UNIDADE IV

NUTRIO MINERAL DE PLANTAS

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NUTRIO MINERAL DE PLANTAS

1 INTRODUO

As plantas so organismos autotrficos que vivem entre dois ambientes inteiramente inorgnico, retirando CO2 da atmosfera e gua e nutrientes minerais do solo. Os nutrientes minerais so adquiridos primariamente na forma de ons inorgnicos e entram na biosfera predominantemente atravs do sistema radicular da planta. A grande rea superficial das razes e sua grande capacidade para absorver ons inorgnicos em baixas concentraes na soluo do solo, tornam a absoro mineral pela planta um processo bastante efetivo. Alm disso, outros organismos, como os fungos (micorrzicos) e as bactrias fixadoras de nitrognio, freqentemente contribuem para a aquisio de nutrientes pelas plantas. Depois de absorvido, os ons so transportados para as diversas partes da planta, onde so assimilados e utilizados em importantes funes biolgicas.

O estudo de como as plantas absorvem, transportam, assimilam e utilizam os ons conhecido como NUTRIO MINERAL. Esta rea do conhecimento busca o entendimento das relaes inicas sob condies naturais de solo (salinidade, acidez, alcalinidade, presena de elementos txicos, como Al3+ e metais pesados, etc), porm, o seu maior interesse est ligado diretamente agricultura e produtividade das culturas. Alta produo agrcola depende fortemente da fertilizao com elementos minerais. No entanto, as plantas cultivadas, tipicamente, utilizam menos da metade dos fertilizantes aplicados. O restante pode ser lixiviado para os lenis subterrneos de gua, tornar-se fixado ao solo ou contribuir para a poluio do ar. Assim, torna-se de grande importncia aumentar a eficincia de absoro e de utilizao de nutrientes, reduzindo os custos de produo e contribuindo para evitar prejuzos ao meio ambiente.

2 ELEMENTOS ESSENCIAIS

a) Definio e Classificao

Utilizando-se a definio inicial de Arnon & Stout (1939), o elemento considerado essencial quando atende aos trs critrios seguintes:

O Elemento deve estar diretamente envolvido no metabolismo da planta (como constituinte de molcula, participar de uma reao, etc.);

A planta no capaz de completar o seu ciclo de vida na ausncia do elemento; A funo do elemento especfica, ou seja, nenhum outro elemento poder substitu-lo

naquela funo;

Utilizando-se estes critrios, os especialistas da rea de nutrio mineral consideram os elementos como essenciais para as plantas. Estes elementos minerais essenciais so usualmente classificados como macro ou micronutrientes, de acordo com a sua concentrao relativa no tecido ou de acordo com a concentrao requerida para o crescimento adequado da planta. Em geral, as concentraes dos macronutrientes (N, P, K, Si, Ca, Mg e S) so maiores do que as dos micronutrientes (Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, B, Cl, Ni e Na). Vale salientar, no

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entanto, que a concentrao de determinado nutriente pode estar acima ou abaixo daquela requerida para o crescimento normal da planta. Assim, melhor classificar macro e micronutrientes de acordo com o requerimento dos nutrientes para o crescimento adequado da planta (Tabela 1)

Tabela 1 Os elementos essenciais para as plantas superiores e suas concentraes consideradas adequadas para o crescimento normal da planta (Hopkins, 2000)

Elemento Smbolo Qumico Forma Disponvel Concentrao na matria seca (mmol/kg)

Macronutrientes Hidrognio H H2O 60.000 Carbono C CO2 40.000 Oxignio O O2, CO2 30.000 Nitrognio N NO3-, NH4+ 1000 Potssio K K+ 250 Clcio Ca Ca2+ 125 Magnsio Mg Mg2+ 80 Fsforo P H2PO4-, HPO42- 60 Enxofre S SO42- 30 Silcio Si SiO2

Micronutrientes 30

Cloro Cl Cl- 3,0 Boro B BO33- 2,0 Ferro Fe Fe2+, Fe3+ 2,0 Mangans Sdio

Mn Na

Mn2+ Na+

1,0 0,4

Zinco Zn Zn2+ 0,3 Cobre Cu Cu+, Cu2+ 0,1 Nquel Ni Ni2+ 0,05 Molibdnio Mo MoO42- 0,001

importante destacar, tambm, que a distino entre macro e micronutrientes quantitativa, no significando diferentes nveis de importncia para a nutrio da planta. Por exemplo, de acordo com a tabela 1, para cada tomo de molibdnio (micro) a planta requer um milho de tomos de nitrognio (macro). Porm, se o nitrognio for suprido na forma de nitrato (NO3-), na ausncia de MOLIBDNIO, o nitrognio no ser assimilado, visto que o molibdnio essencial para a reduo de NO3- para amnio (NH4+). Assim, no haver sntese de aminocidos e de protenas e a planta no crescer adequadamente.

Os elementos qumicos, hidrognio, oxignio e carbono atendem aos trs critrios mencionados anteriormente. Na realidade, estes trs elementos so os principais constituintes do material vegetal (Tabela 1). No entanto, eles so obtidos primariamente da gua (H2O) e do ar (O2 e CO2), no sendo considerados elementos minerais e no so estudados pela nutrio mineral.

Outros elementos que compensam efeitos txicos de outro ou que simplesmente substituem o elemento essencial em alguma funo das menos especficas, como a manuteno da presso osmtica, no so essenciais. Os elementos minerais que estimulam o crescimento, porm, no so essenciais (no atendem a todos os critrios de essencialidade)

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ou os que so essenciais somente para certas espcies ou sob condies especficas, so denominados de BENFICOS. Entre eles pode-se citar o cobalto, o sdio, o silcio, o selnio e o alumnio.

b) Tcnicas Especiais Utilizadas no Estudo da Nutrio Mineral

Para demonstrar a essencialidade de um elemento, requerida a ausncia somente do elemento em estudo no meio nutritivo. Tal condio extremamente difcil de ser obtida em meios complexos como o solo. No sculo XIX, alguns pesquisadores (incluindo de Saussure, Sachs, Boussingault e Knop) mostraram que as plantas poderiam crescer normalmente em soluo nutritiva (meio lquido contendo somente sais inorgnicos). Esta tcnica hoje conhecida como HIDROPONIA e tem se prestado a inmeros estudos relativos Nutrio Mineral (Figura 1)

Figura 1 Sistemas de cultivo hidropnico (Taiz & Zeiger, 1998)

O cultivo hidropnico requer alguns cuidados especiais. H necessidade de grandes volumes de soluo e do ajuste freqente das concentraes dos nutrientes e do pH do meio (o pH influencia na disponibilidade dos nutrientes). Um suprimento de O2 (ar comprimido) necessrio para permitir a respirao das razes. Em muitos cultivos hidropnicos comerciais,

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no entanto, as razes das plantas so colocadas em valas (canos de PVC cortados ao meio) e a soluo nutritiva flui em uma fina camada ao longo da vala, alimentando as razes. Este sistema garante um amplo suprimento de oxignio s plantas.

A soluo nutritiva deve fornecer os elementos essenciais em concentraes que permitam o rpido crescimento da planta, devendo-se ter o cuidado para que os mesmos no atinjam nveis txicos. Solues com altos nveis de nutrientes permitem que a planta cresa por maior perodo de tempo sem a necessidade de troca da soluo. A soluo de Hoagland (original), por exemplo, tem uma concentrao de fsforo que pode ser at 1.300 vezes maior do que a concentrao observada na soluo do solo. Estas solues concentradas tm sido preteridas na maioria das pesquisas modernas, as quais utilizam solues bem diludas e que so trocadas freqentemente para diminuir as flutuaes nas concentraes de nutriente (Tabela 2). O acompanhamento da concentrao de K+ tem sido utilizado para indicar o momento em que a soluo deve ser trocada. Uma queda de 40 a 50% na concentrao de K+ pode indicar a necessidade de troca.

Tabela 2 Concentraes de nutrientes em duas solues nutritivas e na soluo de um solo

Elemento Soluo de Hoagland (Epstein, 1972)

Soluo de Clark (Clark, 1975)

Soluo de um solo (Marschner, 1995)

Macronutriente (mM) Nitrognio 16,0 8,0 3,200 Fsforo 2,0 0,14 0,0015 Enxofre 1,0 0,6 0,590 Potssio 6,0 1,87 0,510 Clcio 4,0 2,6 1,700 Magnsio 1,0 0,6 0,490 Micronutrientes (M) Ferro 35,0 45 - Cobre 0,5 0,5 - Zinco 2,0 2,0 0,480 Mangans 2,0 7,0 0,002 Molibdnio 0,5 0,6 - Boro 25 19 - Cloro 50,0 950 - Nquel 0,5 - -

Um outro ponto importante no cultivo hidropnico a forma em que o nitrognio (N) deve ser aplicado. A utilizao de uma nica forma de N, ntrica ou amoniacal, no recomendada, pois pode causar um rpido aumento ou queda no pH, respectivamente. Isto ocorre por que a absoro de NO3- provoca o influxo de H+ (entrada de H+ na clula e aumento do pH do meio) e a absoro de NH4+ provoca o efluxo de H+ (sada de H+ da clula e queda do pH do meio). Uma relao 7/1 (nitrato/amnio) utilizada em muitos estudos.

