATP na mitocndria. O K estimula a taxa de fixao do C02. Alm do controle da abertura e fechamento estomtico (Quadro 8.4) o K parece melhorar a difusibilidade do C02, no mesofilo, estimula a atividade da RuBP (manuteno do pH timo para a enzima), reduzindo a fotorrespirao, devido a depleo do C02 nos stios catalticos da enzima Rubisco. Como o aumento no contedo de K, a respirao no escuro decresce (Quadro 8.4). O carregamento e o descarregamento de fotoassimilados no floema um processo ativo, requerendo hidrlise do ATP pelas ATPases que esto associadas as membranas. O K+ parece ser importante na despolarizao da membrana e ativao das ATPases. Quadro 8.4 Relao entre o contedo de K nas folhas, troca de C02 e atividade da Rubisco em alfafa*Resistncia + K na folha estomtica -1 -1 (mg g MS) (s cm ) Atividade Rubisco -1 (mol C02 mg -1 protena h ) Respirao Fotorrespirao escuro -2 (dpm dm ) (mg C02 dm-2 h-1)

Fotossntese -2 -1 (mg C02 dm h )

12,8 19,8 38,4

9,3 6,8 5,9

11,9 21,7 34,0

1,8 4,5 6,1

4,0 5,9 9,0

7,6 5,3 3.1

*De Peoples e Koch (1979) em MARSCHNER, 1997.

Osmorregulao

O K est diretamente envolvido na regulao do potencial osmtico da clula, e portanto da expanso celular, abertura e fechamento dos estmatos. Expanso celular

A expanso celular envolve a formao de um grande vacolo ocupando 80 a 90% do volume celular. H dois requerimentos para a expanso celular; um 70

UEM Nutrio Mineral de Plantas incremento na expansibilidade e a acumulao de solutos para criar um potencial osmtico (Figura 8.4). Na maioria dos casos a expanso celular a conseqncia da acumulao de K nas clulas, o que requerido para estabilizar o pH citoplasmtico e diminuir o potencial osmtico do vacolo. Nas clulas o afrouxamento da parede celular induzida pelo cido indol actico (AIA) e acmulo de soluto (principalmente K) no vacolo para criar um potencial osmtico interno. O processo inibido pela ATPase localizada na plasmalena (ativada por K), que bombeia H+ do citoplasma para o apoplasto, dando no sentido contrrio uma absoro estequiomtrica de K. A acidificao do apoplasto resulta na atividade de enzimas hidrolticas (como a poligalacturonase) que causa o afrouxamento da parede celular. O afrouxamento e o aumento da presso hidrosttica devido a absoro de gua em resposta a reduo do potencial osmtico pela absoro do K, so pr-requesitos para o crescimento celular. As giberelinas (GAs) que induzem o aumento da extenso do caule tambm dependente do suprimento de K. O K e a GA atuam sinergisticamente, uma vez que h aumento na elongao do caule quando os dois so aplicados. Movimento estomtico

Na maioria das espcies, o K est associado com um nion e tem grande responsabilidade na alterao do turgor nas clulas-guarda durante o movimento estomtico. Um aumento na concentrao de K nas clulas guardas, aumenta sua presso osmtica, e resulta na absoro de gua das clulas adjacentes e um aumento correspondente no turgor nas clulas-guarda, abrindo os estmatos. (Figura 8.4).

Figura 8.4 Modelo da funo do clcio e de outros solutos na extenso celular e na osmorregulao. , K; , acares redutores, sacarose, Na; , cidos orgnicos (ninicos). A acumulao do K nas clulas guardas de estmatos abertos podem ser demonstrados por raio X , como mostrado na Figura 8.4.1.

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Figura 8.4.1 Fotografia analisada com sonda eltrica (acima) e com microsonda de raio X (abaixo), da distribuio do K em estmatos abertos e fechados de fava (MARSCHNER, 1997). O fechamento dos estmatos no escuro est relacionado com o efluxo de K e um correspondente decrscimo na presso osmtica nas clulas guardas. A acumulao de K induzida por luz nas clulas guardas dirigido por uma ATPase ligada a membrana plasmtica (Figura 8.4.2) como conhecida para a absoro de K nas clulas das razes. A abertura estomtica precedida por um decrscimo no pH do apoplasto das clulas guardas. A acumulao de K nos vacolos balanceado por um on acompanhante, principalmente malato-2 e Cl-, dependendo da espcie e da concentrao de Cl nas vizinhanas das clulas guardas. O transporte de Cl- para dentro das clulas-guarda mediado por simporte de Cl-/H+ na membrana plasmtica (Figura 8.4.2A). Para que haja uma alta taxa de ons atravs da membrana, os canais so a principal rota. Em baixa disponibilidade de Cl, ou em espcies de plantas que no usam o Cl como on acompanhante para o K nas clulas-guarda (Fig 8.4.2B) o influxo de K dirigido por H+, ativa a PEP-carboxilase. O novo malato formado nas clulasguarda servem como on acompanhante para o K+ no vacolo e, como fonte de energia para a sntese de ATP na mitocndria (8.4.2 B). Nas plantas C3 o fosfoenolpiruvato (PEP) requerido para a sntese de malato suprido pela degradao do amido nas clulas guardas, produzido pelo cloroplasto. O fechamento dos estmatos induzido pelo escuro e pelo ABA est associado com um rpido efluxo de K e do nion acompanhante das clulasguarda. O ABA, induzindo o fechamento estomtico pode vir das razes via xilema como um sinal no hidrulico, talvez amplificado pela baixa concentrao de 72

UEM Nutrio Mineral de Plantas citocinina na seiva xilemtica. Entretanto, o ABA endgeno das clulas-guarda pode tambm ter esta funo.

Figura 8.4.2 Modelo de abertura estomtica mediada por bombas e transporte de K+ + Cl- (A) ou transporte de K+ + malato (B) para dentro das clulas do vacolo.

Balano ctio-nion

Na compensao de cargas o K um ction importante para contrabalanar nions imveis no citoplasma, nos cloroplastos e, freqentemente tambm para nions mveis nos vacolos do xilema e floema. A acumulao de cidos orgnicos em tecidos de plantas freqentemente uma conseqncia do transporte de K sem o acompanhamento de nions dentro do citoplasma. A funo do K no balano ction-nion, tambm refletido no metabolismo do N03-, no qual o K o on acompanhante para o transporte a longa distncia no xilema bem como para o estoque nos vacolos (Figura 8.4.3). Na parte area, aps a reduo de N03-, o K liga-se a cidos orgnicos (principalmente malato) que transportado para as razes onde servir novamente de on acompanhante do nitrato, como mostrado no esquema da Figura 8.4.3.

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Figura 8.4.3 Esquema mostrando a redistribuio do potssio na planta 8.5. CLCIO A exigncia de clcio varia grandemente nas diferentes espcies, e pode variar de 10 at 200 kg h-1. As dicotiledneas de modo geral, so mais exigentes em clcio do que as monocotiledneas. O contedo de clcio nas plantas varia entre 0,1 a 5,0% do peso seco dependendo das condies de crescimento. Absoro o clcio absorvido do meio (soluo do solo) na forma divalente (Ca2+), e a maior parte dos solos possuem quantidade adequadas deste elemento (maiores que as de K). O clcio possui baixa mobilidade no solo e na planta, desta forma, a regio de absoro se resume apenas nas extremidades das radicelas, local ainda nada ou pouco suberizadas (estrias de caspari). A presena de outros ctions (K+, Mg++ e NH4+) diminuem a absoro do Ca. Transporte o clcio transportado via xilema tambm na forma divalente (Ca2+). Ascende no xilema s custas de reaes de troca no xilema devido a superfcie da parede celular do xilema possuir cargas predominantemente negativas. Assim, o clcio para ascender no xilema deve ser deslocado dos stios de troca por outros ctions ou por ele mesmo. Redistribuio a maioria das funes do clcio como componente estrutural de macromolculas, e est relacionada com a capacidade de coordenao, que estabelece ligaes intermoleculares estveis mas reversveis, na parede celular e na membrana plasmtica. Isto explica os baixos nveis de Ca no floema e da baixa ou nula redistribuio do Ca na planta. Esta baixa redistribuio do Ca, faz com que os sintomas de carncia do elemento aparea em rgos e partes mais jovens como gemas (meristemas) e 74

UEM Nutrio Mineral de Plantas pontas de razes. comum observar-se sintomas de deficincia de Ca (rachadura da casca) em frutos de ma (bitter pit), de tomate (podrido apical), melancia e outros. Isto ocorre porque o Ca direcionado do solo para os locais de maior demanda transpiratria nas plantas que no caso as folhas. Como os frutos e partes novas possuem pequena superfcie transpiratria e o Ca no floema no redistribudo, acaba por acarretar deficincia deste elemento nestes rgos da planta. Para sanar este problema os produtores fazem pulverizaes a base de clcio (CaCl2) diretamente nos frutos, principalmente nas fases crticas de crescimento, reduzindo ou evitando assim, problemas de deficincia do elemento, como pode ser observada na Quadro 8.5. Quadro 8.5 Efeito da pulverizao de clcio durante a estao de crescimento sobre o contedo de clcio e percentagem de perda de frutos de ma durante o armazenamento a,b . Parmetro Contedo (mg Ca/100g mat. seca Danos de armazenagem - mancha da casca - senescncia precoce - bitter-pit - podrido por Gloesporiuma b

Perda(%) No pulverizado Pulverizado 3,35 10,40 10,90 30,00 9,20 3,9 0,0 0,0 3,4 1,7

Fonte: Sharpless & Johnson (1977), em MARSCHNER (1997 Pulverizaes com Ca(N03)2 a 1% por 4 vezes durante a estao de crescimento. Os frutos foram armazenados por 3 meses a 3-5C.

