Assimilação de nitrogênio: N2, NO 3. e NH 4

Transcrição

1 Assimilação de nitrogênio: N2, NO 3 - e NH 4 +

2 Objetivos: Identificação das formas de N que efetivamente entram no sistema vegetal. Reconhecimento das enzimas chaves dos processos de fixação e assimilação de N nas plantas. Formas de mobilização de N entre os tecidos. Mecanismos de controle do processo.

3 KEGG PATHWAY Database NO - nitrate 3 NO - nitrite 2 N 2 NH 3 /NH 4 +

4 KEGG PATHWAY Database NO 3 - nitrate NO 2 - nitrite N 2 NH 3 /NH 4 +

5 Formas de entrada no metabolismo de plantas Anabaena Bacteria Planta Arabidopsis NO 3 - nitrate NO 2 - nitrite NH 3 /NH 4 + N 2 Shinorhizobium Oryza Demais organismos?

6 Formas de entrada no metabolismo de animais Homo sapiens

7 trigo trigo trigo gramado

8 p h e r e C r u s t Nitrogênio; formas e estados de oxidação ÚTEIS????? Espécies NH 2 OH Hidroxilamina -1 N 2 Nitrogênio molecular 0 N 2 O NO HNO 2, NO - 2 Ácido nitroso, íon nitrito +3 NO 2 Dióxido de nitrogênio +4 HNO 3, NO 3 - Nome NH 3, NH + 4 Ammonia, ion amônio -3 N 2 H 4 Hidrazina -2 Óxido nitroso Óxido nítrico Ácido nítrico, íon nitrato Nível de Oxidação

9 Tamanho dos reservatórios globais de Nitrogênio ÚTEIS????? Reservatório/Tipo de Biosfera Hidrosfera Atmosfera Geosfera Crosta Solos e Sedimentos Mantle and Core Metric Tons 2.8 x x x x x x x % do Total

10 Ciclo do nitrogênio %: fixação natural 2% reações fotoquímicas 8% nitrificação nitrificação 90% fixaçãobiológica: LIVRES E SIMBIONTES

11 Patógenos Interações essenciais Simbiontes vs nutrição tomate : nemátodo Azolla : Anabaena (ciano) tomate : Cladosporium tomate : Pseudomonas FIXAÇÂO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO! soja : Bradirhizobium feijão : Rhizobium videira : Xylella raíz : micorriza

12 soja : Bradirhizobium Anaerobiose Gunnera : Nostoc -bact +bact Azolla : Anabaena (ciano) cana : Acetobacter Anabaena (arroz) Anaerobiose Nostoc Anaerobiose

13 Organismos fixadores de N 2 Fixadores de vida livre Eubacteria (cianobactérias) Archaebacteria Fixadores em associação com plantas (ou livre) cooperação metabólica N e C Eubacteria cianobactérias alfa-proteobactérias dos grupos Rhizobiales e Rhodospirillales Distribuição filogenética das bactérias fixadoras de N 2 (Buchanan, 2000).

14 Fixadores em associação com plantas Simbiose extracelular Simbiose intracelular Azolla : Anabaena Glicine : Bradyrhizobium

15 Simbiose intracelular Rhizobium Glicine : Bradyrhizobium Nódulos em Sesbania Nosso objeto de estudo

16 Ciclo do Nitrogênio Ex: moléculas com N em plantas nitrificação desnitrificação [N ATP + 8e- + 8H + 2NH ADP + 16 Pi + H 2 ] NITROGENASE

17 Fixação do N2 atmosférico O N disponível para plantas > 90% provém da fixação biológica >~80% gerado por associações simbióticas. A forma atmosférica N N não está disponível para a maioria dos organismos. Quebra da tripla ligação envolve alto gasto energético. [16 ATP ] Atividade da nitrogenase é inibida pela presença de oxigênio. Evolução de processos simbióticos (interação eucariotoprocarioto).

18 Fixação industrial Fertilização química Processo de Haber-Bosch 1913, os trabalhos de Fritz Haber e Carl Bosch na Alemanha permitiram a síntese química de amônia (NH 3 ). Produção anual de 80x10 12 g/ano - quebra da tripla ligação N N

19 Um grupo singular... Alpha-proteobacteria

20 Árvore filogenética das alfa-proteobactérias estimada pela comparação da seqüência do 16S RNA Rhizobium Sinorhizobium patógenos Mesorhizobium Rhizobium Sinorhizobium Mesorhizobium Bradyrhizobium Associação simbiótica formadora de nódulos Bradyrhizobium

21 Simbiose intracelular: formação de nódulos Como se inicia o processo? Que respostas são produzidas nas plantas? Quais são os genes envolvidos? Onde estão os genes de fixação de nitrogênio? Quais são os sinalizadores? Nódulo > Medicago : Sinorhizobium

22 Como se inicia o processo? 1. Raízes liberam substâncias: flavonóides, betaína que são reconhecidos pelo produto do gene NodD na bactéria que induz a expressão dos genes Nod que irão sintetizar fatores Nod. 2. Bactérias liberam os fatores Nod: oligossacarídeos de lipoquitina (particularidades entre diferentes interações) 3. As raízes receptam os fatores Nod, com lectinas e apresentam alteração no fluxo iônico, expressam as nodulinas, são infectadas, e seguem o programa para a morfogênese do nódulo.

23 Fatores Nod oligossacarídeos de lipoquitina 2 enzimas 1 3 Receptor?

24 Flutuações de Cálcio nos pelos radiculares quando expostos aos Fatores Nod. Alterações provavelmente devidas a influência sobre os canais ou bombas de Ca 2+...?...inicia-se a curvatura do pêlo radicular.