Um outro problema do cultivo hidropnico a manuteno da disponibilidade de ferro (Fe). Quando suprido na forma de sal [FeSO4 ou Fe(NO3)2], o Fe pode ser precipitado como hidrxido ou fosfato de ferro. O uso de agentes quelantes, como cido ctrico, cido tartrico e, mais recentemente, EDTA (cido etilenodiaminotetraactico) ou DTPA (cido dietilenotriaminopentaactico) tem sido a sada encontrada pelos estudiosos. Estes compostos

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formam complexos solveis com ctions, como Fe2+ e Ca2+. O Fe2+ parece ser liberado do complexo na superfcie da raiz, onde ele absorvido.

c) Relao Sintoma x Funo

O relacionamento entre o crescimento ou a produtividade das plantas e a concentrao dos nutrientes no tecido evidencia a ocorrncia de trs zonas distintas (Figura 2).

Zona de deficincia ocorre quando o teor do nutriente no tecido baixo e o crescimento reduzido. Nesta zona, adio de fertilizante produz incrementos na produtividade.

Zona Adequada Nesta regio, aumento no teor do nutriente no implica em aumento do crescimento ou da produtividade.

Zona de toxicidade o nutriente acumulou em excesso, produzindo toxicidade.

Figura 2 Relacionamento entre o crescimento (ou produtividade) e o teor de nutrientes no tecido vegetal (Taiz & Zeiger, 1998)

OBS: A concentrao crtica para um determinado nutriente corresponde concentrao abaixo da qual o crescimento (ou produtividade) reduzido.

O suprimento inadequado de um elemento essencial (excesso ou deficincia) resulta em uma desordem nutricional manifestada por caractersticas definidas como SINTOMAS. Os sintomas de deficincia de nutrientes em uma planta correspondem expresso da desordem metablica resultante do suprimento insuficiente de um elemento essencial. Estas desordens esto relacionadas com os papis executados pelo elemento no funcionamento normal da planta. Por exemplo, a deficincia de nitrognio produz inicialmente clorose nas folhas que se deve ao fato do N fazer parte da molcula de clorofila e de todas as protenas (inclusive as enzimas).

Em cultivo hidropnico, a ausncia de um elemento essencial pode ser prontamente correlacionada com um dado sintoma. A diagnose de plantas crescendo no solo pode ser mais

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60Concentrao do Nutriente no Tecido (mmol kg-1 Matria Seca)

Cres

cim

ento

o

u Pr

odu

tivid

ade

(% do

M

xim

o)

Zona de Deficincia

Zona Adequada Zona de Toxicidade

Concentrao Crtica

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complexa, por que mais de um elemento pode estar em nveis inadequados ao mesmo tempo, o excesso de um elemento pode induzir deficincia de outros (competio) e alguns vrus de plantas produzem sintomas similares queles de deficincias nutricionais. Alm disso, importante destacar que o sintoma a expresso final da desordem metablica, ou seja, antes do aparecimento do sintoma o metabolismo vegetal e o crescimento da planta j podem estar comprometidos. Para contornar estes problemas deve-se proceder, periodicamente, a anlise de solo e, em muitos casos, a anlise da planta (anlise foliar).

Quando se faz a relao entre os sintomas de deficincia com o papel do elemento essencial, importante considerar a extenso na qual um elemento pode ser reciclado das folhas velhas para as novas (Tabela 3). Alguns elementos como N (na forma orgnica), P, Mg e K podem mover-se facilmente de uma folha para outra. Outros como Ca, B e Fe so relativamente imveis na maioria das plantas. Assim, deficincia de um elemento mvel poder tornar-se evidente primeiramente nas folhas velhas. Enquanto que a deficincia de elementos imveis aparece primeira nas folhas novas da planta.

Tabela 3 Elementos minerais classificados com base na sua mobilidade dentro da planta (Taiz & Zeiger, 1998)

Elementos Mveis Elementos Imveis Nitrognio Clcio Potssio Enxofre Magnsio Ferro Fsforo Boro Cloro Cobre Zinco Molibdnio Sdio

d) Elementos Essenciais: principais funes e sintomas de deficincia

Nitrognio - o elemento essencial requerido em maior quantidade pelas plantas. constituinte de muitos compostos da planta, incluindo todas as protenas (formadas de aminocidos) e cidos nuclicos. Assim, deficincia de N inibe rapidamente o crescimento da planta. Se a deficincia persiste, a maioria das plantas mostra clorose, especialmente nas folhas velhas. A intensificao da deficincia pode levar queda da folha. Pode ocorrer, tambm, acmulo de carboidratos ou os carboidratos no utilizados no metabolismo do N podem ser usados na sntese de antocianina, levando ao acmulo deste pigmento nos vacolos (produz colorao prpura).

Fsforo O fsforo (P), como fosfato (HPO42-) um componente integral de importantes compostos da planta, incluindo acares-fosfato (glicose 6P, Frutose 6P, etc), fosfolipdios de membranas, nucleotdeos usados como fonte de energia (ATP) e nos cidos nuclicos. Um sintoma caracterstico de deficincia de P a colorao verde-escura de folhas mais velhas (primeiramente) associadas ao aparecimento da cor prpura, devido ao acmulo de antocianina.

Enxofre O enxofre (S) constituinte de compostos de planta (acetil-CoA, Glutationa, etc) e, como o N, constituinte das protenas (o S encontrado nos

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aminocidos cistena e metionina). Assim, muitos dos sintomas so semelhantes aos apresentados pela deficincia de N, incluindo clorose, reduo no crescimento e acmulo de antocianina. A clorose, no entanto, aparece primeiro nas folhas mais jovens, o que conseqncia da baixa mobilidade do S na planta. Todavia, em algumas plantas a clorose ocorre ao mesmo tempo em todas as folhas ou pode at iniciar nas folhas mais velhas.

Potssio O potssio est presente na planta como ction monovalente (K+) e executa importante papel na regulao do potencial osmtico de clulas de plantas. tambm requerido para a ativao de muitas enzimas da respirao e da fotossntese. O primeiro sintoma de deficincia de K a clorose marginal, a qual se desenvolve como necrose a partir do pice, inicialmente nas folhas maduras (velhas).

Clcio Os ons Ca2+ so usados na sntese de novas paredes celulares, particularmente na formao da lamela mdia que separa novas clulas aps a diviso. O clcio tambm requerido para o funcionamento normal da membrana plasmtica e tem sido implicado como mensageiro secundrio (Ca2+- citoslico ou Ca2+ ligado protena calmodulina) para vrias respostas de planta relacionadas com o ambiente e sinais hormonais. Sintomas caractersticos de deficincia de Ca2+ incluem necrose de regies meristemticas (como pices de razes e da parte area), onde a diviso celular e a formao de parede so intensas. Esses sintomas tambm revelam a baixa mobilidade do Ca2+ na planta.

Magnsio Nas clulas de plantas, Mg2+ tem papis especficos na ativao de enzimas da respirao, da fotossntese e da sntese de cidos nuclicos. O Mg2+ tambm parte da estrutura da molcula de clorofila (pigmento associado fotossntese). Um sintoma caracterstico de deficincia de Mg2+ a clorose internervural que ocorre primeiro nas folhas velhas. Esta clorose internervural resulta do fato de que a clorofila prxima aos feixes vasculares (nervuras) permanece no afetada por maior perodo do que a clorofila entre os feixes.

Ferro O Fe tem importante papel como componente de protenas envolvidas na transferncia de eltrons, como os citocromos e os centros Fe-S. Neste papel, ele reversivelmente oxidado de Fe2+ para Fe3+ durante a transferncia de eltrons. Como no caso do Mg2+, deficincia de Fe apresenta-se como uma clorose internervural. Esta, no entanto, ocorre primeiro nas folhas mais novas devido a baixa mobilidade do Fe (precipita como xidos ou fosfatos de ferro insolveis ou como complexos com fitoferritina). A folha torna-se clortica por que o ferro requerido para a sntese de alguns complexos protena-clorofila, nos cloroplastos.

Cobre Como o Fe, o cobre est associado a algumas enzimas envolvidas nas reaes redoxes (Cu2+ + e- Cu+). O principal exemplo o complexo citocromo oxidase da cadeia de transporte de eltrons mitocondrial (respirao). Outro exemplo a plastocianina, a qual est envolvida na transferncia de eltrons durante as reaes de luz da fotossntese. O sintoma inicial de deficincia de cobre a produo de folhas verde-escuras, que podem conter manchas necrticas. Sob deficincia severa as folhas podem cair prematuramente.

Zinco - Algumas enzimas (desidrogenase alcolica, anidrase carbnica, superxido dismutase, etc.) requerem Zn2+ para suas atividades e ele pode ser requerido para

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biossntese de clorofila em algumas espcies. Deficincia de zinco caracterizada pela reduo no crescimento internodal. Este sintoma pode ser resultado da perda da capacidade da planta para produzir suficiente auxina (fitohormnio). Algumas evidncias disponveis indicam que o zinco pode ser requerido para a biossntese do triptofano, o qual um dos precursores da auxina natural, cido indol-3-actico (AIA).

Mangans Os ons Mn2+ ativam algumas enzimas na clula, em particular, descarboxilases e desidrogenases envolvidas no ciclo de Krebs (respirao). No entanto, a funo mais bem definida do Mn2+ a sua participao na reao da fotossntese na qual o O2 produzido a partir da gua (H2O). O principal sintoma de deficincia de Mn2+ uma clorose internervural associada com pequenas manchas necrticas. Esta clorose pode ocorrer em folhas jovens ou velhas, dependendo da espcie vegetal e da taxa de crescimento.

Molibdnio ons Mo (Mo4+ a Mo6+) so componentes de algumas enzimas, incluindo a redutase do nitrato e a nitrogenase, enzimas envolvidas na reduo de nitrato para nitrito (NO3- NO2-) e de nitrognio atmosfrico para amnio (N2 NH4+), respectivamente. Assim, a deficincia de molibdnio pode aparecer como deficincia de nitrognio se a fonte de N for o nitrato ou se a planta depende da fixao biolgica de N2 (simbiose). Embora o requerimento das plantas por Mo seja pequeno, a deficincia tem sido verificada no campo. Assim, pequenas adies de Mo, em tais condies, podem aumentar sensivelmente a produtividade com custos relativamente baixos.

Boro Embora a precisa funo do boro (B) no metabolismo no esteja clara, evidncias sugerem que ele executa papis importantes no alongamento da clula, na sntese de cidos nuclicos, nas respostas a hormnios e na integridade estrutural da parede celular. As plantas deficientes em boro exibem uma variedade de sintomas, dependendo da espcie e da idade da planta. Um sintoma caracterstico a necrose de folhas jovens e gemas terminais, o que reflete a sua baixa mobilidade na planta. A dominncia apical pode tambm ser perdida e a planta pode ficar altamente ramificada. Alm disso, estruturas como frutos e tubrculos podem exibir necroses ou anormalidades relacionadas com a degradao de tecidos internos.

Cloro O elemento cloro encontrado nas plantas como cloreto (Cl-). Ele requerido na etapa da fotossntese em que O2 produzido (foto-oxidao da H2O). Em face de sua alta solubilidade e distribuio nos solos, a deficincia de Cl- em plantas crescendo no campo no tem sido verificada. Ao contrrio, em ambientes salinos as plantas podem acumular cloreto nas folhas em nveis txicos, produzindo a necrose de tecidos foliares.

Nquel A urease a nica enzima que necessita de Ni como cofator enzimtico nas plantas superiores. Ento, plantas deficientes em Ni acumulam uria nas folhas, o que pode causar necrose no pice. Em face das minsculas concentraes de Ni requeridas pelas plantas, a deficincia raramente observada em condies de campo. Por outro lado, alguns microrganismos fixadores de N2 requerem Ni para a enzima hidrogenase, a qual re-processa o H2 gerado durante a fixao simbitica. Os microrganismos que possuem esta enzima dependente de nquel (como os rizbios que nodulam a soja) so energeticamente mais eficientes.

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Silcio Apenas membros da famlia Equisitaceae, chamados juncos de polimento porque suas cinzas, ricas em slica granulosa, eram usadas para polir panelas, requerem silcio para completar seu ciclo de vida. No entanto, muitas outras espcies acumulam silcio em seus tecidos e apresentam melhoria no seu crescimento e na fertilidade, quando supridas com quantidades adequadas de silcio (Epstein, 1999). Plantas deficientes em silcio so mais suscetveis ao acamamento e infeco fngica. O silcio depositado principalmente no retculo endoplasmtico, paredes celulares e espaos intercelulares como slica amorfa hidratada (SiO2.nH2O). Ele tambm forma complexos com polifenis e serve como alternativa lignina no reforo de paredes celulares. Alm disso, o silcio pode aliviar a toxicidade de muitos metais pesados.

Sdio A maioria das espcies que utiliza as rotas C4 e CAM de fixao de carbono requerem ons sdio para a regenerao do fosfoenolpiruvato. Sob deficincia de sdio, essas plantas exibem clorose e necrose ou deixam de florescer. Muitas espcies C3 se beneficiam de uma exposio a baixos nveis de sdio. O sdio estimula o crescimento por meio de uma maior expanso celular, alm de poder parcialmente substituir o potssio como um soluto osmoticamente ativo.

3 TRANSPORTE DE ONS ATRAVS DA MEMBRANA

a) Transporte Passivo e Ativo

De acordo com a Lei de Fick, o movimento de molculas por difuso poder ocorrer a favor de um gradiente de concentrao (gradiente qumico), at que o equilbrio seja atingido. Este tipo de movimento chamado de transporte passivo. No entanto, a difuso atravs de membranas biolgicas bastante restrita, devido baixa permeabilidade da bicamada lipdica para molculas polares, com exceo da gua. Na realidade, poucas substncias de importncia biolgica apresentam natureza apolar e somente trs (O2, CO2 e NH3) parecem atravessar a membrana por difuso simples atravs da bicamada lipdica. Portanto, as substncias polares e inicas devem atravessar as membranas biolgicas atravs de outros mecanismos e por outras regies e no por simples difuso.

Alm da concentrao, o transporte de solutos atravs de membranas biolgicas pode ser impulsionado por outras foras: presso hidrosttica, gravidade (desprezvel) e campos eltricos. Estas diversas fontes de energia potencial definem o potencial qumico de um determinado soluto. A equao abaixo leva em considerao as principais foras associadas com o transporte atravs de membranas:

j = *j + RTlnCj + zjFE em que: j = potencial qumico *j = potencial qumico padro RTlnCj = componente qumico (concentrao) R = constante universal dos gases (0,00831 kg MPa mol-1 oK-1); e T = temperatura absoluta (oC + 273); Cj = concentrao molal (moles por kg de gua);. zjFE = componente eltrico zj = valncia; F = constante de Faraday; E = potencial eltrico

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O potencial qumico soma todas as foras que podem agir sobre a molcula durante o seu transporte. A soma dos termos da equao do potencial qumico depende do soluto em estudo. O termo VjP tem pouca importncia no movimento de solutos atravs de membranas. No caso de solutos polares sem carga, como a sacarose, o potencial qumico aproximado ao do termo referente a concentrao. Neste caso teremos:

Potencial qumico dentro da clula

ji = *j + RTlnCji

Potencial qumico fora da clula

jo = *j + RTlnCjo

Calculando-se a diferena, temos

j = ji - jo = RT (lnCji - lnCjo) = RT ln Cji/Cjo

Se a concentrao externa (Cjo) for maior que a concentrao interna (Cji) este termo ser negativo, indicando que a sacarose poder mover-se passivamente para dentro da clula.

Quando os solutos possuem carga eltrica (ons), o componente eltrico do potencial qumico deve ser considerado. Para o K+ podemos escrever:

j = ji - jo = RT ln [Ki]/[Ko] + zF (Ei Eo) em que z=1 (valncia)

Esta equao mostra que ons, como o K+, difundem em resposta a seu gradiente de concentrao [Ki]/[Ko] e a diferena de potencial eltrico (Ei Eo) entre os dois compartimentos. Nestes casos, nos referimos ao POTENCIAL ELETROQUMICO.

Em relao ao transporte atravs de membranas biolgicas, podemos definir (Figura 3): TRANSPORTE PASSIVO o transporte que ocorre a favor do gradiente de

potencial qumico ou eletroqumico. TRANSPORTE ATIVO o transporte que ocorre contra o gradiente de potencial

qumico ou eletroqumico.

Figura 3 Relacionamento entre o potencial qumico e o tipo de transporte de molculas atravs da membrana (Taiz & Zeiger, 2000).

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b) Mecanismos de Transporte de ons Atravs da Membrana Celular

Membranas artificiais tm sido bastante usadas para estudar a permeabilidade de membranas fosfolipdicas. Devido sua natureza apolar, as bicamadas lipdicas so altamente impermeveis para ons (Figura 4) e molculas polares. Estas bicamadas so altamente permeveis ao O2 e tm elevadas permeabilidades gua, ao CO2 e ao glicerol. A elevada permeabilidade gua deve-se interao desta molcula com os grupos polares dos fosfolipdios e ao seu pequeno tamanho. Em geral, quando as molculas aumentam em tamanho e polaridade, suas permeabilidades nas membranas fosfolipdicas decrescem.

Quando as permeabilidades de bicamadas artificiais para ons e molculas so comparadas com as de membranas biolgicas (Figura 4), observa-se que para molculas no polares e pequenas molculas polares, ambas possuem permeabilidades similares (para a gua a permeabilidade ligeiramente maior na membrana biolgica). Por outro lado, para ons e, tambm, para molculas polares de maior tamanho, como acares, as membranas biolgicas so muito mais permeveis. Estas diferenas devem-se presena de protenas integrais nas membranas biolgicas, as quais facilitam a passagem de ons e molculas polares.

Figura 4 Permeabilidade, em cm s-1, para substncias difundindo atravs de bicamadas lipdicas artificiais e de membranas biolgicas (Taiz & Zeiger, 1998)

Estas protenas transportadoras podem ser agrupadas em trs categorias. CANAIS, CARREADORES E BOMBAS (Figura 5). Estes transportadores apresentam seletividade e transportam um soluto ou um grupo de solutos relacionados.

values P

10-2

10-4

10-6

10-8

10-10 Cl- K+ Na+

Glicerol

H2O

Artificial membrane Biological membrane

Na+ Cl- K+ Glycerol

H2O

Low permeability

High permeability

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Figura 5 As trs classes de protenas de transporte atravs de membranas (Taiz & Zeiger, 1998)

Em geral, os CANAIS (velocidade de difuso extremamente rpida, cerca de 106 a 108 molculas por segundo) so protenas integrais que funcionam como um poro seletivo na membrana. O tamanho do poro e a densidade de cargas na superfcie do canal determinam a sua especificidade. Estes canais no permanecem constantemente abertos e parecem abrir em resposta a sinais ambientais. O transporte atravs de canais sempre passivo (a favor de gradiente de potencial eletroqumico), e limita-se a transportar ons e gua. As protenas que formam canais para o transporte de gua so chamadas de AQUAPORINAS.

Nos transportes mediados por CARREADORES e BOMBAS so observados os seguintes passos: A substncia a ser transportada inicialmente ligada a um stio especfico do carreador ou

bomba; A ligao causa uma mudana conformacional da protena, a qual expe a substncia na

soluo do outro lado da membrana; O transporte completado quando a substncia dissocia do stio de ligao do carreador

ou bomba e este retorna para a configurao inicial.

A necessidade dessa mudana conformacional, torna a taxa de transporte via carreador (103 molculas por segundo) ou bomba (102 molculas por segundo) muitas vezes menor do que a taxa de transporte via canal.

O transporte mediado por CARREADORES, diferente do transporte via canal, pode ser passivo ou ativo e pode transportar um amplo nmero de substncias. O transporte passivo via carreador algumas vezes conhecido como difuso facilitada, embora ele se assemelhe difuso somente por que o transporte ocorre a favor de um gradiente (a difuso ocorre a favor de um gradiente de concentrao e o transporte passivo via carreador ocorre a favor de um gradiente de potencial eletroqumico). J para realizar o transporte ativo, um carreador deve

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acoplar o transporte do soluto contra o seu gradiente de potencial eletroqumico com o transporte de outro soluto a favor do seu gradiente (transporte ativo secundrio).

O transporte mediado por BOMBAS conhecido como transporte ativo primrio. Este tipo de transporte acoplado diretamente a uma fonte de energia metablica, tal como hdrlise de ATP (Figura 6). Muitas destas bombas proticas transportam ons, tais como H+ e Ca2+. As bombas inicas podem ser caracterizadas, tambm, como eletrognicas ou eletroneutras. Em geral, o transporte eletrognico refere-se ao movimento lquido de carga atravs da membrana. Por exemplo, a H+-ATPase de clulas de plantas bombeia H+ para o meio externo (parede celular) e gera um gradiente de cargas sobre a membrana. J a H+/K+-ATPase da mucosa gstrica de animais permite a troca de um H+ por um K+, no produzindo movimento lquido de cargas atravs da membrana. Esta ltima bomba eletroneutra.

Na membrana plasmtica de plantas, de fungos e de bactrias, bem como no tonoplasto e outras endomembranas, o H+ o principal on que transportado eletrogenicamente atravs da membrana. A H+-ATPase da membrana plasmtica cria o gradiente de potencial eletroqumico de H+ entre o meio externo e o citosol. Como os H+ so transportados para o meio externo, o potencial de membrana no lado interno fica negativo e no lado externo fica positivo. Medies realizadas com microeletrodos, colocados nos lados interno e externo de clulas vegetais, indicam que a H+-ATPase da plasmalema produz um excesso de voltagem variando de -60 a -240 mV. Por outro lado, a H+-ATPase vacuolar e a H+-Pirofosfatase bombeiam H+ eletrogenicamente no lmem do vacolo, gerando um gradiente eletroqumico de H+ entre o citosol e o vacolo.

Na membrana plasmtica de plantas somente H+ e Ca2+ parecem ser transportados pelas bombas, sendo que a direo do bombeamento para o meio externo. Isto significa que outro mecanismo necessrio para a absoro ativa de muitos nutrientes minerais e tambm de molculas orgnicas. Este outro mecanismo envolve o acoplamento do transporte contra gradiente de um soluto com o transporte de outro soluto a favor de seu gradiente (Figura 7). Este cotransporte mediado por carreador denominado transportes ativos secundrio, sendo impulsionado indiretamente pelas bombas.

Figura 6 Etapas hipotticas no transporte ativo de um ction (nas plantas o H+) mediado por uma bomba eletrognica (Taiz & Zeiger, 1998)

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Quando os H+ sofrem extruso do citosol (colocados para o meio externo ou para o vacolo) pelas H+-ATPases, um potencial de membrana (componente eltrico) e um gradiente de pH (componente qumico) so criados nas membranas plasmtica e vacuolar, s expensas da hidrlise de ATP. O gradiente de potencial eletroqumico, conhecido como fora motiva de prtons, p, representa a energia livre estocada na forma de gradiente de H+ que pode ser utilizada para o transporte de outros ons e molculas.

Figura 7 Os dois tipos de transporte ativo secundrio acoplado ao gradiente primrio de prtons (Taiz & Zeiger, 1998).

A fora motiva de prtons gerada pela bomba eletrognica usada para impulsionar o transporte de muitas outras substncias contra seu gradiente de potencial eletroqumico, no transporte ativo secundrio. O carreador uma protena transmembranar com um stio de ligao no lado externo da membrana que permite a ligao do H+. O prton ligado ao carreador modifica a conformao da protena, que expe um outro stio, o de ligao, ao qual se liga o soluto a ser transportado. Com as duas substncias ligadas, a protena muda de conformao e expe os stios no lado oposto da membrana, onde as substncias so liberadas. Este tipo de co-transporte conhecido como simporte, pois as duas substncias movem-se na mesma direo. Quando o movimento de um H+ impulsiona o transporte ativo de um soluto na direo oposta, o co-transporte chamado de antiporte (Figura 7).

Nos dois tipos de co-transporte, o soluto que est sendo transportado simultaneamente com o H+, se move contra o seu gradiente de potencial eletroqumico, ficando claro que se trata de transporte ativo.

Em plantas e fungos, acares e aminocidos so absorvidos via simporte com prtons (exemplo, H+- Sacarose). O Na+ transportado para fora da clula no antiporte Na+-H+ e os nions Cl-, NO3- e H2PO4- so absorvidos via simporte. O K+ em baixas concentraes pode ser tomado ativamente via simporte, porm, em altas concentraes, pode ser absorvido passivamente via canais. O Ca2+ absorvido passivamente via canais, porm, sua concentrao no citosol mantida em valores muito baixos (0,15-0,50 M) devido a atividade de uma Ca2+- ATPase na membrana plasmtica, que transporta o Ca2+ para o espao extracelular, e de um antiporte Ca2+- H+ no tonoplasto, que transporta o Ca2+ para dentro do

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vacolo. Alm disso, uma Ca2+- ATPase na membrana do retculo endoplasmtico pode promover o armazenamento de Ca2+ no interior dessa organela.

c) Anlise Cintica do Transporte

Como o transporte celular via carreador ou bomba envolve a ligao e a dissociao de molculas nos stios de ligao da protena de transporte, ele tem sido estudado, tambm, pelo uso da cintica enzimtica (Figura 8).

Figura 8 Influncia da concentrao de um on no meio externo sobre as taxas de difuso simples e de absoro via carregador (Salisbury & Ross, 1991).

Na difuso simples, a taxa de transporte para dentro da clula proporcional concentrao externa da molcula transportada (Figura 8). Neste caso, o transporte completamente passivo, porm, muito lento. Por outro lado, o transporte mediado por carreador tende para uma taxa mxima (Vmax), que alcanada quando todos os stios de ligao do substrato esto ocupados. A concentrao do carreador, no a do soluto, tornam a taxa limitante. A constante Km, concentrao do soluto que produz Vmax/2, tende a refletir as propriedades do stio de ligao, em particular, a especificidade. Assim, quanto menor o Km, maior a especificidade (maior a preferncia pelo soluto e maior seletividade).