Para o amendoim comum o uso de sulfato de clcio (gesso) como suplemento de clcio na regio de formao do esporo (ginforo), logo aps o incio do florescimento. Funes do clcio Consideraes gerais

Contrastando com outros macronutrientes, uma alta proporo de Ca total no tecido das plantas est localizado na parede celular (apoplasto). Isto se deve a abundncia de stios de ligao para o clcio na parede celular, bem como do restrito transporte do Ca para dentro do citoplasma. Na lamela mdia ele se liga a grupos R-C00 de cidos poligalacturnicos (pectinas) em uma forma mais ou menos trocvel. Em tecidos de armazenamento de ma, a frao de Ca ligada a parede perfaz mais de 90% do total. Com o incremento no suprimento de clcio, em muitas espcies de plantas a proporo de oxalato de Ca aumento tambm. Uma distribuio tpica do Ca nas clulas de tecidos completamente expandidos com alta capacidade de troca de ctions mostrada na Figura 8.5. 75

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Figura 8.5 Representao esquemtica de duas clulas adjacente com uma distribuio tpica do clcio (). H reas distintas e compartimentos com alta ou muito baixas concentraes de Ca. Alta concentrao de Ca encontrada na lamela mdia da parede celular, na superfcie externa da membrana plasmtica, no retculo endoplasmtico e no vacolo. A maior parte do Ca solvel nos tecidos da planta est localizado nos vacolos, acompanhado por nions orgnicos (ex. malato), ou nions inorgnicos (nitrato e cloro). Contrastando a alta concentrao de Ca da parede celular, do retculo endoplasmtico e do vacolo, a concentrao do Ca no citossol extremamente baixa, mantida a uma faixa de 0,1 a 0,2 M de Ca livre. A baixa de concentrao do Ca essencial por vrias razes, tais como: - evita a precipitao de Pi; - competio com o magnsio por stios de ligao; - evitar a competio com Ca na regulao de vrias enzimas. Para manter esta baixa concentrao de Ca, ele compartimentalizado no vacolo, organelas (mitocndria e cloroplasto), e tambm lanado para fora da clula, com o auxlio de ATPases ou PPiase como mostrado na Figura 8.5.1.

Figura 8.5.1 Processo de transporte do clcio nas membranas para a manuteno da baixa concentrao de clcio citosslico. 76

UEM Nutrio Mineral de Plantas Estabilizao da parede celular

O clcio ligado a pectatos na lamela mdia essencial para reforar a parede celular dos tecidos das plantas. A degradao dos pectatos mediado pela poligalacturonase, que drasticamente inibida pela alta concentrao de Ca. Tecidos deficientes em Ca tem a atividade da poligalacturonase aumentada, e os sintomas tpico da deficincia de Ca aparecem como a desintegrao da parede celular com subsequente colapso dos tecidos. A proporo de pectatos de clcio na parede celular tambm importncia a suscetibilidade dos tecidos a fungos e bactrias e para o amadurecimento do fruto. Extruso celular e processos secretrios

Na ausncia de Ca no meio externo, a elongao da raiz pra em poucas horas (Figura 8.5.2). Este efeito mais evidente em soluo nutritiva na ausncia de Ca do que em gua destilada. Esta observao consistente com a funo do Ca em contrabalanar o efeito negativo da alta concentrao de outros ctions na membrana plasmtica. Embora o Ca esteja envolvido tambm na diviso celular, a parada no crescimento na ausncia de Ca no meio externo primariamente o resultado da inibio na elongao. O Ca fornece rigidez a parede celular pelo cruzamento de cadeias de pectinas na lamela mdia. Por outro lado, para que haja expanso celular, necessrio o afrouxamento da parede celular pela acidificao do apoplasto induzida por auxina e a substituio do Ca das cadeias pcticas. A auxina ativa tambm canais de Ca na membrana plasmtica e assim, conduz a um aumento temporrio na concentrao de Ca livre, que a seu turno estimula a sntese de precursores da parede celular no citossol e a secreo para o apoplasto.Extenso da raiz (mm)

25 20 15 10 5 00 12 24 Tempo (h) 36

+Ca

-Ca

-Ca

48

Figura 8.5.2 Relao entre a extenso da raiz primria de soja e da concentrao de clcio ( ~2 mM) na soluo nutritiva (adaptado de MARSCHNER, 1997). 77

UEM Nutrio Mineral de Plantas O crescimento do tubo polnico na germinao do gro de plen dependente da presena do Ca no substrato, e a direo do seu crescimento controlado quimiotropicamente pelo gradiente de clcio extracelular. O Ca requerido para a formao de vesculas secretoriais e a sua fuso com a membrana plasmtica conduzindo a exocitose, por exemplo, de precursores de celulose para a formao da parede celular, bem como a formao de mucilagem ou calose. A formao de calose outro exemplo de processos induzido por clcio. Em resposta a injria tal como dano mecnico, infeco por parasitas ou alta concentrao de alumnio, um aumento significativo de calose pode ocorrer. Este aumento rpido pode tambm acontecer por um aumento do Ca citosslico por um fator de 10 vezes. A atividade da amilase na germinao de sementes de cereais um dos poucos exemplos de estmulo de enzima por alta concentrao de Ca. O Ca um constituinte da amilase que sintetizado no retculo endoplasmtico. O transporte de Ca atravs do RE estimulado por giberelina (GA) e inibido por ABA, conduzindo a uma tpica estimulao (GA) e inibio (ABA) da atividade de amilase nas clulas de aleurona. Estabilizao de membranas

A funo do Ca na estabilidade da membrana e integridade da clula refletido de vrias maneiras. Em clulas deficientes em Ca h um aumento na perda de solutos de baixo peso molecular (ex. tomate). Isto tambm ocorre em plantas com deficincia severa por desintegrao total da estrutura da membrana e a perda da compartimentalizao celular. O Ca estabiliza as membranas das clulas pela ligao entre fosfatos e grupos carboxlicos de fosfolipdios e protenas, na superfcie da membrana. Na ausncia de Ca, outros ctions podem ocupar os stios de ligao como o K, Na (estresse salino), H+ e Al (em nveis txicos), prejudicando a permeabilidade das membranas. O efeito protetor do Ca na membrana mais proeminente sob condies de estresse com baixas temperaturas e aerobiose. Como pode ser observado o Ca fornece a ideal permeabilidade e fluidez as membranas. por isso que nos experimentos de absoro inica imprescindvel o Ca na soluo nutritiva. Balano ction-nion e osmorregulao

Nas clulas vacuoladas das folhas, uma grande proporo do Ca est localizado nos vacolos, onde contribui para o balano ction-nion, agindo como on acompanhante para nions orgnicos e inorgnicos. Em espcies de plantas que sintetizam preferencialmente oxalato em resposta a reduo do nitrato, a formao de oxalato de clcio nos vacolos importante para a manuteno de uma baixa concentrao de Ca citosslico. 78

UEM Nutrio Mineral de Plantas A formao de oxalato de Ca tambm importante para a osmorregulao das clulas. Assim, as plantas podem absorver grande quantidade de nitrato sem aumentar a presso osmtica do vacolo. Em folhas de beterraba, por exemplo, acima de 90% do Ca total est ligado a oxalato. Clcio como segundo mensageiro

A funo do Ca como segundo mensageiro baseado nas concentraes muito baixas de Ca livre no citossol (0,1 a 0,2 M) e a alta concentrao em outros compartimentos. Sinais ambientais podem ativar os canais de Ca na membrana deste pool de clcio e aumentar o influxo no citoplasma. Tal aumento na concentrao de Ca livre no citoplasma induzida por ABA, AIA, luz e infeco por patgenos e estresse mecnico (injrias). Assim, o Ca pode modular a ativao de vrias enzimas direta ou indiretamente. 8.6. MAGNSIO Consideraes gerais

A funo do magnsio na planta est relacionada com a sua capacidade para interagir com ligantes nucleoflicos (ex. grupos fosforil) atravs de ligaes inicas, e atuar como um elemento de ligao e ou formar complexos de diferente estabilidade. O magnsio forma um composto ternrio com enzimas na qual a ligao de ctions necessrio para estabelecer uma geometria precisa entre enzima e substrato, como por exemplo a RuBP carboxilase. Uma grande proporo do magnsio total est envolvido na regulao do pH celular e no balano ctionnion. Nas folhas a principal funo do magnsio, certamente como tomo central da molcula de clorofila. Dependendo do status de magnsio na planta, entre 6 a 25 % do magnsio total est ligado a molcula de clorofila. Como uma regra, outros 5 a 10% do magnsio total nas folhas est firmemente ligados a pectatos na parede celular ou precipitado como sal solvel no vacolo (como fosfato), e o restante 60 a 90% extravel em gua. Na maioria dos casos, o crescimento reduzido e o sintoma visual de deficincia do magnsio ocorre quando a proporo de magnsio na clorofila excede 20 a 25 %. A semelhana do Pi, o principal local de armazenamento do magnsio o vacolo, que tem grande importncia na homeostase do pool metablico, e tambm no balano ctionnion e regulao do turgor das clulas. Absoro a absoro do magnsio da soluo do solo feita na forma de Mg2+. Sua absoro reduzida em altas concentraes de ctions como o Ca2+, K+ e NH4+. Estes ctions concorrem pelo mesmo stio ativo de absoro (inibio competitiva). 79

UEM Nutrio Mineral de Plantas Transporte o magnsio transportado na seiva xilemtica na mesma forma absorvida, ou seja, como Mg2+. Redistriduio embora o magnsio seja um on divalente como o clcio, bastante mvel no floema. Assim, no caso de plantas deficientes, os sintomas iniciais aparecem predominantemente nas folhas velhas. Funes Clorofila e sntese protica

A insero do magnsio dentro da estrutura porfirnica como o primeiro passo da biossntese de clorofila caracterizada pela quelatase do magnsio, a qual necessita de ATP e magnsio. A quebra da clorofila requer duas enzimas, dequelatase do magnsio produzindo feofitina, e a clorofilase para defitilao da porfirina. O magnsio tem uma funo essencial como um elemento de ligao para a agregao das subunidades do ribossomo, processo este necessrio para a sntese de protena, atividade da RNA polimerase e formao do RNA do ncleo. Nas clulas da folha, no mnimo 25 % da protena total est localizada nos cloroplastos. Isto explica o porque da deficincia de magnsio afetar o tamanho, a estrutura e a funo dos cloroplastos, incluindo o processo de transferncia de eltrons no fotossistema II. Em plantas deficientes em magnsio, a redistribuio das folhas velhas para as novas aumentada, e o sintoma de deficincia aparece nas folhas novas, indicando aumento na taxa de degradao de protena, incluindo protenas estruturais dos tilacides. O enfraquecimento na exportao de fotoassimilados outro fator conduzindo ao aumento na degradao da clorofila em folhas deficientes em magnsio. Ativao enzimtica, fosforilao e fotossntese

H uma grande lista de enzimas e reaes enzimticas que requerem ou so fortemente promovidos pelo magnsio, por exemplo, a sntese da glutationa ou PEP-carboxilase. Para esta ltima enzima na presena de magnsio, o substrato PEP ligado em maior quantidade e mais firmemente. A maioria das reaes dependentes de magnsio podem ser categorizadas pelo tipo de reao, como a transferncia de fosfato ( ex. fosfatases e ATPases, ou de grupos carboxil (ex. carboxilases). Nestas reaes o magnsio preferencialmente ligado ao nitrognio e grupos fosforil como o caso do ATP. O substrato para as ATPases, bem como para as PPiases inorgnicas o Mg-ATP mais do que o ATP livre. O complexo Mg-ATP formado com razovel estabilidade acima de pH 6,0. Este complexo pode ser usado pelo stio ativo das ATPases para a transferncia do grupo fosforil de alta energia (ex. ATPase ligado 80

UEM Nutrio Mineral de Plantas a membrana). Em clulas meristemticas de razes com suficiente teor de magnsio, cerca de 90% de ATP citoplasmtico complexado ao magnsio. A sntese de ATP (fosforilao: ADP + Pi ! ATP) tem um requerimento absoluto pelo magnsio como um componente de ligao entre o ADP e a enzima. Como mostrado na Quadro 8.6, a sntese de ATP em cloroplastos isolados (fotofosforilao) aumentada consideravelmente pelo suprimento extremo de magnsio. Outra reao chave do magnsio a modulao da RuBP carboxilase (ribulose 1,5 bisfosfato oxidase/carboxilase Rubisco) no estroma do cloroplasto. A atividade desta enzima altamente dependente de magnsio e do pH. O magnsio ligando-se a enzima aumenta sua afinidade (diminui o Km) pelo substrato (C02) e a taxa de ressntese da enzima (aumento da Vmax). Nos cloroplastos a atuao da RuBP carboxilase est relacionado ao incremento do pH e da concentrao de magnsio no estroma. Durante a iluminao, os H+ so bombeados do estroma para dentro do lmen do tilacide, criando um gradiente de H+ no estroma requerido para a sntese de ATP. Este transporte de H+ contrabalanado pelo magnsio do lmen para o estroma (de 2 para 4 mM) tornando-o mais alcalino (7,6 para 8,0 em trigo). Alteraes nesta magnitude no pH e na concentrao de magnsio suficiente para aumentar a atividade da rubisco e outras enzimas do estroma que dependem da concentrao de magnsio e do pH (acima de 6,0). Quadro 8.6 Efeito dos ctions no meio de incubao na fotofosforilao de cloroplastos* isolados de ervilha Taxa de fotofosforilao (mol ATP formado mg-1 clorofila h-1) 12,3 34,3 4,3

Ction no meio** de incubao Nenhum 5 mM Mg2+ 5 mM Ca2+

*Baseado em Lin e Nobel (1971). **Incubao em meio contendo ADP, Pi, e ction como indicado Fonte: Marschner, 1997.

Outras enzimas importantes necessitam de Mg e pH a um nvel timo, como a frutose 1,6 bisfosfofrutocinase, que regula a partio entre sntese de amido no cloroplasto e a exportao de triose fosfato. 8.7. ENXOFRE Consideraes gerais

A assimilao do enxofre tem muitas caractersticas comuns com a assimilao do nitrato. Por exemplo, a reduo necessria para a incorporao do enxofre em aminocidos, protenas e coenzimas. Nas folhas verdes a 81

UEM Nutrio Mineral de Plantas ferredoxina o redutor do sulfato. Diferentemente do nitrato, o sulfato pode tambm ser utilizado sem a reduo e incorporao em estruturas orgnicas tais como, sulfolipdios nas membranas ou polissacardeos como o gar. Tambm em contraste com o nitrognio, o enxofre reduzido da cistena pode ser convertido a sulfato, forma de armazenamento nas plantas. A oxidao de enxofre reduzido de compostos tambm parece ter uma importante funo como um sinal (feedback) negativo para a reduo do sulfato. Absoro em condies aerbicas do solo, a forma de enxofre predominante a do sulfato (S042-), e essa forma absorvida pelas razes das plantas. As plantas podem absorver via foliar (via estmatos), principalmente o S02 (sulfito) atmosfrico. Embora este gs seja absorvido de forma pouco eficiente, algumas plantas podem suprir grande quantidade do enxofre necessrio ao seu desenvolvimento. Alm do sulfato, a planta pode absorver aminocidos contendo enxofre como o caso da cistena e da metionina. O Cl e o Si024 competem pelo mesmo stio de absoro no sistema radicular. Transporte o transporte de enxofre no xilema predominantemente na forma de S02-4, embora dependa da proporo de enxofre reduzido e/ou assimilado no sistema radicular. Plantas como a ervilhaca podem reduzir quantidades razoveis de sulfato no sistema radicular. Desta forma quantidade significativas de aminocidos sulfurados e de glutationa podem ser encontrados no xilema. Redistribuio embora o enxofre pertence a classe dos nutrientes de alta mobilidade na planta, ele na verdade pouco redistribudo. A sua redistribuio est condicionada ao status da nutrio nitrogenada da planta. Reduo e assimilao do sulfato (S042-) nos compostos orgnicos (principal forma de enxofre nas plantas) o enxofre aparece na forma reduzida. Como a forma de enxofre absorvida pelas razes est na forma oxidada (S02-4), este nion divalente deve sofrer uma etapa de reduo e/ou assimilao como o caso do nitrato. O primeiro passo na assimilao do S a ativao do on S042- pelo ATP (Figura 8.7). Nesta reao, a enzima sulfurilase do ATP catalisa a substituio de dois grupos fosfatos do ATP por um grupo sulfuril, formando adenosina fosfosulfato (APS) e pirofosfato. Para a reduo, o grupo sulfuril da APS liga-se a um tiol (-SH) de um carreador de baixo peso molecular, provavelmente a glutationa reduzida. Segue-se a transferncia de eltrons da ferredoxina para a reduo do grupo tiosulfato e a incorporao/assimilao do grupo -SH cistena. A cistena, como primeiro produto estvel formado, atua como precursor para a sntese de todos os outros compostos orgnicos sulfurados, sendo essencial para a sntese de protenas (MARSCHNER, 1997).

82

UEM Nutrio Mineral de PlantasCoenzimas Protena Outros

SO4 =

ATP

APS

GSH

CistenaAcetil-Serina

AMP + PPi

GS-S

Fdox Fdred

Figura 8.7 Rota de assimilao do enxofre em plantas superiores.

Funes metablicas do enxofre - o enxofre um constituinte dos aminocidos cistena e metionina e consequentemente de protenas. Ambos os aminocidos so precursores de outros compostos contendo enxofre tais como, coenzimas e produtos secundrios da planta. o enxofre um constituinte estrutural destes compostos (ex. R1 - C S C - R2) ou atua como grupo funcional (ex. R-SH) diretamente envolvida nas reaes metablicas. Cerca de 2 % do S orgnico reduzido na planta est presente na frao tiol (SH) solvel em gua, em condies normais o tripeptdeo glutationa ocorre em mais de 90% desta frao. O S faz parte tambm de constituintes estruturais de muitas coenzimas e grupos prostticos tais como a ferredoxina, biotina (vitamina H) e a tiamina pirofosfato (vitamina B1). O grupo sulfidrilo (-SH) atua como grupo funcional de muitas enzimas e coenzimas como a urease, sulfotransferase e a coenzima A. Na rota glicoltica por exemplo, a descarboxilao do piruvato e a formao do acetil coenzima A so catalisadas por um complexo multienzimtico envolvendo trs coenzimas contendo enxofre: tiamina pirofosfato (TPP), cido lipico (sistema redox) e um grupo sulfuril de coenzima A:C02

CH3 C=0 C00H TPP, cido lipico

C02 CoA -SH (Complexo multienzimtico)

CH3i C=0 B

in ot

a

cido Graxo

C02

S - CoA

Ciclo do cido Tricarboxlico

O grupo acetil (-C0-CH3) da coenzima A transferido para o ciclo do cido tricarboxlico ou para a sntese de cido graxo. O acoplamento das unidades de dois carbonos (acetil) requer carboxilao transiente, que mediado por outra coenzima contendo S chamada biotina ativada por Mn2+. A cistena, tem um efeito particular na estrutura e funo das protenas. A formao reversvel da ligao dissulfdica entre os resduos adjacentes de cistena na cadeia 83

UEM Nutrio Mineral de Plantas polipeptdica de fundamental importncia na estrutura terciria e consequentemente na funo das enzimas. As ferredoxinas so protenas contendo Fe-S, de baixo peso molecular, contendo uma alta proporo de unidades de cistena. As ligaes entre Fe-S conferem ao composto um potencial redox altamente negativo (-0,43 V), podendo desta forma reduzir grande quantidade de compostos no metabolismo da planta como, por exemplo o nitrito atravs da Redutase do Nitrito (RNi), o sulfato atravs da Redutase do Sulfato, reduo do N2 pela Nitrogenase e o NADP+. Os mais importantes compostos contendo S do metabolismo secundrio so as alinas e os glicosinolatos. Estes compostos volteis do o cheiro caractersticos que se desprende de alguns produtos como a cebola, alho e mostarda. Estes produtos parecem ser importantes na defesa das planta, embora no haja consenso neste sentido. O enxofre em sua forma no reduzida (ster sulfato) um componente de sulfolipdios, constituinte estrutural de todas as membranas biolgicas. O sulfato ligado aos lipdios por uma ligao ster, como por exemplo a glicose. Aproximadamente 5% dos lipdios do cloroplasto so sulfolipdios. Os sulfolipdios podem tambm estar envolvidos na regulao do transporte de ons atravs das biomembranas, e na tolerncia a sais.

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9.FUNES DOS NUTRIENTES MINERAIS: MICRONUTRIENTES 9.1. FERRO Consideraes Gerais3+

Em sistemas aerados mantidos na faixa do pH fisiolgico, a concentrao de Fe e Fe2+ est abaixo de 10-15 M. No solo a forma predominante de Fe solvel se encontra como quelatos de Fe3+ e ocasionalmente Fe2+. O Fe, como um elemento de transio, caracterizado pela relativa facilidade pela qual altera seu estado de oxidao, Fe3+ Fe2+

e pela habilidade para formar complexos octadricos com vrios ligantes. Dependendo do ligante, o potencial redox do Fe varia amplamente. Esta variabilidade fornece uma importncia especial aos sistemas redox. A alta afinidade do Fe por vrios ligantes (ex. cidos orgnicos e fosfato inorgnico), importante para o transporte a curta distncia nas plantas. Em sistemas aerbicos, muitos quelatos de Fe de baixo peso molecular, e o Fe livre em particular (Fe3+ e Fe2+) so mais efetivos na produo de radicais oxignio, hidroxila e compostos relacionados, como por exemplo: 02 + Fe2+ ! 02- + Fe3+ ou reao de Fenton, H202 + Fe2+ ! Fe3+ + 0H + 0H. Estes radicais so responsveis pela peroxidao de cidos graxos poliinsaturados de membranas lipdicas. Para evitar danos oxidativos o Fe deve estar firmemente ligado ou incorporado em estruturas o que permite controlar reaes de oxirreduo reversveis, incluindo aquelas na proteo contra compostos oxidantes. Absoro - as formas Fe2+ , Fe3+ ou com quelado (complexado) predominam na soluo do solo. Nos sistemas arejados e no pH fisiolgico o Fe provavelmente encontra-se na forma de quelato-Fe3+. A forma trivalente (Fe3+) possui grande resistncia para atravessar a membrana plasmtica. Assim, a principal forma absorvida e utilizada no metabolismo da planta e a ferrosa (Fe2+). Para isso o elemento que se encontra no solo na forma trivalente (Fe3+) deve ser reduzida a forma divalente (Fe2+). O Fe3+ normalmente reduzido a Fe2+ na membrana plasmtica pela doao de eltrons ao Fe3+ transformando-o em Fe2+, facilitando assim a absoro deste elemento. As gramneas utilizam estratgias de absoro diferentes das no-gramneas. 85

UEM Nutrio Mineral de Plantas Observa-se na prtica que quando as plantas esto sob deficincia de Fe, excretam substncias capazes de reduzir o Fe3+ para Fe2+ facilitando sobremaneira a absoro pelos motivos j citados. Altas concentraes de ctions, principalmente Mn (solos cidos) podem inibir competitivamente a absoro de Fe, com subsequente aparecimento de sintomas de deficincia nas plantas. Transporte o Fe transportado via xilema para a parte area na forma complexada com cido ctrico (Fe+++-citrato). Redistribuio o Fe possui pouca mobilidade na planta. Desta forma comum no caso de deficincia do elemento, o aparecimento de sintomas inicialmente nas folhas novas, progredindo para a toda planta dependendo da severidade da deficincia. Nas folhas verdes, 80% do Fe est localizado nos cloroplastos na forma de fitoferretina (Fe0.0H)8 . Fe0.0P03H2), servindo como reserva no estroma dos cloroplastos. Funes Como constituinte de vrios sistemas redox O Fe possui grande capacidade redox (Fe3+ Fe2+) o que o torna importante nos processos de oxirreduo no metabolismo da planta. Participa na reao de uma grande quantidade de enzimas. Faz parte como hemoprotena de enzimas importantes como as citadas abaixo: - Citocromos importante na transferncia de eltrons na respirao e na fotossntese. - Catalase faz a transformao (dismutase) do perxido de hidrognio (H202), txico as plantas, em gua e oxignio. Reao: 2H20 2 H20 + 02 - Peroxidases - a exemplo da catalase transforma compostos txicos em gua. Reao: XH2 + H202 X + 2H20 - Leghemoglobina encontrada principalmente nos ndulos de leguminosas, possui importante papel em manter baixas tenses de oxignio prximo a enzima Nitrogenase, evitando assim a inibio de sua atividade (02 + 2H2 + e- ! H20) As hemoprotenas nada mais so do que enzimas que apresentam o grupo heme (complexo Fe-porfirina) como grupo prosttico. 86

