bioquÍmica ecolÓgica professora responsável maria eugénia webb, ph.d. e-mail: [email protected]...
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BIOQUÍMICA BIOQUÍMICA ECOLÓGICAECOLÓGICA
Professora ResponsávelProfessora ResponsávelMaria Eugénia Webb, Ph.D.Maria Eugénia Webb, Ph.D.E-mail: E-mail: [email protected]: 96 5 47 55 73Tm: 96 5 47 55 73Gabinete 459 – Ed. Dep.Gabinete 459 – Ed. Dep.
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Bioquímica Ecológica tem uma
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A Bioquímica Ecológica tem
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trabalhar!
Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal
CLASSENúmero
aproximado de
estruturas
DistribuiçãoActividade Fisiológica
Alcalóides 5 500 Angiosp./R/F/Fr
Tóxicos. Amargos
Aminas 100 Angiosp./Fl. Halocinog.
Cheiro repelente
A.A. N. P. 500 Legumin./S, Tóxicos
Glicósidos Cianogénicos
37 F./Fr. Tóxicos (=HCN)
Glucosinolatos 80 Cruciferae Acres/amargos
Fenóis simples 200 Universal/F. Antimicrobiana
Flavonóides 1 500 Universal Coloração
Quinonas 580 Vasta distrib. Coloração
(CONT)
Com
p.
Nitr
ogen
ados
Com
p.
Fen
ólic
os
Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal (Cont.)
CLASSENúmero
aproximado de
estruturas
DistribuiçãoActividade Fisiológica
Monoterpenos 1 370 Óleos essenciais
Cheiro agradável
Lactonas sesquiterpénicas
750Compositae Tóxicos. Amargos.
Alergenos
Diterpenóides 1 230 Vasta (latex, resinas)
Tóxicos (apenas alguns)
Saponinas 537 Vasta Hemolítica
Cardenolidos 150 Restrita Amargos. Tóxicos
Carotenóides 380 Universal.F/Fl/Fr.
Coloração
Cucurbitacinas 150 Restrita Tóxicos. Amargos
Poliacetilenos 650 Compositae
Umbeliferae
Tóxicos (alguns comp.)
Ter
penó
ides
Out
ros
Classificação de Tipos de Resposta apresentados Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientaispor Plantas a Pressões Ambientais
1 - Adaptações explicáveis em termos moleculares
(a) – Alteração da Estrutura Molecular - Qualitativo
(b) Alteração do Número de Moléculas - Quantitativo
•Resistir à desnaturação no caso de a molécula não ser capaz de sobreviver ao “stress”. Ex. : redução do número de grupos –SH nas proteínas de plantas submetidas a baixas temperaturas.
•Melhorar a operacionalidade, isto é, uma molécula funcionaria a um nível abaixo do normal em condições alteradas. Ex.: mudanças no sistema de absorção em plantas submetidas a uma deficiência nutritiva.
•Ajustar o número de determinadas moléculas. Ex.: diferenças detectadas na actividade de ribulose 1,5 bi-fosfato carboxilase em folhas expostas à luz e sujeitas a ensombramento.
•Proteger o metabolismo. Ex1.: equilíbrio osmótico através da síntese de amino ácidos em halófitos. Ex2.: quelação de iões tóxicos. (cont.-»)
Classificação de Tipos de Resposta apresentados Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais por Plantas a Pressões Ambientais (cont.)(cont.)
1 - Adaptações explicáveis em termos moleculares (cont)
(c) – Alteração do Tipo Funcional de Moléculas
•Fazer operar vias alternativas (existe um conjunto de moléculas que não é o apropriado para enfrentar a alteração das condições ambientais , no entanto, não se torna necessário uma nova síntese) Ex. :activação da via respiratória anaeróbia em plantas tolerantes ao encharcamento.
2 – Adaptações requerendo uma explicação em termos morfológicos ou comportamentais
(a) – Ajustamento a alterações temporais existentes no ambiente
(b) – Ajustamentos a alterações espaciais existentes no ambiente
Classificação de Tipos de Resposta apresentados Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais por Plantas a Pressões Ambientais (cont.)(cont.)
2 – Adaptações requerendo uma explicação em termos morfológicos ou comportamentais
(a) – Ajustamento a alterações temporais existentes no ambiente
• Reacções imediatas – Ex. respostas comportamentais como os movimentos das folhas e dos estomas
• Reacções a Longo Prazo – diferenças sazonais na forma de crescimento, incluindo dormência, folhas jovens e adultas
(b) – Ajustamentos a alterações espaciais existentes no ambiente
• Respostas qualitativas – produção de estruturas diferentes. Ex.: folhas de sol e de sombra, heterofilia aquática, aerênquima em plantas sujeitas ao encharcamento.
•Respostas quantitativas – alterações na localização de substâncias de reserva Ex.: “stress nutritivo”
Adaptação Bioquímica das Plantas ao Meio
Células do Mesófilo Celulas Baínha dos Vasos
Sacarose - amidoSup.Folha
PEP – fosfoenolpiruvato
RuBP – ribulose 1,5 bifosfato carboxilase/oxigenase
PGA – ácido fosfoglicerico
Ciclo em C4-modificação da via do carbono na fotossíntese
Cortes transversais de folhas de plantas em C4 mostrando a aglomeração de cloroplastos no interior das células que constituem as bainhas dos vasos condutores
Setaria splendida
Cenchrus ciliaris
Nota: cortes transversais das folhas realizados em micrótomo de congelação. Fotos – microscopia óptica
Foto MW
Foto MW
Vias envolvidas na Síntese de Componentes das Ceras EpicuticularesVias envolvidas na Síntese de Componentes das Ceras Epicuticulares
“Pool”
de
Cadeias
de
Acilo
C20-C34
•Ésteres de Alcano
- dicetonas
•Hidroxi - -dicetonas
• Alcóois secundários
•Cetonas
Descarboxilação
Alcanos
Aldeídos--» Alcóois
Ésteres
Ácidos
Composições Lipídicas Típicas das Superfícies de Folhas de Plantas em C3 e em C4
Família Espécie Mec.Ass.
CO2
Comp. das
Ceras
Poaceae Cynodon dactylon
Saccharum officinarum
Festuca ovina
Secale cereale
C4
C3
Comp comuns:
alcanos,ésteres, aldeídos, alcóois, ácidos livres
Comp. Comuns +ésteres de alcano,
-dicetonas, hidro- -dicetonas
Poaceae Avena sativa
Panicum sp.
C3 ou C4 Classes de comp.comuns a C3 e a C4 +ésteres de alcano,-dicetonas, hidro- -dicetonas
Asteraceae Crisinum arvense C3 Classes comp. Comuns
Composição (%) das Ceras Epicuticulares de Triticum aestivum var. Demar em três estádios de desenvolvimento da Planta
Classes de Compostos
Dias após Germinação
30 130 190
Alcanos 8 15 6
Ésteres lineares 15 19 9
Aldeidos 14 16 2
Alcóois primários 60 45 40
-dicetonas - - 20
Hidroxi--dicetonas - - 18
Ésteres de alcano - - 3
Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978)
-SH HS--SH HS-
1 – Anterior à acção de baixas temperaturas
Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978) (CONT.)
-S S--S S-
2–Após ter sido submetido à acção de baixas temperaturas
Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978) (CONT.)
-S S- -S S-
3–Após ter descongelado
A desidratação citoplásmica associada à congelação forçam a ligação de três proteínas. Como resultado estas ligam-se através de pontes de dissulfito. Quando ocorre a reidratação do citoplasma a estrutura terceária da molécula central é destruída (note-se que as pontes de hidrogénio constituem ligações “fracas”) devido ao facto de as moléculas exteriores readquirirem a sua forma.
Adaptação ao EncharcamentoAdaptação ao Encharcamento
Algumas espécies poderão ter de suportar excesso de água, pelo menos durante parte do ano. As que conseguem tolerar, como Iris pseudacorus e Juncus effusus, o encharcamento da parte radicular poderão ter de alterar a via respiratória de aeróbia para semi-anaeróbia
Um dos principais problemas na raiz submersa consiste no facto de a via glicolítica, na ausência de oxigénio em quantidade suficiente, dará origem a acetaldeído, via piruvato, que na presença de níveis elevados de alcooldesi-drogenase, é convertido a etanol
O etanol é altamente tóxico para as células vege-tais e se se acumula, a planta é incapaz de resistir.
Iris pseudacorus
A hipótese bioquímica que tenta explicar a tolerância de algumas plantas ao encharcamento, sugere a diversificação da via glicolítica, de modo a que a degradaça~de compostos intermédios dos carbohidratos (ex.: fosfoenolpiruvato), seejam “desviados” para a formação de outros produtos inofensivos para a raiz.
Acumula ácido shiquimico durante época
de excesso de água
Alnus incana
Acumula glicerol durante época de excesso de água
Um outro problema derivado da respiração anaeróbia consiste nos baixos níveis de energia produzidos durante o processo.
Outros desafios referem-se à toxicidade provocada por iões inorgânicos (ex.: ferro) libertado durante o prevalecimento das condições redutoras
Juncus sp.
Acumula malato em condi-ções de ancharcamento
Glucose Fosfato dehidroxiacetona Fosfoenolpiruvato piruvato acetaldeido
Glicerol Xiquimato Lactato
etanoloxalacetato
Aspartato
Malato
Alanina
Passo redutor NADH2 NAD
Possíveis produtos finais da glicólise em condições
de anoxia
Respostas possíveis ao desenvolvimento de anaerobiose em Respostas possíveis ao desenvolvimento de anaerobiose em tecidos vegetaistecidos vegetais
Aceleração da glicólise/fer-mentação (efeito Pasteur), levando ao esgotamento das substâncias de reserva, acumulação de metabolitos potencialmente tóxicos e finalmente morte da planta
Aceleração da glicólise/fermentação asso-ciada a uma eficiente remoção do etanol, quer por excreção no meio radicular, quer sob a forma gasosa, via aerênquima -» lenticela. Depender apenas deste sistema resultaria num sério empobrecimento das substâncias de reserva, é natural que esteja restrito a espécies que possuam um arejamento eficiente, estando sujeitas a encharcamento parcial.
Não existe aceleração da glicólise/fer-mentação, tendo assim resultado uma protecção das substâncias de reserva e ausência de risco de toxicidade pelo etanol. No entanto, longos períodos de anaerobiose podem ter consequências graves a nível celular.
Aerênquima
Corte transversal da folha de uma planta aquática mostrando os grandes espaços formados pelas células do aerênquima, proporcionando um local de armazenamento de ar
Tricoma interno
Espaço do aerênquima
Céluas do aerênquima
Efeitos Tóxicos produzidos por Efeitos Tóxicos produzidos por Metais PesadosMetais Pesados
Efeitos Tóxicos produzidos por Efeitos Tóxicos produzidos por Metais PesadosMetais Pesados
Algumas variedades de Agrostis tenuis são capazes de se desenvolverem em solos contendo cerca de 1% de chumbo.
A capacidade de certas plantas lidarem com quantidades tóxicas de metais pesados reside na natureza de um grupo de enzimas localizado ao nível da superfície radicular.
Demonstrou-se que as actividades de um conjunto de enzimas denominados fosfatases ácidas se encontra na base deste tipo de tolerância.
Formas diversas ou isoenzimas de fosfatases ácidas, ocorrem na superfície rdicular dos clones tolerantes.
É possível que mecanismo de sequestro do metal pesado envolva a quelação deste por parte de proteínas específicas ao nível da parede celular.
Agrostis tenuis (Poaceae)
Actividades das Fosfatases Ácidas em Raízes de Agrostis tenuis
| | | / / | |
0 5 10 50 100
Pb no solo (µM)
Hid
rolis
e de
p-n
itrof
enilf
osfa
to
(µM
/m
m2
de s
uper
f íci
e da
ra i
z h-1
)
2.0
3.0 -
4.0 -
Plantas de terrenos calcários ou ácidos
Plantas de terrenos com chumbo
Utilização de Plantas IndicadorasUtilização de Plantas IndicadorasUtilização de Plantas IndicadorasUtilização de Plantas Indicadoras
A capacidade de tolerar uma determinada espécie de metal pesado, levou a que certas plantas sejam utilizadas como indicdores da presença de diversos metais.
Urânio - Certas espécies de Astragalus (fabaceae)
Ouro – Sedum lanceolatum (Crassulaceae)
Zinco – Typha latifolia
Adaptação à SalinidadeAdaptação à SalinidadeAdaptação à SalinidadeAdaptação à Salinidade
Acumulação de NaCl no interior do vacúolo
Processa-se através de uma das seguintes vias:
Resistência à entrada de NaCl no interior da célula.
Diluição do NaCl depois da sua entrada na célula.
Têm-se registado algumas diferenças ao nível bioquímico entre halófitos e glicófitos, especialmente no que se refere a enzimas. No entanto, nenhuma destas diferenças parece estar associada ao processo de adaptação.
Armeria maritima – população do Cabo da Roca
Foto MW
Foto MW
Plantago maritima – população do Cabo da Roca
Características bioquímicas dos Halófitos
Acumulação de compostos nitrogenados
Prolina
Glicinabetaina
Em algumas espécies a prolina livre acumula-se, chegando a representar 10 a 20% do peso seco da parte aérea da planta.Noutras, no entanto, os níveis de prolina não são tão elevados, como em Plantago maritima, por exemplo.
As experiências realizadas com Armeria maritima, demonstraram que a prolina é efectivamente um factor bioquímico adaptativo ao “stress” provocado pelo excesso de NaCl
O aumento dos níveis de “stress” salino faz aumentar a concentração em betaina, no interior da planta
O aumento da concentração em betaina é frequentemente acompanhado pelo aumento da concentração em prolina
Níveis de Glicinabetaina e de Prolina em Plantas sujeitas a condições de baixa e elevada salinidade
Tipo de Planta
Planta
mg/100g de peso fresco
Glicinabetaina Prolina
Salinidade Salinidade
Baixa Elevada Baixa Elevada
Glicófito sensível
ao salTomateiro 2 2 6.9 72
Glicófito resistente
ao sal
Centeio “Arimar”Chloris goyana
32
25
158
106
0.8
0.6
22
48
Halófito
Atriplex spongiosaSuaeda monoica
177
385
246
462
1.3
5.7
2.0
3.7
A resistência a elevada salinidade é determinada geneticamente. Estas duas plantas de Lycopercicon esculentum (tomateiro) demonstram que após modificação genética A consegue desenvolver-se num meio rico em NaCl enquanto B, produz um crescimento muito reduzido
Lycopersicon esculentum
Compostos com Propriedades MoluscicidasCompostos com Propriedades MoluscicidasCompostos com Propriedades MoluscicidasCompostos com Propriedades Moluscicidas
Composto/ClasseComposto/Classe Material Material vegetalvegetal ppmppm
%%
MorMortal.tal.
Espécie de caracol Espécie de caracol testadatestada
OutrasOutras
ActividadesActividades
Lematoxina (saponina triterp.)
Phytolaca dodecandra
1.5 90Biomphalaria
glabrataFungicida
Muzigadial (seaquiterpeno)
Warburgia ugandensis
5.0 50 B. glabrata Bactericida
Afinina (isobutilamina)
Spilanthes sp.
50 100 Physa occidentalis Insecticida
Calepensina (furanocumarina)
Ruta chalepensis
2.0 100 B. glabrataPotenciador de barbitur.
Aflatoxina (furanocumarina)
Aspergillus nigra
0.5 100 B. tenagophilaCarcinogénico
Ambrosina (lactona sesquiter)
Ambrosia maritima
10 100 B.havanensis -
C15H27
COOH
OH
Estrutura do ácido anacárdico
O
O
CH2
CH3
O CH3
Estrutura de ambrosina – lactona sesquiterpénica
Interacções HormonaisInteracções Hormonais
AnimaisAnimaisPlantasPlantas
Hormonas sintetizadas em glândulas endócrinas especiais Hormonas sintetizadas numa
grande variedade de células.
A maior parte inclui-se no grupo dos esteróides ou dos péptidos
Incluídas em diversas classes de acordo com os seus efeitos.
Estrutura química diversa: com base em purinas (citocininas), em amino ácidos (auxinas), em terpenos (giberelinas). Uma delas é um gás – o etileno.
Presença de sistema endócrinoAusência de sistema endócrino.
Trifolium sp.
Koala
Viola sp.
As interacções são possíveis a vários níveis e dependem da capacidade de compostos químicos fisiologicamente activos de interagirem ao nível dos diferentes tipos de organismos.
Frequentemente a planta é dominante exercendo os seus efeitos através da síntese de hormonas animais e feromonas e assim influenciando a vida e a sobrevivência de animais fitófagos.
As primeiras comunicações sobre a presença de hormonas sexuais de mamíferos em tecidos vegetais datam de 1930. No entanto, a maior parte da comunidade científica de então rejeitou estes dados, com base no facto de os tecidos vegetais não apresentarem um sistema endócrino.
A função destas hormonas em tecidos vegetais tem sido objecto de especulação. Presentemente pensa-se estarem envolvidas na defesa da planta em relação aos seus predadores. O equilíbrio hormonal em mamíferos é delicado e basta a adição de um ou mais destes compostos através da dieta para apresentar repercussões, mais ou menos graves, ao nível da reprodução.