Estudos da cintica de absoro tm mostrado que, em alguns casos, a resposta parece ser alterada quando se varia amplamente a concentrao do soluto. A absoro de sacarose, por exemplo, apresenta saturao em baixa concentrao (0 a 10 mM), porm, acima desta concentrao a absoro torna-se linear e no saturvel. A interpretao que sacarose absorvida ativamente em baixas concentraes, via um simporte sacarose H+. Em maiores concentraes, sacarose entra a favor de seu gradiente de concentrao e a sua absoro no sensvel a inibidores metablicos. Essa ltima fase pode representar a absoro via um carreador de muito baixa afinidade. Para o K+, o transporte em baixa concentrao mediado por um simporte K+- H+. O transporte de baixa afinidade (absorve K+ em altas concentraes) no parece ser saturvel como se acreditava inicialmente. Este transporte pode ser mediado por canal.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100Concentrao do on

Tax

a de

A

bso

ro

do

on

Absoro

Difuso

86

4 ABSORO DE ONS PELAS RAZES

a) Seletividade da Absoro

A absoro de gua e de ons minerais ocorre, predominantemente, atravs do sistema radicular, o qual est inserido em um meio heterogneo e cambiante (notadamente nos seus aspectos qumicos), o solo. Isto implica que a raiz alm de se desenvolver dentro do solo deve ter mecanismos que permitam selecionar os nutrientes que a planta necessita para o seu crescimento. A membrana celular representa a barreira, por onde a planta pode controlar a entrada e sada de diversos solutos.

Em geral, o transporte altamente seletivo, ou seja, a membrana tem preferncia por alguns ons e esta preferncia determinada pelas protenas de transporte na membrana (Figura 5). Nota-se na tabela 4, por exemplo, que a membrana celular de razes de milho permite um acmulo de K+ cerca de mil vezes maior do que o de Na+ e de NO3- cerca de treze vezes superior que o de SO42-. As baixas concentraes de Na+ em clulas de plantas (diferente das clulas animais) resulta da reduzida absoro e tambm da atividade do antiporte Na+-H+, que transporta o Na+ para o meio externo.

Tabela 4 A seletividade na absoro de ons por razes de milho (Hopkins, 2000)

on Concentrao Interna (Ci) (mM)

Concentrao Externa (Ce) (mM)

Ci / Ce

K+ 160 0,14 1142 Na+ 0,6 0,51 1,18 NO3- 38 0,13 292 SO42- 14 0,61 23

b) O Solo como Fornecedor de Nutrientes

O solo um substrato complexo em termos fsicos, qumicos e biolgicos. composto das fases slida, lquida e gasosa, as quais interagem com os elementos minerais. As partculas inorgnicas da fase slida providenciam o reservatrio de nutrientes, tais como K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, etc. Tambm associadas fase slida do solo esto as partculas orgnicas (oriundas da decomposio de restos orgnicos), as quais contm elementos essenciais, como N, P, S, dentre outros. A fase lquida do solo constitui a soluo do solo, a qual contm ons dissolvidos e serve como meio para o movimento de ons para a superfcie das razes. Os GASES, tais como O2, CO2 e N2, esto dissolvidos na soluo do solo, porm, sua absoro pelas razes ocorre predominantemente nas bolhas de ar entre as partculas do solo.

As partculas coloidais (micelas) do solo, orgnicas (pectinas com COO- e hemiceluloses com OH-) e inorgnicas (caolinita, smectita e ilita), tm cargas negativas na sua superfcie. Os ctions como Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, dentre outros, ficam adsorvidos s cargas negativas das partculas do solo (Figura 9). Nesta situao, eles no so facilmente perdidos por lixiviao e representam uma reserva de nutrientes para a planta. Estes ons podem ser substitudos no complexo de troca, um processo conhecido como troca de ctions. A capacidade de troca de ctions (CTC) altamente dependente do tipo de solo. Solos com partculas menores (argila), tm uma maior superfcie especfica (relao rea superficial/volume). Estes solos, e tambm os solos ricos em matria orgnica, possuem

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maior superfcie de cargas expostas e, portanto, maior CTC. Um solo que tem alta CTC possui maior reserva de nutrientes minerais. A fertilidade deste solo ser completa se esta maior CTC for devida a elevada percentagem de saturao de bases (Ca2+, Mg2+, K+, NH4+). Presena de elementos txicos, como alumnio (Al3+), pode acarretar problemas para o crescimento das plantas.

nions como NO3- e Cl- so repelidos pelas cargas negativas das partculas do solo e permanecem dissolvidos na soluo do solo, ficando sujeitos lixiviao. J os fosfatos (H2PO4- e HPO42-) podem permanecer fixados ao solo contendo Al3+ e Fe3+, por que formam sais insolveis, tais como AlPO4 e FePO4. O sulfato (SO42-), na presena de Ca2+ forma o gesso (CaSO4), o que limita a mobilidade deste nion no solo.

Figura 9 O processo de troca de ctions nas superfcies das partculas do solo(Taiz & Zeiger, 1998).

c) Absoro pelas Razes: uma viso longitudinal

A capacidade das plantas para obter gua e nutrientes minerais do solo est relacionada com sua capacidade para desenvolver um extensivo sistema radicular. O desenvolvimento do sistema radicular de mono e de dicotiledneas depende, em grande parte, da atividade do meristema apical das razes. Na regio apical das razes possvel observar trs regies distintas: a zona meristemtica, a zona de alongamento e a zona de maturao (Figura 10).

Abaixo da zona meristemtica encontra-se uma regio conhecida como coifa, a qual protege o meristema e parece ser fundamental na percepo da gravidade (gravitropismo). Na coifa ocorre tambm a produo de mucilagem que parece evitar a dessecao do pice radicular. Na zona meristemtica propriamente dita, encontra-se um centro quiescente (pouca diviso celular) logo acima da coifa. Mais acima do centro quiescente tem outra regio de rpida diviso celular.

Na regio de alongamento ocorre a formao da endoderme, com as estrias de Caspary. Em seo transversal observa-se que a endoderme divide a raiz em duas partes: o crtex para fora e o cilindro central para dentro. O cilindro central contm os tecidos vasculares: floema (transporta metablitos da parte area para as razes) e xilema (transporta gua e solutos para a parte area). interessante notar que o floema se desenvolve antes do xilema, o que pode ser fundamental para alimentar o pice, favorecendo o crescimento da raiz.

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Os plos radiculares, que so extenses das clulas da epiderme da raiz, aparecem na zona de maturao, e aumentam grandemente a superfcie para absoro de gua e nutrientes. , tambm, na zona de maturao que o xilema apresenta-se mais desenvolvido, com capacidade para transportar quantidades substanciais de gua e de solutos para a parte area.

A absoro de ons mais pronunciada em razes jovens. Nestas razes, tem sido observado, em geral, uma queda na taxa de absoro de ons a medida que se distancia do pice radicular. No entanto, esta tendncia varia bastante, dependendo de fatores, como tipo de on (nutriente), estado nutricional e espcie vegetal estudada. Em razes de milho, por exemplo, observou-se que a taxa de absoro de K+ variou pouco ao longo das razes jovens (Tabela 5). Neste mesmo estudo se observou uma reduo considervel na absoro de Ca2+ nas zonas mais distantes do pice.

Figura 10 Diagrama de uma seo longitudinal da regio apical da raiz (Taiz & Zeiger, 1998).

Tabela 5 - Taxa de absoro de 42K e 45Ca supridos a diferentes zonas de razes seminais de milho, em meq (24 horas)-1 por 12 plantas (Marschner, 1995)

Nutriente (1 meq L-1) Zona da Raiz (distncia a partir do pice, cm) 0 3 6 - 9 12 - 15 Potssio 15,3 22,7 19,5 Clcio 6,5 3,8 2,8

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B A

Em adio, as razes de mais de 80% de todas as plantas estudadas, incluindo praticamente todas as espcies de importncia econmica, formam associaes conhecidas como micorrizas (fungo-planta). Uma micorriza uma associao simbitica entre um fungo no patognico e as clulas de razes jovens, particularmente as clulas epidrmicas e corticais (Figura 11). O fungo recebe nutrientes orgnicos (carboidratos) da planta e, em contrapartida, melhora a capacidade das razes para absorver gua e nutrientes minerais do solo. As hifas de alguns fungos formam uma manta na superfcie da raiz e penetram entre as clulas do crtex (micorriza ectotrfica). As hifas de outros fungos se desenvolvem nos espaos intercelulares do crtex e penetram em algumas clulas individuais, formando vesculas (micorriza vesicular arbuscular). Nos dois tipos de associao, as hifas do fungo crescem tambm para o meio externo (solo), aumentando grandemente a capacidade para absorver alguns nutrientes encontrados em baixas concentraes na soluo do solo, como fosfato e alguns micronutrientes (Zn, Cu)

Figura 11 Associao de fungos ectotrficas (A) e vesicular-arbuscular com razes de plantas (Taiz & Zeiger, 1998)

d) Absoro pelas Razes: uma viso transversal

No solo, os nutrientes podem se mover para as superfcies radiculares dissolvidos no fluxo em massa de gua ou por difuso. No fluxo em massa, os nutrientes so carreados pela gua que est se movendo do solo para a raiz. Como vimos na unidade III (Relaes Hdricas), o fluxo em massa ocorre por diferena de presso, a qual determinada, primariamente, pela taxa de transpirao. Assim, a quantidade de nutriente suprida por fluxo em massa depende da transpirao e da concentrao do nutriente na soluo do solo. Quando ambas so altas, o fluxo em massa passa a ter importante papel na aquisio de nutrientes. Em geral, nutrientes como Ca2+ e NO3- so transportados para a superfcie das razes por fluxo em massa.