UEM Nutrio Mineral de Plantas Alm da hemoprotenas, o Fe faz parte de protenas contendo enxofre chamadas protenas Fe-S, as quais so importantssimas no metabolismo da planta. Um exemplo importante deste grupo a ferredoxina, que catalisa a transferncia de eltrons em um grande nmero de processos metablicos, como na fotossntese, na fixao biolgica do N2, na reduo, do sulfato e na redutase do nitrato (N03- ! N02-). Sntese de clorofila e de protena

Como regra, a deficincia de Fe tem muito menos efeito no crescimento da folha, nmeros de clulas por unidade de rea ou no nmero de cloroplastos por clula do que no tamanho do cloroplasto e contedo de protena. Somente com a deficincia severa de Fe h inibio da diviso celular, e consequentemente reduo no crescimento foliar. O Fe requerido na sntese protica e o nmero de ribossomos (stio de sntese de protenas) reduzido nas clulas das folhas deficientes em Fe. A deficincia afeta mais a sntese de protena no cloroplasto do que no citoplasma. Na membrana do tilacide, os tomos de Fe esto diretamente envolvidos. O alto requerimento de Fe para manter a integridade funcional e estrutural da membrana do tilacide, o adicional requerimento deste elemento para a ferredoxina e na biossntese de clorofila, explica a alta sensibilidade dos cloroplastos e dos tilacides a deficincia de Fe ( Figura 9.1).

Figura 9.1 Estrutura fina de cloroplastos em plantas de soja suficientes (acima) e deficientes em ferro (abaixo). (MARSCHNER, 1997). Na sntese de clorofila o Fe indispensvel em duas etapas ; a) na sntese do delta-aminolevulnico (ALA) e na formao do protoclorofildio, que na presena de luz produz a clorofila propriamente dita (Figura 9.1.1). 87

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Figura 9.1.1 Funo do ferro na biossntese da clorofila.

9.2. MANGANS Consideraes Gerais

O Mn pode existir em vrios estados de oxidao. No solo as principais so Mn2+ e Mn3+ e est em grande parte (90%) complexado compostos orgnicos. A sua disponibilidade no solo aumenta com a acidez devido a maior solubilidade dos compostos contendo Mn, e diminui com o decrscimo do potencial de oxirreduo do solo, como por exemplo em alagamento, onde ocorre a solubilizao de xidos de Mn, podendo causar toxicidade as plantas. Absoro o mangans absorvido pelo sistema radicular na forma divalente (Mn2+), provavelmente com gasto de energia metablica, portanto, ativamente. A absoro do Mn inibida competitivamente na presena de altas concentraes de ctions. Transporte o transporte do mangans via xilema ocorre na mesma forma que absorvida (Mn2+). Redistribuio recentes publicaes colocam o Mn como um elemento de baixa mobilidade, como o caso do Ca. Os sintomas de deficincia do elemento ocorre primeiro nas folhas mais novas. 88

UEM Nutrio Mineral de Plantas Funes As funes bioqumicas do Mn so semelhantes ao do Mg, entretanto, a concentrao do Mg aproximadamente 100 vezes maior do que a concentrao do Mn. Fotoxidao da gua

Juntamente com o Cl o Mn desempenha funo essencial na fotoxidao da gua dentro do lmen do cloroplasto durante a fase fotoqumica do processo fotossinttico (Figura 9.2).

e2H2O 4H+ + O2"evoluoFigura 9.2 Esquema mostrando a importncia do Mn na fotoxidao da gua no fotossistema II. A deficincia de Mn na planta reduz o fluxo de eltrons do fotossistema II (FS II) para o fotossistema I (FS I ), ocasionando como conseqncia a reduo na produo de compostos redutores (ATP e NADPH) que seriam utilizados na fixao de C02 na fase bioqumica. Com a reduo da produo de ferredoxina, alm da fase bioqumica da fotossntese, outros processos relacionados com esta protena so drasticamente prejudicados, como por exemplo a reduo do nitrato e do sulfato. Ativador enzimtico

4 Mn+3Manganoprotena

Fotosistema II4e -

hv

4 Mn+2

O Mn o grupo prosttico de vrias isoformas de Superxido Dismutase (SOD) que protegem os cloroplastos dos efeitos danosos dos superxidos, como demostrado abaixo, gerados durante a fotossntese e outros processos metablicos. As reaes mais comuns podem ser observadas abaixo: 02 + e- ! 02- (superxido) 02- + 02- + 2H+ __ Mn SOD! H202 + 02 ! 89

UEM Nutrio Mineral de Plantas H202 __ Catalase !2 H20 + 02 Como ativador metlico o Mn possui importante papel nas enzimas mlica e na desidrogenase do isocitrato. Malato + NADP+ __ Enzima Mlica !Piruvato + NADPH + HC02 Isocitrato + NADP+ __ DHI ! AOA + NADPH + H+ + C02 Sintese de Protena

O Mn ativa a Polimerase do RNA, e constituinte estrutural dos ribossomos. Assim, a deficincia deste elemento na planta vai ter efeito negativo na sntese de protenas e na multiplicao celular. - Metabolismo de fenis O Mn requerido em vrioas passos na biossntese de lignina. Plantas deficientes deste elemento principalmente no sistema radicular, um importante fator da baixa resistncia das razes a agentes patognicos. Alongamento e diviso celular

A inibio do crescimento radicular em plantas deficientes em Mn causado pela falta de carboidratos bem como pelo requerimento direto para o crescimento. Na deficincia de Mn o alongamento mais afetado do que a diviso celular. 9.3. COBRE Consideraes Gerais

O cobre se encontra no solo basicamente na forma divalente (Cu2+) e possui grande capacidade de ligar-se a cidos hmico e flvico. Mais de 98% do cobre na soluo do solo est complexado como quelato com compostos orgnicos como aminocidos, compostos fenlicos e outros quelantes. O cobre participa de vrias reaes de oxirreduo (Cu2+ Cu+), sendo o Cu+ muito instvel. Absoro as razes das plantas absorvem o cobre na forma divalente (Cu2+). Transporte mais de 99% do Cu na seiva xilemtica transportado complexado com aminocidos e at protenas (quelado).

90

UEM Nutrio Mineral de Plantas Redistribuio a redistribuio do cobre via floema baixa, mas depende da quantidade do elemento no tecido. Plantas bem supridas com cobre redistribuem com maior facilidade do que plantas com deficincia deste elemento. Neste ltimo caso, os sintomas de deficincia aparecem primeiro nas folhas novas. Funes Contituinte de molcuas de protena

Trs diferentes formas de protenas existem na qual o Cu o componente metlico (Cu-protena); a) protenas azuis sem atividade oxidade (ex.: plastocianina) que funcionam na transferncia de eltrons; b) protenas no azuis as quai representam as peroxidases e, c) protenas multicores que contm no mnimo 4 tomos de Fe por molcula que atuam como oxidases e catalizam a reao, 2AH2 + 02 ! 2A + 2H20 A citocromo oxidase uma protena que contm ferro e cobre e catalisa a oxidao terminal na cadeia transportadora de eltrons na mitocndria. Plantas deficientes em cobre possui a taxa fotossinttica reduzida por vrios motivos. Mais de 50% do Cu localizado nos cloroplastos esto ligados a plastocianina, que faz a transferncia dos eltrons do citocromo b6/f para o fotossistema I na fase fotoqumica da fotossntese. Esta fase comprometida nas plantas deficientes deste elemento (Quadro 9.3) Quadro 9.3 Efeito do cobre sobre o contedo de pigmentos e transporte fotossinttico de eltrons no FSI e II, em cloroplastos de espinafrePigmento -1 (g g folha seca) Carotenides Plastoquinona 248 156 106 57 Plastocianina -1 (n tomosmg clorofila) 5,16 2,08 Atividade Relativa FS FSII FSI 100 66 100 22

Tratamento+Cu - Cu

Clorofila 1.310 980

Fonte: Baszynski et al (1979), em MARSCHNER (1997)

O Cu est tambm envolvido na enzima Cu-Zn Superxido Dismutase (CuZnSOD) que est diratemente envolvida no mecanismo de detoxificao do superxido gerado na fotossntese. Esta enzima est localizada alm dos cloroplastos, na mitocndria e nos glioxissomos. Neste ltimo, a CuZnSOD tem a funo de controle da peroxidao dos lipdios na membrana, e portanto, na senescncia. 91

UEM Nutrio Mineral de Plantas Outras enzimas importantes em que o Cu faz parte a Ascorbato Oxidase, a Lacase (responsvel pela sntese de plastoquinonas) e a Fenolase (responsvel pela sntese de lignina, alcalides e outras). Metabolismo de carboidratos

Como descrito anteriormente, o Cu afeta a sntese de plastocianina, por conseguinte afeta a sntese de carboidratos pelos motivos j expostos. Nodulao e fixao de nitrognio

No processo de fixao biolgica de nitrognio, os rizbios necesitam de carboidratos para que ocorrea o processo simbitico. Como a deficincia de Cu, reduz o suprimento de carboidratos para as razes, h o comprometimento tanto da nodulao como da fixao do nitrognio. H necessidade de Cu para a sntese de leghemoglobina e atividade do citocromo oxidase na respirao do bacteriide. Lignificao das paredes celulares

A reduo na lignificao da parece celular a mais tpica alterao anatmica induzida por deficincia de Cu em plantas superiores. Este efeito na lignificao mais distinto nas clulas esclerenquimticas do tecido do colmo (Figura 9.3).

Figura 9.3 Seo do colmo de girassol crescido com suprimento suficiente de Cu ( 50 g Cu l-1) e sem suprimento de Cu. (Acima) Suficiente em Cu; asclulas da paredes esto grossas e lignificadas. (Abaixo) Deficientes em Cu; as clulas do esclernquima so finas e no lignificadas. MARSCHNER (1997).

92

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A inibio da lignificao, em tecidos deficientes em cobre, est relacionada com uma funo direta em no mnimo, duas enzimas contendo Cu na biossntese da lignina. A polifenol oxidase catalisa a oxidao de fenlicos como precursor da lignina e, a diamina oxidase produz o H202 requerido para a oxidao pelas peroxidases. Em tecidos deficientes em Cu, no somente a atividade das enzimas diminuem, mas tambm h acmulo de compostos fenlicos como pode ser observado abaixo.H - C - COOH C CIDO p -CUMARICO

+ o2Fenolase La case

LIGNINA

OH

-Cu acmulo de fenis

-

Formao de plen e fertilizao

A deficincia de Cu afeta mais a formao de gros, sementes e frutos do que o crescimento vegetativo propriamente dito. A principal razo do decrscimo na formao de rgos gerativos a formao de plens no viveis em plantas deficientes em Cu. O estdio crtico da deficincia de Cu induzindo a esterilidade do plen na macrosporognese. A alterao em plantas deficientes tambm refletido na falta de reserva de amido no gro de plen. Assim, o adequado suprimento de Cu importante para garantir a fertilizaco e consequentemente a produo final de frutos e sementes.

9.4. ZINCO Consideraes Gerais

O Zn nos solos de regies tropicais encontra-se em grande proporo adsorvido na matria orgnica e argila. Sua disponibilidade no solo reduz com o aumento do pH do solo. A prtica da calagem nos solos cidos como os do cerrado agrava o problema de deficincia do elemento. Sintomas de deficincia de Zn (clorose internerval nas folhas) comum ser observado na cultura do milho principalmente em solos sob o cerrado. Na planta como em outros sistemas biolgicos, o Zn existe somente como Zn2+, e no faz parte de reaes de oxirreduo. A funo metablica do Zn 93

UEM Nutrio Mineral de Plantas baseada na forte tendncia em formar complexos tetradricos com o N, 0 e principalmente com ligantes contendo enxofre. Assim, o Zn tem funo estrutural e funcional em reaes enzimticas. Absoro o Zn absorvido pelas razes das plantas na forma divalente (Zn2+), embora em pH mais alto este elemento pode ser absorvido na forma de hidrxido de Zn (Zn0H+). A maioria dos trabalhos indicam que o Zn absorvido ativamente, portanto, com gasto de energia metablica. O Zn possui antagonismo principalmente com Cu2+ e P. Altas concentraes de fsforo formam complexos com o Zn (P-Zn) e precipitam, alm de inibir de maneira no competitiva a absoro do Zn. Transporte o Zn transportado via xilema em duas formas; complexada com cidos orgnicos (ex. citrato, malato) e na forma livre como ction divalente (Zn2+). Redistribuio a redistribuio do Zn na planta feito na forma complexada com solutos orgnicos de baixo peso molecular. Sua redistribuio depende fundamentalmente da disponibilidade de Zn na planta. Como um nutriente mineral de mobilidade intermediria, a sua deficincia na planta causa primeiramente sintomas de deficincia nas folhas jovens. Funes Atividade de vrias enzimas

O Zn funciona como grupo prosttico de vrias enzimas importantes no metabolismo da planta como por exemplo: - Desidrogenase Alcolica esta enzima contm dois tomos de zinco, um com funo cataltica e o outro com funo estrutural. Esta enzima catalisa a reduo do acetaldedo a etanol. C02 C02 PiruvatoNADH NAD+

Acetaldedo

Etanol

- Anidrase Carbnica Esta enzima contm um simples tomo de Zn e catalisa a hidratao de C02, como segue: C02 + H20 HC03- + H+ 94

UEM Nutrio Mineral de Plantas A Anidrase Carbnica (AC) est localizada tanto no citoplasma como nos cloroplastos. Nas plantas C4 ela possui grande importncia. Transforma o C02 nas clulas do mesfilo em HC03- que o substrato para a PEP-carboxilase produzir compostos orgnicos de 4 carbonos (malato ou aspartato), os quais so transportados para as clulas da bainha do feixe celular, onde a AC atua novamente transformando o HC03- em C02 que substrato da RuBP carboxilase (Rubisco). - Superxido Dismutase (CuZnSOD) Esta enzima est associada com o cobre e sua funo j foi discutida anteriormente . A deficincia de Zn reduz a atividade da SOD, ocorrendo aumento na produo de 02- (superxido). Este radical txico, o principal motivo responsvel pela peroxidao de lipdios e no aumento da permeabilidade de membranas. O Zn protege os grupos SH das membranas. O Zn a semelhana do Mn um constituinte e essencial para a manuteno da integridade estrutural dos ribossomos. A funo do Zn no metabolismo do RNA e DNA, na diviso celular e na sntese de protenas, documentado por vrios anos, mas somente recentemente tem-se identificado essa classe de protena contendo Zn (Metaloprotena-Zn), a qual est envolvida na replicao do DNA, transcrio e traduo e por consequncia na regulao da expresso gnica. Para a traduo, o Zn requerido nesta protena para ligar ao gene especfico para formar os complexos tetradricos, com os resduos de aminocidos da cadeia polipeptdica. Em plantas deficientes em Zn ocorre reduo drstica na sntese de protena e no contedo total da planta enquanto os aminocidos acumulam-se. Isto decorrncia de basicamente 4 causas: a) o Zn um componente estrutural dos ribossomos e essencial para sua integridade estrutural; b) na ausncia de Zn, os ribossomos desintegram-se (h rpida ressntese dos mesmos quando a planta suprida com Zn); c) o Zn regula a atividade da Rnase, que ativa a desintegrao do RNA, e por ltimo o Zn um componente da RNA polimerase que sintetisa o RNA a partir da polimerizao dos nucleotdeos. Resultados ilustrativos do exposto acima podem ser observados no Quadro 9.4. Quadro 9.4 Efeito do Zn sobre o crescimento, atividade de RNAse e N-protico em Glycine wighii Mat. fresca Ativ. Rnase N-protico (% Zn (mg l-1) -1 (g planta. ) (%)* Mat. fresca) 0,005 0,01 0,05 0,10 4,0 5,1 6,6 10,0 74 58 48 40 1,82 2,25 2,78 3,65

* porcentagem de hidrlise do substrato RNA. Fonte: Johnson & Simons (1979), em MARSCHNER (1997).