De facto, a interpretação que atribui a estes estrogéneos vegetais uma função dissuasora em relação ao alimento (planta) encontra apoio na presença de vários compostos que se assemelham estruturalmente a hormonas femininas com actividade estrogénica.
Estrogéneos Estrogéneos VegetaisVegetais
Estrogéneos Estrogéneos VegetaisVegetais
Composto Material VegetalConcent.
(mg Kg-1)
EstronaPhoenix dactylifera (polen
(sementes
0.40
3.3
Estrona Punica granatum (sementes) 17.0
Estriol Salix sp. (flores) 0.11
Estrona Malus pumila (sementes) 0.1
Estradiol-17- Phaseolus vulgaris (sementes)
Testosterona Pinus sylvestris (polen)
estradiol
Existe uma acentuada semelhança entre as estruturas químicas de hormonas sexuais de mamíferos e outros compostos, como certos isoflavonoides produzidos por plantas.
A actividade estrogénica dos isoflavonoides, foi descoberta na Austrália durante os anos 40.
Permitia-se aos rebanhos de pequenos ruminantes pastarem livremente, por períodos relativamente longos e utilizando pastagens onde o trevo subterrâneo (Trifolium subterraneum) era abundante.
Como resultado desta prática, a reprodução foi seriamente afectada e reduzida para menos de 30%. Finalmente identificou-se o material que se encontrava na origem da infertilidade das ovelhas como sendo o trevo subterrâneo e o principio isolado. A mistura de duas isoflavonas – genisteina e formononetina -
Ao “imitarem” o núcleo da hormona feminina estrona, estes compostos impediam a procriação.
Um dos problemas relacionado com este modo de acção reside no facto de existir uma variedade de aceitadores de estrogéneos. Presentes em vários tecidos.
Mais tarde e muito em especial com todo o desenvolvimento derivado do trabalho sobre disruptores endócrinos, sabe-se que diferentes compostos podem mostrar efeitos aditivos ou mesmo actuarem sinergisticamente.
Bases Bioquímicas de Bases Bioquímicas de Resistência à DoençaResistência à Doença
Classificação de Factores de Resistência a Doenças em Plantas Superiores
ClasseClasse DescriçãoDescrição
Comp. Pré-InfecçãoComp. Pré-Infecção
ProibitinasProibitinas Metabolitos que reduzem ou impedem o desenvolvimento de microrganismos in vitro.
Comp. Pós- InfecçãoComp. Pós- Infecção
Pos.InibitinasPos.Inibitinas
FitoalexinasFitoalexinas
Metabolitos formados pela hidrólise ou oxidação de substractos não tóxicos pré-existentes.
Metabolitos formados de novo por desrepressão ou activação genétiva de um sistema enzimático pré-existente.
controlo
Solução de Sulfato de Cobre
Solução de espóros do fungo Botrytes cynerea
FITOALEXINASFITOALEXINAS
Bioensaio e representação esquemática de uma
cromatoplaca de extractos de sementes de Vicia
peregrina
Crescimento do micélio de Cladosporium herbarum
Comp. fungitóxicos
AlelopatiaAlelopatia
O termo alelopatia foi sugerido pela primeira vez por Molisch (1937), para se referir a interacções inibitórias e de estimulação entre todos os tipos de plantas, incluindo os microorganismos.
Este fenómeno é conhecido deste a Antiguidade e tanto Teofrasto (300 AC) e Plínio (1DC) o descrevem
Em 1974, Rice propôs uma nova definição, em que os compostos químicos produzidos por uma planta estariam na base da interacção.
Pode-se assim distinguir entre alelopatia e competição, embora alguns contornos não se apresentem, por vezes, muito nítidos.
No entanto, Muller (1969), tinha já tentado obviar esta situação sugerindo o termo interferência para referir o conjunto de todos os efeitos deletérios de uma planta sobre outra, englobando assim os efeitos alelopáticos e competitivos.
Competição
Consumo de recursos
Alelopatia
Efeito de compostos químicos
Interferência
Diferenças entre alelopatia e competição - esquemático
A experiência de Pickering (1917)A experiência de Pickering (1917)A experiência de Pickering (1917)A experiência de Pickering (1917)
Flor de Malus sp.
gramíneas
solo
Rebentos de macieira
Água Água
Água
Água