Na difuso, nutrientes minerais movem-se de uma regio de maior para outra de menor concentrao. A absoro de nutrientes pela raiz diminui a concentrao dos ons nesta regio e favorece a difuso em direo superfcie radicular. Quando a difuso lenta, cria-se uma zona de esgotamento do nutriente prximo superfcie da raiz. Normalmente, a difuso importante para nutrientes encontrados em baixas concentraes na soluo do solo, como o caso do fsforo (HPO42-).

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Ao chegar na superfcie da raiz o on pode seguir diferentes caminhos. Em termos de transporte de pequenas molculas, a parede celular uma trelia aberta de polissacardeos atravs do qual os elementos minerais se difundem livremente. O contnuo de paredes celulares e espaos intercelulares conhecido como apoplasto. Similarmente, os citoplasmas de clulas vizinhas, conectadas atravs dos plasmodesmas, formam um contnuo, coletivamente conhecido como simplasto, por onde os ons e molculas podem tambm se mover. O apoplasto forma um contnuo que engloba as clulas da epiderme e do crtex. Entre o crtex e o cilindro central existe uma camada de clulas especializadas, a endoderme. Nessa camada de clulas se formam as estrias de Caspary (deposio de uma substncia hidrofbica, a suberina, nas paredes radiais das clulas da endoderme), que bloqueiam efetivamente a entrada de gua e de ons minerais no cilindro central, via apoplasto. Assim, podemos resumir (Figura 12):

Na raiz, um on pode entrar via simplasto imediatamente na membrana plasmtica das clulas epidrmicas (inclusive nos plos radiculares) ou ele pode se difundir entre as clulas da epiderme e crtex, via apoplasto.

Do apoplasto do crtex, um on pode difundir-se radialmente para a endoderme ou entrar via membrana da clula cortical, no simplasto.

Em todos os casos, o on deve entrar no simplasto, antes que ele chegue ao cilindro central, devido a presena das estrias de Caspary nas clulas da endoderme.

OBS: Alguns livros se referem ao espao livre aparente. Este pode ser definido como o volume radicular, constitudo pelas paredes celulares, espaos intercelulares e superfcies externas plasmalema, limitado pelas Estrias de Caspary presentes na endoderme. O on no espao livre aparente ainda no est absorvido pela planta e pode se difundir facilmente para o meio externo.

Aps o on ter entrado no cilindro central atravs do simplasto, ele continua a se difundir de clula para clula. Finalmente, o on retorna para o apoplasto (do cilindro central) e difunde-se para dentro do xilema. Novamente, as estrias de Caspary evitam que o on retorne para o apoplasto do crtex (espao livre aparente). Assim, a planta pode manter uma maior concentrao inica no xilema do que no meio em que a raiz est crescendo (soluo do solo).

Figura 12 Diagrama mostrando o movimento radial de ons atravs da raiz (Hopkins, 2000)

Os nutrientes minerais, uma vez no xilema, so carreados para a parte area pelo fluxo transpiratrio. Algumas vezes, a ascenso da seiva xilemtica promovida pela presso radicular, particularmente em algumas espcies, quando os solos esto midos e a umidade relativa do ar alta, tal como ocorre durante as primeiras horas do dia (transpirao praticamente ausente).

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Na parte area, alguns nutrientes minerais podem ser redistribudos pelo floema, particularmente, os que so mveis.

5 AS PLANTAS E O NITROGNIO

a) O ciclo do Nitrognio

O contedo total de nitrognio geralmente distribudo em trs principais partes: atmosfera, solo (incluindo os lenis subterrneos de gua) e o nitrognio contido na biomassa. O padro complexo de troca de N entre os trs ambientes conhecido como ciclo do nitrognio (Figura 13). Em torno de 270 milhes de toneladas de N2 da atmosfera so transferidos para o solo por ano.

Figura 13 O ciclo do nitrognio, ilustrando o relacionamento entre o pool de nitrognio: atmosfera, solo e biomassa (Hopkins, 2000).

O pool de nitrognio encontrado no solo central para a idia do ciclo do nitrognio. O nitrognio do solo entra na biomassa principalmente na forma de NO3-, absorvido pelas plantas e microorganismos. Uma vez absorvido, o nitrato convertido para NH4+, e este ltimo assimilado em aminocidos e outros compostos nitrogenados, os quais constroem as protenas e outras macromolculas. O nitrognio move-se na cadeia alimentar quando os animais se alimentam das plantas. O nitrognio retorna para o solo atravs dos resduos animais ou aps a morte e subsequente decomposio de todos os organismos.

No processo de decomposio, o nitrognio orgnico convertido para NH3 por uma variedade de microorganismos. Este processo conhecido como amonificao. Parte da amnia pode retornar para a atmosfera por volatilizao (100 milhes de toneladas por ano), porm a maioria convertida para nitrato pelas bactrias do solo. A primeira etapa na formao de nitrato a oxidao de NH3 para NO2- pelas bactrias do gnero Nitrosomonas

Atmospheric N2

Biological N2 fixation

Industrial N2 fixation

N0-2

Denitrification

NH3

Electrical N2 fixation

N0-3

Decaying biomass

Animal biomass

Plant biomass

Soil N Pool

(Ammonification) (Uptake)

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ou Nitrococcus. O nitrito posteriormente oxidado para nitrato por bactrias do gnero Nitrobacter. Estes dois grupos de microorganismos so conhecidos como bactrias nitrificantes e o processo que resulta das suas atividades conhecido como nitrificao.

Um outro processo que ocorre nos solos a desnitrificao (170 milhes de toneladas por ano). Neste caso, algumas bactrias reduzem o nitrato para nitrognio gasoso (N2, NO, N2O e NO2), o qual perdido para a atmosfera. Estas bactrias utilizam NO3-, no lugar de O2, como receptor final de eltrons para a respirao. Este processo comum em ambientes pobres em oxignio (solos inundados ou compactados, etc.), podendo acarretar perdas considerveis de nitrognio.

b) Assimilao de Nitrognio

A incorporao de nutrientes minerais em substncias orgnicas, tais como pigmentos, co-fatores enzimticos, lipdios, cidos nuclicos e aminocidos, denominada de assimilao. A assimilao de alguns nutrientes, particularmente N e S, requer uma srie complexa de reaes bioqumicas que esto entre as reaes que mais requerem energia nos organismos vivos:

NO3- (+5) NO2- (+3) NH4+ (-3) Aminocidos gasto de 16 ATP/N

N2 (0) 2 NH4+ (-3) Aminocidos gasto de 24 ATP/2N

SO42- (+6) S2- (-2) (cistena, aminocido) gasto de 14 ATP/S

Somente oxignio, carbono e hidrognio so encontrados nas plantas em maior abundncia do que o nitrognio. O N pode ser absorvido pelas razes das plantas nas formas de NO3- e NH4+ ou pode ser fixado biologicamente numa associao simbitica com microorganismos em que N2 (NN) convertido inicialmente para NH3.

As plantas podem estocar altos nveis de nitrato ou podem transport-lo via xilema sem que ocorra efeito deletrio sobre os tecidos. No entanto, o consumo de plantas com altos nveis de nitrato por humanos e animais, por exemplo, pode provocar uma doena conhecida como metemoglobinemia (o fgado reduz NO3- NO2-, e este se combina com a hemoglobina, impossibilitando a ligao do O2). A assimilao de nitrato , portanto, muito importante para evitar o excesso desse on nos tecidos vegetais, principalmente nos comestveis.

Ao contrrio do nitrato, altos nveis de amnio so txicos tanto para as plantas como para os animais. Esse ction pode agir no desacoplamento do transporte de eltrons da fotossntese e da respirao, dissipando o gradiente eletroqumico de H+ gerado entre os dois lados da membrana, sem que ocorra a produo de ATP. Assim, as plantas assimilam o NH4+ prximo ao stio de absoro ou produo, evitando os efeitos txicos sobre as enzimas do citosol.

A forma de assimilao de nitrognio depende da forma em que ele obtido pela planta. Se o N fornecido na forma de nitrato (NO3-), a planta, primeiramente, reduz este on para nitrito (NO2-) e, ento, para amnio (NH4+), sendo este ltimo assimilado nos compostos orgnicos (primariamente aminocidos). Quando a planta absorve NH4+, ele pode ser imediatamente assimilado em compostos orgnicos. Este amnio pode ser produzido pela planta, como ocorre na fotorrespirao e na fixao biolgica de nitrognio. Veremos abaixo as etapas na assimilao de N, comeando pela reduo do nitrato:

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Reduo do Nitrato

As plantas reduzem a maioria do NO3- absorvido pelas razes e incorpora o nitrognio reduzido (NH4+) em compostos orgnicos, podendo, no entanto, parte do nitrato permanecer armazenada nos vacolos. A maioria das espcies tem a capacidade para reduzir o NO3- tanto nas razes como na parte area. A percentagem de reduo de cada parte da planta depende de alguns fatores, incluindo a espcie vegetal e o nvel de NO3- suprido para as razes. Em geral, quando a quantidade de NO3- baixa, a reduo ocorre predominantemente no sistema radicular.

A primeira reao envolvida no processo a reduo de nitrato para nitrito, no citosol, catalisada pela enzima Redutase do Nitrato:

NO3- + NAD(P)H + H+ NO2- + NAD(P)+ + H2O

A forma mais comum da Redutase do Nitrato usa NADH como doador de eltrons. Outras formas encontradas predominantemente em tecidos no verdes, como razes, podem usar NADH e NADPH.

A Redutase do Nitrato de plantas superiores um dmero, composto de duas sub-unidades idnticas com massas moleculares de 100 kDa (Figura 14). Cada subunidade contm trs grupos prostticos: FAD, um grupo Heme e um complexo molibdnico ( por isso que deficincia de Mo pode causar acmulo de NO3-). O FAD recebe eltrons do NADH. Em seguida, os eltrons passam pelo grupo Heme, chegam ao complexo molibdnico, de onde so transferidos para o nitrato que reduzido para nitrito.

Figura 14 Um modelo da redutase do nitrato, mostrando as duas subunidades e seus grupos prostticos (Taiz & Zeiger, 1998)

A expresso do gen que codifica a redutase do nitrato e a atividade da enzima variam com a concentrao de NO3- e com os nveis de luz e de carboidratos. Estes ltimos fatores estimulam uma protena fosfatase que desfosforila alguns resduos de serina na redutase do nitrato, ativando-a. De modo inverso, escuro e Mg2+ estimulam uma quinase que fosforila o mesmo resduo de serina e inativa a enzima.

Reduo do Nitrito

O nitrito altamente reativo e potencialmente txico para as clulas. Assim, o NO2- gerado pela reduo do NO3- imediatamente removido do citosol para os cloroplastos nas folhas ou outro tipo de plastdio nas razes. Nestas organelas, a Redutase do Nitrito reduz o nitrito para amnio de acordo com a reao:

NO2- + 6 Fedred + 8 H+ NH4+ + 6 Fedox + 2 H2O

N0-3

N0-3 MoCo Heme FAD

NADH

NADH

N0-2

N0-2

Altamente reativo e potencialmente txico para as clulas

Redutase do nitrato (dimero)

MoCo Heme FAD

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As folhas e as razes contm diferentes formas da enzima, porm, ambas transferem eltrons da ferredoxina para o nitrito. Nas folhas, a ferredoxina reduzida tem origem no transporte de eltrons fotossinttico nos cloroplastos e nos tecidos no verdes, a partir do NADPH (gerado na via da Pentose Fosfato).

A Redutase do Nitrito consiste de um nico polipeptdio com massa molecular de 63 kDa e contm dois grupos prostticos: um centro Fe-S e um grupo Heme. Os eltrons so transferidos na seqncia mostrada no esquema abaixo (Figura 15)

Figura 15 Modelo ilustrando o fluxo de eltrons fotossinttico, via ferredoxina, para a reduo do nitrito para amnio (Taiz & Zeiger, 1998)

Assimilao de Amnio

As clulas de plantas evitam a toxicidade de NH4+, inserindo o amnio absorvido e gerado pela reduo de nitrato ou pela fotorrespirao, em aminocidos. Inicialmente, a enzima sintetase da glutamina (GS) combina NH4+ com o glutamato, na reao:

Glutamato + NH4+ + ATP Glutamina + ADP + Pi

A reao envolve um ction divalente (Mg2+, Mn2+ ou Co2+) como cofator. A GS tem massa molecular de 350 kDa e composta de oito sub-unidades aproximadamente idnticas. As plantas possuem duas classes de GS, uma no citosol e outra nos plastdios. As formas citoslicas so expressas em sementes germinando ou feixes vasculares de razes e de parte area e produzem glutamina como forma de transporte de nitrognio. A GS no plastdio da raiz gera amidas para consumo local e a GS do cloroplasto assimila o NH4+ liberado na fotorrespirao.

Elevados nveis de glutamina nos plastdios estimula a atividade da sintase do glutamato, enzima que conhecida como GOGAT (glutamina: 2-oxoglutarato amino transferase). A GOGAT transfere o grupo amida da glutamina para o 2-cetoglutarato, produzindo duas molculas de glutamato.

Glutamina + - Cetoglutarato + NADH + H+ 2 Glutamato + NAD+ (Fedred) (Fedox)

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As plantas contm duas GOGAT, uma recebe eltrons do NADH e a outra da ferredoxina reduzida. A enzima que usa NADH est localizada nos plastdios de tecidos no fotossintticos, como razes e feixes vasculares de folhas em desenvolvimento. A GOGAT dependente de ferredoxina encontrada nas folhas e participa do metabolismo do NH4+ produzido na fotorrespirao. As razes, particularmente aquelas supridas com NO3-, possuem, tambm, uma GOGAT dependente de ferredoxina, a qual participa da incorporao da glutamina gerada durante a assimilao de nitrato.

Alternativamente, o NH4+ poderia ser incorporado pela atividade da Desidrogenase do Glutamato (GDH), que catalisa a seguinte reao:

cetoglutarato + NH4+ + NAD(P)H + H+ Glutamato + H2O + NAD(P)+

As enzimas GDH NADH e GDH NADPH so encontradas nas mitocndrias e nos cloroplastos, respectivamente. A enzima GDH no parece substituir a passagem GS-GOGAT, pois um inibidor da GS, o composto metionina sulfoximina, bloqueia toda a assimilao de amnio em glutamato e glutamina. Assim, a GDH pode ser mais importante na desaminao do glutamato, ou seja, a reao no sentido inverso.

Uma vez assimilado em glutamato e glutamina, o nitrognio incorporado em outros aminocidos, nas reaes de transaminao catalisadas pelas aminotransferases. Exemplo: aminotransferase do aspartato (AAT)

Glutamato + Oxaloacetato Aspartato + cetoglutarato

As reaes de transaminao so encontradas no citosol, cloroplastos, mitocndrias, glioxissomos e peroxissomos. As aminotransferases dos cloroplastos tm significante papel na biossntese de vrios aminocidos (glutamato, aspartato, alanina, serina e glicina).

Uma outra importante enzima a sintetase da asparagina (AS), a qual catalisa a transferncia de um grupo NH2 da glutamina para o aspartato:

Glutamina + Aspartato + ATP Asparagina + Glutamato + AMP + Pi

Sob condies de alta disponibilidade de energia (luz e nveis de carboidratos) ocorre aumento da atividade da via GS - GOGAT e inibio da atividade da AS. Isso favorece a assimilao de N nos aminocidos glutamina e glutamato, compostos ricos em carbono (1N/5C no glutamato e 2N/5C na glutamina) que participam da sntese de novos materiais da planta. Contrariamente, quando a disponibilidade de energia baixa, ocorre a inibio da via GS GOGAT e ativao da AS. Nestas condies o N assimilado preferencialmente em asparagina, um composto relativamente rico em nitrognio (2N/4C) e suficientemente estvel para o transporte longa distncia ou para armazenamento por longos perodos.

Veja as reaes de assimilao de amnio na figura 16:

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Figura 16 - Estruturas dos compostos e reaes envolvidas na assimilao do amnio (Taiz & Zeiger, 1998)

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c) Fixao Biolgica de Nitrognio

Na fixao biolgica de nitrognio, o N2 da atmosfera convertido para NH3, que pode ser posteriormente assimilado em compostos orgnicos. A fixao biolgica de nitrognio pode ser feita por bactria de vida livre ou bactrias que formam associaes com plantas superiores (simbiose). O tipo mais comum de simbiose ocorre entre membros da famlia Leguminosae e bactrias do solo dos gneros Rhizobium e Bradyrhizobium, conhecidas como rizbios. Sob condies limitantes de N, os simbiontes se procuram um ao outro, por meio de uma elaborada troca de sinais.

As reaes envolvidas na simbiose leguminosa - rizbio ocorrem em uma estrutura conhecida como NDULO, um rgo especial que se desenvolve nas razes da planta hospedeira. Abaixo descrevemos, resumidamente, as etapas envolvidas na iniciao e no desenvolvimento do ndulo em razes de soja (Acompanhar figura 17):

Figura 17 - Estgios dos processos de iniciao (A) e desenvolvimento (B) de ndulos em razes de soja (Taiz & Zeiger, 1991)

1 As razes da planta excretam substncias, principalmente homosserina e flavonides, os quais agem como atraentes qumicos; 2 As substncias atraem as bactrias para a superfcie radicular e estimulam, nas bactrias, a produo dos fatores de nodulao (Nod factors) e a liberao de sinais mitgenos que estimulam a diviso celular; A estrutura da molcula do Nod Factor parece determinar a especificidade (espcie de Rhizobium com uma espcie de Leguminosae) 3 Em resposta aos fatores de induo de diviso celular produzidos pelos rizbios, as clulas do crtex da raiz iniciam a proliferao e produzem o meristema primrio do ndulo; 4 As bactrias se aderem aos plos radiculares e iniciam o processo de infeco; 5 As clulas do periciclo, prximas aos plos do xilema, tambm so estimuladas diviso; 6 O cordo de infeco se forma e cresce em direo ao meristema primrio do ndulo. Paralelamente, as clulas no periciclo continuam a diviso;

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7 As duas massas de clulas em diviso (o meristema primrio do ndulo e parte do periciclo) se fundem e o cordo de infeco continua a crescer; 8 O ndulo alonga-se e diferencia-se, incluindo as conexes vasculares com o sistema vascular das razes. Note que os ndulos se desenvolvem prximos aos plos do xilema, o que facilita as conexes e as transferncias de materiais.

Na regio infectada, a bactria continua o processo de diviso, sendo um certo nmero (3-4) de bactrias circundadas por uma membrana que separa as bactrias do citosol da clula hospedeira. Posteriormente, ocorre uma paralisao no processo de diviso e as bactrias aumentam de tamanho e se diferenciam, produzindo organelas endossimbiticas conhecidas como bacterides (bactrias maduras capazes de fixar o N2). A membrana, referida anteriormente, que separa os bacterides do citosol da clula hospedeira denominada de membrana peribacteroidal.

A enzima que catalisa a fixao do N2 a NITROGENASE, de acordo com a seguinte reao:

N2 + 8 e- + 8 H+ + 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

O complexo da nitrogenase pode ser separado em dois componentes: uma Fe-Protena e uma MoFe-Protena, sendo que nenhum do dois componentes possui atividade cataltica isoladamente. Na reao de reduo, a ferredoxina reduzida serve como doador de eltrons para a Fe-Protena, a qual hidrolisa ATP e reduz a MoFe-Protena. Esta ltima reduz o substrato N2 para NH3 e H2 (Figura 18)

Figura 18 O fluxo de eltrons e as reaes catalisadas pela nitrogenase durante a fixao simbitica do N2 (Taiz & Zeiger, 1998)

A nitrogenase pode reduzir um nmero razovel de substratos (N2, H+, N2O, N3-, acetileno, ATP). Uma destas reaes, a reduo do acetileno para etileno, usada para estimar a atividade da enzima. Sob condies naturais, no entanto, a nitrogenase reage somente com N2 e H+. A reduo de H+ para H2 pode representar uma perda considervel de eltrons que poderiam ser utilizados na reduo do N2. Em rizbios, estima-se que de 30 a

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60% da energia suprida para a nitrogenase pode ser perdida como H2, diminuindo a eficincia da fixao biolgica. Alguns rizbios, no entanto, contm uma HIDROGENASE, enzima que pode oxidar o H2 para 2H+, regenerando os prtons e eltrons e aumentando a eficincia da fixao.

Um ponto importante a ser considerado que o oxignio atua na inativao da enzima nitrogenase, agindo, principalmente, sobre a Fe-Protena. Assim, o processo de fixao de N2 deve ocorrer sob condies anaerbicas. Na simbiose leguminosarizbio, como j comentamos, as reaes ocorrem no interior dos ndulos. O ndulo se desenvolve, parte como um sistema vascular que permite a troca do N2 fixado pelo microorganismo pelos nutrientes fornecidos pela planta e parte como uma camada de clulas que reduz o influxo de O2 para o local das reaes de fixao (interior do ndulo). Alm disso, os ndulos so ricos em uma protena conhecida como leghemoglobina, a qual contm um grupo Heme que se liga ao oxignio. A presena dessa protena indicada pela cor rsea no interior dos ndulos (a cor rsea pode ser um indicativo de que o ndulo est ativo). Esta leghemoglobina funciona como um transportador de O2 no ndulo necessrio respirao, sem afetar a atividade da nitrogenase.

O processo de fixao, ou seja, a reao catalisada pela nitrogenase, ocorre dentro de uma organela endossimbitica conhecida como bacteride (bactria madura capaz de fixar o N2). Como j comentamos anteriormente, estes bacterides so encontrados em grupos, os quais so separados de outros grupos de bacterides e do citosol da clula hospedeira pela membrana peribacteroidal.

O NH3 gerado dentro do bacteride, a partir do N2, rapidamente incorporado no glutamato, no citosol da clula hospedeira, por ao da GS, produzindo glutamina. Esta glutamina pode ser transportada para a parte area, via xilema, ou pode ser convertida em outros compostos orgnicos. Com base na composio da seiva do xilema, as plantas podem ser divididas em exportadoras de amidas e exportadoras de uredeos. As leguminosas de clima temperado (ervilha, vicia, etc.) tendem a exportar amidas (glutamina e asparagina) enquanto as leguminosas tropicais (soja, feijo-de-corda, amendoim) exportam o nitrognio na forma de uredeos (Figura 19)

Figura 19 Estrutura dos principais uredeos encontrados em plantas que fixam N2.

Os principais uredeos so alantoina, cido alantico e citrulina (Figura 19). Como mencionamos anteriormente, a GS incorpora o NH3 no glutamato, produzindo a glutamina no citosol da clula infectada. A glutamina , ento, convertida para cido rico, o qual translocado para clulas vizinhas no infectadas (Figura 20). Nestas clulas, a alantoina sintetizada nos peroxissomos a partir do cido rico e o cido alantico sintetizado a partir da alantoina no retculo endoplasmtico. A citrulina sintetizada a partir da ornitina. Os uredeos, uma vez na parte area, so rapidamente catabolizados e liberam NH4+, o qual assimilado na rota GS-GOGAT.

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A vantagem dos uredeos est relacionada eficincia de transporte de nitrognio para a parte area, com grande economia de carbono. Por exemplo, alantoina e cido alantico possuem relao 4N/4C e a citrulina 3N/6C. As amidas asparagina e glutamina tm relaes de 2N/4C e 2N/5C, respectivamente.

Figura 20 Esquema geral mostrando a assimilao de N2 fixado nos ndulos que formam uredeos (Hopkins, 2000).

BIBLIOGRAFIA

FERRI, M. G. (Coord.) Fisiologia Vegetal, v. 1. 2nd ed. So Paulo: EPU, 1985, 361p.

MARSCHNER, H. Mineral Nutrition of Higher Plants. 2nd ed. London: Academic Press, 1995, 889p.

HOPKINS, W. G. Introduction to Plant Physiology. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2000, 512p.

SALISBURY, F. B., ROSS, C. W. Plant Physiology. 4th ed. Califrnia: Wadsworth Publishing Company, Inc., 1991, 682p.

TAIZ, L., ZEIGER, E. Plant Physiology. 2nd ed. Massachusetts: Sinauer Associates, 1998, 792p.

TAIZ, L., ZEIGER, E. Fisiologia Vegetal. 3 edio. Editora Artmed, 2004, 719p.

BACTERIOIDE

PLASTID

N2 N2 NH3

Purine

Glutamine NH+4

RCOO- Sugar

Infected cell Uninfected cell

ENDOPLASMIC RETICULUM

MICROBODY Uric acid

Uric acid Allantoin

Allantoin

Sugar Allantoic acid

Export (via xylem)

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ESTUDO DIRIGIDO No 03

ASSUNTO: NUTRIO MINERAL

1 Quais os critrios bsicos para caracterizar um elemento essencial?

2 Como se explica ser o cloro um elemento essencial, se o mesmo no entra na composio de nenhum composto orgnico tido como essencial?

3 Explique porque, embora sendo o cobalto necessrio fixao simbitica de nitrognio, ele no seja considerado um elemento essencial.

4 Cite o smbolo qumico, as formas de absoro e as principais funes dos macro e micronutrientes.

5 Defina transporte ativo e passivo.

6 Cite e caracterize as protenas transportadoras da membrana celular.

7 Defina simporte e antiporte.

8 Indique como ocorre a absoro de ons e o transporte desde o solo at o xilema radicular.

9 Defina nitrificao. Como ocorre a nitrificao? Quais as vantagens da nitrificao para as bactria e para os vegetais superiores?

10 Explique como ocorre a reduo de nitrato a amnia, caracterizando as respectivas enzimas.

11 Quais as principais enzimas responsveis pela incorporao do NH4+, produzindo aminocidos.

12 Classifique os microorganismos responsveis pela fixao do nitrognio.

13 Descreva a associao existente entre leguminosas e bactrias dos gneros Rhizobium e Bradyrhizobium na fixao simbitica do nitrognio.