95

UEM Nutrio Mineral de Plantas Sntese de cido indolactico (AIA)

O mais distinto sintoma da deficincia de Zn que a reduo do crescimento e formao de folhas pequenas, esto relacionadas aos distrbios no metabolismo de auxinas, AIA em particular. Em plantas de tomates deficientes, a reduo no alongamento est correlacionado com o decrscimo no nvel de AIA, e a retomada ao crescimento normal e aumento no nvel de AIA pode ser observada aps o suprimento do Zn a planta. O baixo nvel de AIA e, plantas deficientes em Zn pode ser o resultado da inibio da sntese ou aumento da degradao do AIA. O triptofano o precursor comum para a biossntese de AIA como mostrado abaixo.CH2 - COOHN N

CH2 - CH - COOHN

H

Sinte t ase do Triptofano

NH2H H

Indol

Triptofano

AIA

-

Metabolismo de carboidratos

Muitas enzimas dependentes de Zn esto envolvidas no metabolismo das folhas em particular. Alm da funo na reao da anidrase carbnica (AC) o Zn requerido, por exemplo, para a atividade das enzimas chaves como na frutose 1,6 bisfosfatase e na aldolase, que produzem a frutose-6-fosfato e as trioses fosfatos (gliceraldedo-3-fosfato e a diidroxiacetona-fosfato), respectivamente, durante o processo fotossinttico. O declnio na atividade da AC em folhas deficientes em Zn a mais sensvel e bvia alterao na atividade enzimtica no metabolismo de carboidratos.

9.5. MOLIBDNIO Consideraes Gerais

O molibdnio (Mo) ocorre na soluo do solo como molibdato (Mo042-) e na sua forma mais oxidada (HMo04-) . um dos micronutrientes menos abundante no solo e o requerimento pelas plantas, menor do que para outros nutrientes minerais, com exceo ao nquel. A sua disponibilidade no solo aumenta com o aumento do pH. Assim, a calagem pode resolver ou corrigir a deficincia deste micronutriente no solo. As funes do Mo na nutrio das plantas esto relacionadas com a alteraes nas valncias como componente metlico nas enzimas. No estado oxidado o Mo est como MoVI, e pode ser reduzido a MoV e MoIV. 96

UEM Nutrio Mineral de Plantas Nas plantas superiores poucas enzimas contm Mo como cofator. Nestas enzimas, o Mo tem uma funo cataltica e estrutural e est diretamente envolvido em reaes redox. Estas enzimas so a Redutase do Nitrato, a Nitrogenase, a Xantina Oxidase/Desidrogenase e possivelmente a Redutase do Sulfito. Assim, as funes do Mo esto inteiramente relacionada ao metabolismo do nitrognio. Absoro o Mo absorvido do solo predominantemente na forma Mo042(pH acima de 5,0), provavelmente de forma ativa. A absoro e o transporte so aumentados (efeito sinrgico) na presena de H2P04-, provavelmente pelo deslocamento do Mo das zonas de absoro no solo. J a presena de sulfato (S042-) tem efeito inibitrio na absoro do molibdato ( Mo042-). Transporte o transporte a longa distncia o Mo prontamente mvel, tanto no xilema como no floema. A forma pelo qual o Mo transportada desconhecida, mas as propriedades qumicas indicam que ele mais transportado na forma Mo042- do que na forma complexada com aminocidos ou acares. Redistribuio o Mo redistribudo possivelmente como Mo042-, e sua mobilidade no floema intermediria. Funes

Constituinte enzimtico a) Nitrogenase

A nitrogenase a enzima chave para todos os microrganismos que fixam nitrognio. Esta protena possui em sua estrutura Mo, Fe e S. Em solos deficientes, a aplicao do Mo estimula o crescimento das plantas pelo aumento da fixao de N2. A resposta no peso seco com o aumento na disponibilidade do Mo espetacular e, reflete indiretamente o aumento na capacidade de fixao de N2 causado por este nutriente mineral. A aplicao do micronutriente junto as sementes de leguminosas na semeadura, ou mesmo na adubao foliar, tem dado boas respostas na produo. Em solos com baixas disponibilidade de Mo, o efeito da aplicao do Mo depende de como o N aplicado. Como mostrado na Quadro 9.5, o Mo aplicado tanto em plantas de soja noduladas, como nas no noduladas, aumentam o contedo e a produo de gros somente nas plantas noduladas, com ou sem o suprimento de N (como fertilizante). Isto demonstra que nos solos com baixa disponibilidade de Mo possvel substituir a aplicao do fertilizante N, para leguminosas pela aplicao deste micronutriente combinado com a infeco de rizbios.

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UEM Nutrio Mineral de Plantas Quadro 9.5 Efeito do suprimento dos fertilizantes N e Mo no contedo de N foliar e produo de sementes de plantas* de soja noduladas e nonoduladasNo-nodulado (kg N ha-1) Tratamento (g Mo ha-1) Nitrognio (% PS folha) Prod. Sem. (t ha-1) 0 34 0 34 0 3,1 3,6 1,71 1,62 67 4,6 4,7 2,66 2,67 134 5,3 5,3 3,00 2,94 201 5,6 5,6 3,15 3,16 0 4,3 5,7 2,51 3,05 Nodulado (kg N ha-1) 67 5,1 5,5 2,76 3,11 134 5,4 5,6 3,08 3,23 201 5,6 5,6 3,11 3,13

*As plantas foram crescidas em solo com pH 5,6. Baseado em Parker e Harris (1977).

b) Redutase do Nitrato A Redutase do Nitrato (RN) um enzima dmera que contm 3 grupos prostticos que transferem eltrons; uma flavina (FAD), heme e Mo. Durante a reduo do N os eltrons so transferidos diretamente do Mo para o nitrato (N03-) formando N02-. Plantas deficientes em Mo acumulam nitrato e podem apresentar deficincia de N. Nesta situao, tanto o teor de clorofila como o crescimento da planta so reduzidos.

9.6. CLORO Consideraes Gerais

O cloro ocorre na soluo aquosa como on monovalente (Cl-). Nas plantas o Cl ocorre principalmente como um nion livre ou pobremente ligado aos stios de troca. O cloro supre as plantas de vrias maneiras, como por exemplo pela reserva do solo, gua de irrigao, chuva, fertilizao e poluio do ar. comum verificar-se mais sintomas de toxicidade do elemento do que deficincia. Absoro como mencionado anteriormente o Cl pode suprir a planta de vrias maneiras. A absoro via radicular da soluo do solo ocorre como Cl-, entretanto, a planta pode suprir grande parte de sua deficincia pela absoro via foliar (poluio do ar, contaminantes, chuva, etc...) Transporte e redistribuio o cloro transportado e redistribudo pela planta na mesma forma pela qual absorvida, ou seja, como Cl-. Como o Cl na 98

UEM Nutrio Mineral de Plantas planta, praticamente no fica preso a compostos, ele facilmente redistribudo no floema Funes Evoluo de 02 na fotossntese

Desde de 1946 sabe-se da importncia do cloro no sistema de quebra da molcula da gua durante o fluxo de eltrons na fase fotoqumica da fotossntese.

O2

H2O

FS II e M++ , Cln

FS I

e-

Desde este tempo o envolvimento do cloreto na quebra da gua no stio de oxidao do FSII (tambm chamado complexo de evoluo do oxignio CEO) para a evoluo do 02 tem sido confirmado por vrios estudos em fragmentos de cloroplastos. O cloro pode atuar como ligante para a estabilizao do estado de oxidao do Mn, ou como componente de polipeptdeos associados. Os vrios polipeptdeos ligados ao FSII, fornecem cargas para a ligao do cloro, e o cloro em contrapartida, protege os polipeptdeos contra a dissociao. de bom senso esperar que com a deficincia deste elemento, o fluxo de eltrons prejudicado, e em conseqncia a fotofosforilao (produo de ATP), bem como a produo de NADPH que seria utilizado na fixao do C02 na fase bioqumica da fotossntese. Atividade da H+-ATPase no tonoplasto

As H+-ATPases e PPiases so estimuladas por vrios ctions e nions. Estas bombas so muito importantes para a regulao do pH celular e na absoro de ons, no sistema radicular. Enquanto a H+-ATPases da membrana plasmtica estimulada por ctions monovalentes (K+ principalmente) a H+ATPase do tonoplasto (membrana vacuolar) no afetada por ctions monovalentes mas sim por Cl. O efeito do Cl no estmulo da H+-ATPase do tonoplasto pode ser observada na Quadro 9.6. Regulao estomtica

O cloro pode ter uma funo essencial na regulao estomtica. A abertura e o fechamento dos estmatos mediado pelo fluxo de K+ e nions acompanhantes tais como o malato e o cloro. (Cl-). O descontrole na regulao estomtica em palmeiras o principal fator causando supresso do crescimento e sintomas de murcha em plantas deficientes em Cloro. 99

UEM Nutrio Mineral de Plantas Quadro 9.6 Efeito dos sais na bomba prton ATPase de vesculas* do tonoplasto Sal (10 mM do on monovalente) Nenhum on monovalente KCl (controle) NaCl NaBr KN03 K2S04*Baseado em Mettler et al. (1982).

Estmulo da ATPase (% do controle) 10 100 102 87 21 3

9.7. BORO Consideraes Gerais

A principal fonte de boro no solo a matria orgnica (M.O). Solos intemperizados e com baixos teores de matria orgnica, obviamente so deficientes em B. Na soluo do solo, em pH menor que 7,0, o B se encontra como cido brico (H3B03), forma esta no dissociada. A nutrio do B na nutrio das plantas ainda o menos conhecido de todos os elementos minerais. O requerimento de B por dicotiledneas muito maior do que para gramneas. Este fato explica o porqu da deficincia de B em cereais ser menos comum. O boro no constituinte enzimtico nem h evidncias convincentes que este microelemento afete a atividades enzimtica. H uma longa lista de funes postuladas do B, como por exemplo; a) no transporte de acares; b) no metabolismo do RNA; c) respirao; d) na sntese do AIA; e) metabolismo fenlico; f) membranas; g) sntese de parede celular; h) na lignificao; e i) estrutura da parede celular. Esta longa lista pode indicar, que (a) o B est envolvido em um nmero de rotas metablicas, ou (b) como efeito cascata, como conhecido por exemplo para os fitormnios. H atualmente grandes evidncias para a ltima alternativa, que a funo primria do B na biossntese e estrutura da parede celular e na integridade da membrana plasmtica. Absoro a absoro do B est relacionada ao pH e da concentrao externa do elemento. No pH fisiolgico absorvido como cido brico (H3B03). provavelmente passivamente pela baixo componente ativo, opondo pequena resistncia membrana plasmtica. Transporte o B transportado tambm na forma H3B03, e a ascenso na seiva xilemtica governada principalmente pela transpirao. 100

UEM Nutrio Mineral de Plantas Redistribuio recentes pesquisas demonstram que o B pode ser redistribudo no floema em quantidades considerveis, ao contrrio do que se pensava. Isto se deve pela grande transferncia lateral do cido brico do xilema para o floema, uma vez que o H3B03 no possui (ou possui em pequena proporo) resistncia em passar pela membrana plasmtica, por estar na forma no dissociada, portanto, comporta-se como uma molcula. A nova classificao coloca o B como um elemento de mobilidade intermediria e no como elemento de baixa mobilidade. Funes Complexos de boro com estruturas orgnicas

O cido brico tem grande capacidade para formar complexos com diis e poliis particularmente com cis-diol, como mostrado abaixo:

= C - OH = C - OH + H3BO3 =C-O =C-O B OH OH H+ + H2O

+ = C - OH = C - OH =C-O =C-O O-C= B O-C=

H+ + H2O

Estes complexos cis-diol so requeridos para a formao de complexos como: acares e seus derivados ( manitol e mananas), que so constituintes de fraes de hemicelulose e de parede celular. Em contraste, a glicose, frutose, galactose e seus derivados (ex. sacarose) no possuem configurao cis-diol e, por isso, no formam complexos boratos estveis. Outras substncias importantes possuem conformao cis-diol formando complexos estveis com borato, como o cido cafico e cido hidroxiferrlico, ambos compostos difenlicos, precursores da sntese de lignina em dicotiledneas. Verifica-se assim, que as funes do B, de maneira geral, esto relacionadas a sua capacidade de formar steres cis-diol com substratos, membranas, etc.

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UEM Nutrio Mineral de Plantas Sntese e transporte de carboidratos

O B pode facilitar o transporte de acares atravs da membrana pela formao de complexos acar-borato. Esta combinao diminui a resistncia da membrana plasmtica permitindo que os acares sejam transportados com maior facilidade. O B ainda indispensvel para a sntese da uracila, precursora direta da uridina difosfato glicose (UDPG). A UDPG, por sua vez, um dos precursores da sacarose, principal forma de acar (no redutor) transportada na planta. Em conseqncia ao exposto anteriormente, a reduo do status de B na planta pode ocasionar reduo no transporte e na sntese de carboidratos. Metabolismo de cidos nuclicos e sntese de protenas

A reduo do suprimento de B, acarreta diminuio na sntese de uridina (item anterior), que traz como conseqncia queda na sntese de RNA e de DNA, afetando diretamente a sntese de protena. Sntese da parede celular

A parede celular de plantas deficientes em B alterada drasticamente tanto nvel macroscpico (rachadura do colmo, desordem do talo oco), como nvel microscpico. O dimetro da parede celular e a proporo do peso da matria seca total aumenta em tecidos deficientes em B. A parede celular primria no plana mas caracterizado por deposies de agregaes vesiculares misturadas com material membranoso. H grande concentrao de substncia pcticas e grande proporo de incorporao de glicose em B-1,3 glucano, o principal componente da calose, que acumula-se na seiva dos tubos das plantas deficientes em B, reduzindo assim, o transporte no floema. Em razes de tomate as irregularidades ocorrem aps 8 horas da falta do elemento, indicando que o B no s se complexa fortemente com os constituintes da parede celular, mas tambm requerido para a integridade estrutural pela formao de steres cis-borato. As dicotiledneas possuem maior proporo de compostos com a configurao cis-diol nas parede celulares, principalmente hemicelulose e precursores da lignina do que as monocotiledneas. Nas primeiras (ex. girassol) superior a 30 g g-1 de matria seca, enquanto que em monocotiledneas (ex.: milho) varia de 3 a 5 g g-1 de matria seca. Admite-se que as funes do B nvel de parede celular, so semelhantes as do Ca, uma vez que ambos regulam a sntese e a estabilidade dos constituintes celulares, inclusive da membrana plasmtica. Sntese de AIA e crescimento da planta

Na deficincia de B ocorre rpida paralisao do crescimento dos meristemas apicais da planta. H estreita correlao entre a atividade da oxidase 102

UEM Nutrio Mineral de Plantas do AIA, que controla o nvel de AIA no tecido, com a elongao radicular em tecidos deficientes do micronutriente. Assim, a paralisao do crescimento dos meristemas apicais em plantas deficientes em B resultado da menor elongao e da acumulao de nveis txicos de AIA. Germinao do plen e do crescimento do tubo polnico

Nas flores a demanda de B para o crescimento do tubo polnico fornecido pelo estigma ou pelo tecido. No milho um mnimo de B de 3 g g-1 de matria seca requerido no tecido para a germinao e fertilizao. O nvel de deficincia crtica no estigma, pode variar consideravelmente entre cultivares e espcies. O alto nvel de B no estigma e no estame necessrio para a inativao fisiolgica da calose da parede do tubo polnico pela formao de borato-calose e sntese de fitoalexinas (incluindo fenis), no estigma e estilete, como mecanismo de defesa similar a infeco microbiana. Em particular a funo do B no crescimento do tubo polnico o principal fator responsvel pela alta demanda de B para a produo de gros e sementes, o que o torna mais importante do que para o crescimento vegetativo (ex. milho, trevo branco, etc). O B afeta tambm a fertilizao pelo aumento na capacidade de produo e viabilidade do plen nas anteras. Efeitos indiretos tambm podem ser importantes, como o incremento na quantidade e composio de acar no nctar das flores, tornando-as mais atrativas para a polinizao. Gliclise e sntese de materiais para a parede celular

O B forma complexo estvel com o 6-P-gliconato produzindo 6P-gliconatoborato. Este complexo regula a atividade da enzima 6-P-gliconato desidrogenase, e consequentemente a via das pentoses fosfato, favorecendo a via glicoltica. Quando h deficincia de B, no h formao de complexo 6-P-gliconato-borato e o ciclo das pentoses-fosfato aumentada. O aumento desta rota determina aumento na produo de fenis e de AIA. O acmulo de fenis e de AIA, por sua vez, causa a necrose to comum de ser observadas em plantas deficientes em B (ex. talo oco em couve-flor). Estrutura e permeabilidade de membranas

O B possui grande influncia sobre a atividade de enzimas presas as membranas, principalmente sobre a Na+,K +-ATPase. Desta forma, o B tem funo na manuteno do potencial de membrana. Aqui est outro motivo pelo qual o B pode interferir no transporte de carboidratos na planta.

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