25 simbiossomo

26 Que respostas são induzidas na planta? Expressão de nodulinas. Nódulo meristemático (crescimento indeterminado) região meristemática (1) região madura, bacteriódes (4) região de senescência (5) barreira para oxigênio Nódulo cilíndrico (crescimento determinado) região madura, bacteriódes (cinza) região de senescência (preto) barreira para oxigênio

27 Tecidos afetados pela formação do nódulo: epiderme, cortex e periciclo Fatores Nod ativação gênica na planta (nodulinas) indução de divisão celular (18-30 hrs) Local de formação do nódulo (região cortical na frente dos polos xilemáticos

28 Quais são os genes envolvidos? Fator Nod induz a curvatura Nodulinas auxiliam a invasão Na planta: Nodulinas precoces ENOD11 ENOD12 ENOD40 genes dim genes sym tardias leghemoglobina (Lb) Transportadores do simbiossomo

29 Simbiossomos Leghemoglobina Citocromo oxidase de alta afinidade: gerador do ATP necessário para fixação. Células vazias formam barreira para o oxigênio. Nódulo ativo Respiração bacteriana usa O 2, e o ATP produzido é utilizado na fixação de N 2 (citocromo oxidase de alta afinidade). A nitrogenase sempre está funcionando em condições subótimas. Se O 2, aumenta a respiração, e consequentemente o ATP, a fixação também pode aumentar (consome o ATP). Se O 2, a inativação da nitrogenase faz aumentar muito o ATP, a respiração é inibida, menos O 2 e consumido e a nitrogenase é mais inibida..colapso do metabolismo.

30 Quais são os genes envolvidos? Na bactéria: Expressão precoce Genes nod, nol, noe (síntese e secreção de fatores nod) especificidade hospeiro Expressão tardia Genes nif (nitrogenase) Genes fix (regulatórios)

31 Complexo enzimático da nitrogenase (Heterohexámero) Polipeptídeo MoFe 4 subunidades (2α e 2β) totalizando 200kDa Polipeptídeo Fe 2 subunidades idênticas totalizando 68 kda

32 Notrogenase: Controle da expressão gênica O 2 Via NOD Fatores de transcrição nif: nitrogenase fixn: ambiente microaeróbico (?)

33 Assimilação do NH4+

34 Assimilação de NO 3 - e NH 4 + Absorção do solo transportador do tipo simporte (alta afinidade, induzida e baixa afinidade, constitutivo) Que vias enzimáticas são utilizadas? NR/NiR GS/GOGAT GDH Localização nos tecidos Arabidospsis mutante para transportador de nitrato.

35 NO 3- anh 4+ : duas reações Reações dependentes de NR e NiR ocorrem em folhas e raíze Cofatores: Mo, HemoFe, FAD 2e-/NO 2 NO 2 Citoplasma de folhas e raízes Dependendo da espécie: folha ou raíz Dependendo da disponibilidade de NO3: extensão da expressão NR NiR NR regula NiR impede aúmulo de NO 2 Cofatores: FeS, siroheme 6e-/NH 4 Platídios de folhas e raízes

36 Regulação da atividade da Nitrato redutase Transcricional: nitrato, ritmo circadiano sacarose glutamina luz (fitocromo) Plântulas de cevada (exp. NO 3 ) nia mrna (tomate)

37 Regulação da atividade da Nitrato redutase Pós-transcricional (rápida e reversível) fosfoliração: inativa defosforilação: ativa Escuro Baixo CO 2 cinase Fosfatase

38 Resumindo... Citocinina ABA Gene nr mrna da NR NR inativa degradação NR ativa sacarose - luz Baixo CO2 escuro Gene nir mrna NiR NiR ativa transcricional pós-transcricional NO 3 - NO 2 - NH 4 +

39 Assimilação de NH 4 + GS Folha: (cp e cit) Raiz: (cit) GOGAT (cp) (plastos) Carbohidratos Luz + trans Luz + trans + atividade Alfa-cetoglutarato transaminação Carbohidratos Luz -Trans - atividade

40 Assimilação de NH 4 + GS GOGAT Folha: (cp e cit) (cp) Raiz: (cit) (plastos) X X X X

41 Interação NO 3- e metabolismo de C: 1- NO 3- desvia C de amido aa 1 2- luz e carbohidratos: Ativa GC-GOGAT e inibe AS para acumular N em compostos ricos em carbono: glutamina (1/4) e glutamato (a partir dos quais muitas outras rotas surgem) Baixa Energia: Acumulo de N em compostos com alta relação N/C e estável para o transporte: asparagina(2/4) 1 2

42 Translocação de esqueletos contendo N a partir das raízes pode variar entre diferentes plantas: Amidas: gln, asp, purinas (nódulos de alfafa, ervilha e outras espécies) Ureídas: derivados de ácido úrico como ác. Alantóico e alantoina (feijão, soja e vigna) Nitrato Aminoácidos RAÍZ

43 Comparação dos processos de incorporação de N ao metabolismo Planta não nodulada Assimilação N em raiz e folha N translocado preferencialmente como nitrato Altos teores de nitrato no solo Planta nodulada (feijão, soja) Assimilação N em raiz. N translocado Gln, Asn ou ureídes Baixos teores de Nitrato no solo

44 Referências bibliográficas e sítios Buchanan, Gruismen and Jones (2000) Capítulo 16 pg: Kerbauy (2004) Capítulos 3 e 4. Taiz (2002) Capítulos 12 pg: Forde (2002) Annu. Rev. Plant Biol. 53: Geurts and Bisseling (2002) The plant Cell, Supplement: S239-S249. Kistner and Parniske (2002) Trends in Plant Science, 7: