nutricao mineral

5/20/2018 Nutricao Mineral

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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 inteiramenteinorgnico, retirando CO2da atmosfera e gua e nutrientes minerais do solo. Os nutrientesminerais so adquiridos primariamente na forma de ons inorgnicos e entram na biosferapredominantemente atravs do sistema radicular da planta. A grande rea superficial dasrazes e sua grande capacidade para absorver ons inorgnicos em baixas concentraes nasoluo do solo, tornam a absoro mineral pela planta um processo bastante efetivo. Almdisso, outros organismos, como os fungos (micorrzicos) e as bactrias fixadoras denitrognio, freqentemente contribuem para a aquisio de nutrientes pelas plantas. Depois deabsorvido, os ons so transportados para as diversas partes da planta, onde so assimilados eutilizados 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, presenade elementos txicos, como Al3+ e metais pesados, etc), porm, o seu maior interesse estligado diretamente agricultura e produtividade das culturas. Alta produo agrcoladepende fortemente da fertilizao com elementos minerais. No entanto, as plantas cultivadas,tipicamente, utilizam menos da metade dos fertilizantes aplicados. O restante pode serlixiviado para os lenis subterrneos de gua, tornar-se fixado ao solo ou contribuir para apoluio do ar. Assim, torna-se de grande importncia aumentar a eficincia de absoro e deutilizao de nutrientes, reduzindo os custos de produo e contribuindo para evitar prejuzosao meio ambiente.

2 ELEMENTOS ESSENCIAIS

a) Definio e Classificao

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

O Elemento deve estar diretamente envolvido no metabolismo da planta (comoconstituinte 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-lonaquela funo;

Utilizando-se estes critrios, os especialistas da rea de nutrio mineral consideram oselementos como essenciais para as plantas. Estes elementos minerais essenciais sousualmente classificados como macro ou micronutrientes, de acordo com a sua concentraorelativa no tecido ou de acordo com a concentrao requerida para o crescimento adequado daplanta. Em geral, as concentraes dos macronutrientes (N, P, K, Si, Ca, Mg e S) so maioresdo 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 daquelarequerida para o crescimento normal da planta. Assim, melhor classificar macro emicronutrientes de acordo com o requerimento dos nutrientes para o crescimento adequado daplanta (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 namatria seca(mmol/kg)

MacronutrientesHidrognio H H2O 60.000Carbono C CO2 40.000Oxignio O O2, CO2 30.000Nitrognio N NO3

-, NH4+ 1000

Potssio K K+ 250

Clcio Ca Ca

2+

125Magnsio Mg Mg2+ 80Fsforo P H2PO4

-, HPO42- 60

Enxofre S SO42- 30

Silcio Si SiO2Micronutrientes

30

Cloro Cl Cl- 3,0Boro B BO3

3- 2,0Ferro Fe Fe2+, Fe3+ 2,0MangansSdio

MnNa

Mn2+

Na+1,00,4

Zinco Zn Zn2+ 0,3

Cobre Cu Cu+

, Cu2+

0,1Nquel Ni Ni2+ 0,05Molibdnio Mo MoO4

2- 0,001

importante destacar, tambm, que a distino entre macro e micronutrientes quantitativa, no significando diferentes nveis de importncia para a nutrio da planta. Porexemplo, de acordo com a tabela 1, para cada tomo de molibdnio (micro) a planta requerum milho de tomos de nitrognio (macro). Porm, se o nitrognio for suprido na forma denitrato (NO3

-), na ausncia de MOLIBDNIO, o nitrognio no ser assimilado, visto que omolibdnio 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 critriosmencionados anteriormente. Na realidade, estes trs elementos so os principais constituintesdo material vegetal (Tabela 1). No entanto, eles so obtidos primariamente da gua (H 2O) edo ar (O2 e CO2), no sendo considerados elementos minerais e no so estudados pelanutrio mineral.

Outros elementos que compensam efeitos txicos de outro ou que simplesmentesubstituem o elemento essencial em alguma funo das menos especficas, como amanuteno da presso osmtica, no so essenciais. Os elementos minerais que estimulam ocrescimento, 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, sodenominados de BENFICOS. Entre eles pode-se citar o cobalto, o sdio, o silcio, o selnioe o alumnio.

b) Tcnicas Especiais Utilizadas no Estudo da Nutrio Mineral

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

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

O cultivo hidropnico requer alguns cuidados especiais. H necessidade de grandesvolumes de soluo e do ajuste freqente das concentraes dos nutrientes e do pH do meio (opH 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 asoluo nutritiva flui em uma fina camada ao longo da vala, alimentando as razes. Estesistema garante um amplo suprimento de oxignio s plantas.

A soluo nutritiva deve fornecer os elementos essenciais em concentraes quepermitam o rpido crescimento da planta, devendo-se ter o cuidado para que os mesmos noatinjam 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 maiordo que a concentrao observada na soluo do solo. Estas solues concentradas tm sidopreteridas na maioria das pesquisas modernas, as quais utilizam solues bem diludas e queso trocadas freqentemente para diminuir as flutuaes nas concentraes de nutriente(Tabela 2). O acompanhamento da concentrao de K+ tem sido utilizado para indicar omomento 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 3,200Fsforo 2,0 0,14 0,0015Enxofre 1,0 0,6 0,590Potssio 6,0 1,87 0,510Clcio 4,0 2,6 1,700Magnsio 1,0 0,6 0,490

Micronutrientes (M)Ferro 35,0 45 -Cobre 0,5 0,5 -

Zinco 2,0 2,0 0,480Mangans 2,0 7,0 0,002Molibdnio 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. Istoocorre por que a absoro de NO3

- provoca o influxo de H+ (entrada de H+ na clula eaumento do pH do meio) e a absoro de NH4

+provoca o efluxo de H+(sada de H+da clulae 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 [FeSO4ou Fe(NO3)2], o Fe pode ser precipitado comohidrxido ou fosfato de ferro. O uso de agentes quelantes, como cido ctrico, cido tartricoe, mais recentemente, EDTA (cido etilenodiaminotetraactico) ou DTPA (cidodietilenotriaminopentaactico) 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 docomplexo na superfcie da raiz, onde ele absorvido.

c) Relao Sintoma x Funo

O relacionamento entre o crescimento ou a produtividade das plantas e a concentraodos 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 ocrescimento reduzido. Nesta zona, adio de fertilizante produz incrementos naprodutividade.

Zona Adequada Nesta regio, aumento no teor do nutriente no implica emaumento 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 nutrientesno tecido vegetal (Taiz & Zeiger, 1998)

OBS: A concentrao crtica para um determinado nutriente corresponde concentraoabaixo 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. Ossintomas de deficincia de nutrientes em uma planta correspondem expresso da desordemmetablica resultante do suprimento insuficiente de um elemento essencial. Estas desordensesto relacionadas com os papis executados pelo elemento no funcionamento normal daplanta. Por exemplo, a deficincia de nitrognio produz inicialmente clorose nas folhas que sedeve ao fato do N fazer parte da molcula de clorofila e de todas as protenas (inclusive asenzimas).

Em cultivo hidropnico, a ausncia de um elemento essencial pode ser prontamentecorrelacionada com um dado sintoma. Adiagnose 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-1Matria Seca)

CrescimentoouProdutividade

(%

doMximo)

Zona deDeficincia Zona Adequada Zona deToxicidade

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 deplantas produzem sintomas similares queles de deficincias nutricionais. Alm disso, importante destacar que o sintoma a expresso final da desordem metablica, ou seja, antesdo aparecimento do sintoma o metabolismo vegetal e o crescimento da planta j podem estarcomprometidos. 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 elementoessencial, importante considerar a extenso na qual um elemento pode ser reciclado dasfolhas velhas para as novas (Tabela 3). Alguns elementos como N (na forma orgnica), P, Mge K podem mover-se facilmente de uma folha para outra. Outros como Ca, B e Fe sorelativamente imveis na maioria das plantas. Assim, deficincia de um elemento mvelpoder tornar-se evidente primeiramente nas folhas velhas. Enquanto que a deficincia deelementos 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 ImveisNitrognio ClcioPotssio EnxofreMagnsio FerroFsforo BoroCloro CobreZincoMolibdnioSdio

d) Elementos Essenciais: principais funes e sintomas de deficincia

Nitrognio- o elemento essencial requerido em maiorquantidade pelas plantas. constituinte de muitos compostos da planta, incluindo todas as protenas (formadas deaminocidos) e cidos nuclicos. Assim, deficincia de N inibe rapidamente ocrescimento da planta. Se a deficincia persiste, a maioria das plantas mostra clorose,especialmente nas folhas velhas. A intensificao da deficincia pode levar quedada folha. Pode ocorrer, tambm, acmulo de carboidratos ou os carboidratos noutilizados no metabolismo do N podem ser usados na sntese de antocianina, levandoao 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) enos cidos nuclicos. Um sintoma caracterstico de deficincia de P a coloraoverde-escura de folhas mais velhas (primeiramente) associadas ao aparecimento da corprpura, 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 aosapresentados pela deficincia de N, incluindo clorose, reduo no crescimento eacmulo de antocianina. A clorose, no entanto, aparece primeiro nas folhas mais

jovens, o que conseqncia da baixa mobilidade do S na planta. Todavia, emalgumas plantas a clorose ocorre ao mesmo tempo em todas as folhas ou pode atiniciar nas folhas mais velhas.

Potssio O potssio est presente na planta como ction monovalente (K+) e executaimportante papel na regulao do potencial osmtico de clulas de plantas. tambmrequerido para a ativao de muitas enzimas da respirao e da fotossntese. Oprimeiro sintoma de deficincia de K a clorose marginal, a qual se desenvolve comonecrose 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 etem sido implicado como mensageiro secundrio (Ca2+- citoslico ou Ca2+ ligado protena calmodulina) para vrias respostas de planta relacionadas com o ambiente esinais hormonais. Sintomas caractersticos de deficincia de Ca2+incluem necrose deregies meristemticas (como pices de razes e da parte area), onde a diviso celulare a formao de parede so intensas. Esses sintomas tambm revelam a baixamobilidade do Ca2+na planta.

Magnsio Nas clulas de plantas, Mg2+ tem papis especficos na ativao deenzimas 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 cloroseinternervural que ocorre primeiro nas folhas velhas. Esta clorose internervural resultado 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 natransferncia de eltrons, como os citocromos e os centros Fe-S. Neste papel, ele reversivelmente oxidado de Fe2+para Fe3+durante a transferncia de eltrons. Comono 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 comfitoferritina). A folha torna-se clortica por que o ferro requerido para a sntese dealguns 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 oxidaseda cadeia de transporte de eltrons mitocondrial (respirao). Outro exemplo aplastocianina, a qual est envolvida na transferncia de eltrons durante as reaes deluz da fotossntese. O sintoma inicial de deficincia de cobre a produo de folhasverde-escuras, que podem conter manchas necrticas. Sob deficincia severa as folhaspodem cair prematuramente.

Zinco - Algumas enzimas (desidrogenase alcolica, anidrase carbnica, superxidodismutase, 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 pelareduo no crescimento internodal. Este sintoma pode ser resultado da perda dacapacidade da planta para produzir suficiente auxina (fitohormnio). Algumasevidncias disponveis indicam que o zinco pode ser requerido para a biossntese dotriptofano, 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). Noentanto, a funo mais bem definida do Mn2+ a sua participao na reao dafotossntese na qual o O2 produzido a partir da gua (H2O). O principal sintoma dedeficincia de Mn2+ uma clorose internervural associada com pequenas manchasnecrticas. Esta clorose pode ocorrer em folhas jovens ou velhas, dependendo daespcie 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 denitrato para nitrito (NO3

- NO2

-) e de nitrognio atmosfrico para amnio (N2NH4

+), respectivamente. Assim, a deficincia de molibdnio pode aparecer comodeficincia de nitrognio se a fonte de N for o nitrato ou se a planta depende dafixao biolgica de N2(simbiose). Embora o requerimento das plantas por Mo sejapequeno, a deficincia tem sido verificada no campo. Assim, pequenas adies de Mo,em tais condies, podem aumentar sensivelmente a produtividade com custosrelativamente 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, nasntese de cidos nuclicos, nas respostas a hormnios e na integridade estrutural daparede 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. Adominncia apical pode tambm ser perdida e a planta pode ficar altamenteramificada. Alm disso, estruturas como frutos e tubrculos podem exibir necroses ouanormalidades relacionadas com a degradao de tecidos internos.

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

Nquel A urease a nica enzima que necessita de Ni como cofator enzimtico nasplantas superiores. Ento, plantas deficientes em Ni acumulam uria nas folhas, o quepode causar necrose no pice. Em face das minsculas concentraes de Ni requeridaspelas plantas, a deficincia raramente observada em condies de campo. Por outrolado, alguns microrganismos fixadores de N2requerem Ni para a enzima hidrogenase,a qual re-processa o H2gerado durante a fixao simbitica. Os microrganismos quepossuem esta enzima dependente de nquel (como os rizbios que nodulam a soja) soenergeticamente mais eficientes.


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Silcio Apenas membros da famlia Equisitaceae, chamados juncos de polimentoporque suas cinzas, ricas em slica granulosa, eram usadas para polir panelas,requerem silcio para completar seu ciclo de vida. No entanto, muitas outras espciesacumulam silcio em seus tecidos e apresentam melhoria no seu crescimento e nafertilidade, 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, paredescelulares e espaos intercelulares como slica amorfa hidratada (SiO2.nH2O). Eletambm forma complexos com polifenis e serve como alternativa lignina no reforode paredes celulares. Alm disso, o silcio pode aliviar a toxicidade de muitos metaispesados.

Sdio A maioria das espcies que utiliza as rotas C4e CAM de fixao de carbonorequerem ons sdio para a regenerao do fosfoenolpiruvato. Sob deficincia desdio, essas plantas exibem clorose e necrose ou deixam de florescer. Muitas espciesC3 se beneficiam de uma exposio a baixos nveis de sdio. O sdio estimula ocrescimento por meio de uma maior expanso celular, alm de poder parcialmentesubstituir 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 afavor 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 demembranas biolgicas bastante restrita, devido baixa permeabilidade da bicamada lipdicapara molculas polares, com exceo da gua. Na realidade, poucas substncias de

importncia biolgica apresentam natureza apolar e somente trs (O2, CO2 e NH3) parecematravessar a membrana por difuso simples atravs da bicamada lipdica. Portanto, assubstncias polares e inicas devem atravessar as membranas biolgicas atravs de outrosmecanismos e por outras regies e no por simples difuso.

Alm da concentrao, o transporte de solutos atravs de membranas biolgicas podeser impulsionado por outras foras: presso hidrosttica, gravidade (desprezvel) e camposeltricos. Estas diversas fontes de energia potencial definem o potencial qumico de umdeterminado soluto. A equao abaixo leva em considerao as principais foras associadascom o transporte atravs de membranas:

j= *j+ RTlnCj + zjFE em que:j = potencial qumico

*j= potencial qumico padroRTlnCj= componente qumico (concentrao)R = constante universal dos gases (0,00831 kg MPa mol-1 oK-1); e T = temperaturaabsoluta (oC + 273); Cj= concentrao molal (moles por kg de gua);.zjFE = componente eltricozj= 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 oseu transporte. A soma dos termos da equao do potencial qumico depende do soluto emestudo. 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 aodo termo referente a concentrao. Neste caso teremos:

Potencial qumico dentro da clula

ji= *j+ RTlnCj

i

Potencial qumico fora da clula

jo= *j+ RTlnCj

o

Calculando-se a diferena, temos

j= ji - j

o = RT (lnCji - lnCj

o) = RT ln Cji/Cj

o

Se a concentrao externa (Cjo) for maior que a concentrao interna (Cj

i) este termoser negativo, indicando que a sacarose poder mover-se passivamente para dentro da clula.

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

j= ji - j

o = 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 deconcentrao [Ki]/[Ko] e a diferena de potencial eltrico (E i Eo) entre os doiscompartimentos. 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 demolculas 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 demembranas fosfolipdicas. Devido sua natureza apolar, as bicamadas lipdicas so altamenteimpermeveis para ons (Figura 4) e molculas polares. Estas bicamadas so altamentepermeveis 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 dosfosfolipdios e ao seu pequeno tamanho. Em geral, quando as molculas aumentam emtamanho e polaridade, suaspermeabilidades nas membranas fosfolipdicasdecrescem.

Quando as permeabilidades de bicamadas artificiais para ons e molculas socomparadas com as de membranas biolgicas (Figura 4), observa-se que para molculas nopolares e pequenas molculas polares, ambas possuem permeabilidades similares (para a guaa permeabilidade ligeiramente maior na membrana biolgica). Por outro lado, para ons e,tambm, para molculas polares de maior tamanho, como acares, as membranas biolgicasso muito mais permeveis. Estas diferenas devem-se presena de protenas integrais nasmembranas biolgicas, as quais facilitam a passagem de ons e molculas polares.

Figura 4 Permeabilidade, em cm s-1, para substncias difundindo atravs de bicamadaslipdicas 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 etransportam um soluto ou um grupo de solutos relacionados.

valuesP

10-

10-4

10-6

10-8

10-10Cl-K+Na+

Glicerol

H2O

Artificial membraneBiological membrane

Na+Cl-K+

Gl cerol

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 106a 108

molculas por segundo) so protenas integrais que funcionam como um poro seletivo namembrana. O tamanho do poro e a densidade de cargas na superfcie do canal determinam asua especificidade. Estes canais no permanecem constantemente abertos e parecem abrir emresposta a sinais ambientais. O transporte atravs de canais sempre passivo (a favor degradiente 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 osseguintes 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 (102molculas por segundo) muitas vezes menor do que ataxa de transporte via canal.

O transporte mediado por CARREADORES, diferente do transporte via canal, pode serpassivo ou ativo e pode transportar um amplo nmero de substncias. O transporte passivo viacarreador 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 favorde um gradiente de concentrao e o transporte passivo via carreador ocorre a favor de umgradiente 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 otransporte 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 comohdrlise de ATP (Figura 6). Muitas destas bombas proticas transportam ons, tais como H+eCa2+. As bombas inicas podem ser caracterizadas, tambm, como eletrognicas ou

eletroneutras. Em geral, o transporte eletrognico refere-se ao movimento lquido de cargaatravs da membrana. Por exemplo, a H+-ATPase de clulas de plantas bombeia H+para omeio 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 produzindomovimento lquido de cargas atravs da membrana. Esta ltima bomba eletroneutra.

Na membrana plasmtica de plantas, de fungos e de bactrias, bem como no tonoplastoe outras endomembranas, o H+ o principal on que transportado eletrogenicamente atravsda membrana. A H+-ATPase da membrana plasmtica cria o gradiente de potencialeletroqumico de H+entre o meio externo e o citosol. Como os H+so transportados para omeio externo, o potencial de membrana no lado interno fica negativo e no lado externo ficapositivo. Medies realizadas com microeletrodos, colocados nos lados interno e externo declulas 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+-Pirofosfatasebombeiam H+eletrogenicamente no lmem do vacolo, gerando um gradiente eletroqumicode H+entre o citosol e o vacolo.

Na membrana plasmtica de plantas somente H+e Ca2+parecem ser transportados pelasbombas, sendo que a direo do bombeamento para o meio externo. Isto significa que outromecanismo necessrio para a absoro ativa de muitos nutrientes minerais e tambm demolculas orgnicas. Este outro mecanismo envolve o acoplamento do transporte contragradiente 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, sendoimpulsionado 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 ovacolo) pelas H+-ATPases, um potencial de membrana (componente eltrico) e um gradientede pH (componente qumico) so criados nas membranas plasmtica e vacuolar, s expensasda hidrlise de ATP. O gradiente de potencial eletroqumico, conhecido como fora motiva deprtons, p, representa a energia livre estocada na forma de gradiente de H+ que pode serutilizada para o transporte de outros ons e molculas.

Figura 7 Os dois tipos de transporte ativo secundrio acoplado ao gradiente primriode 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, notransporte ativo secundrio. O carreador uma protena transmembranar com um stio deligao no lado externo da membrana que permite a ligao do H+. O prton ligado aocarreador modifica a conformao da protena, que expe um outro stio, o de ligao, ao qualse liga o soluto a ser transportado. Com as duas substncias ligadas, a protena muda deconformao e expe os stios no lado oposto da membrana, onde as substncias soliberadas. Este tipo de co-transporte conhecido como simporte, pois as duas substnciasmovem-se na mesma direo. Quando o movimento de um H+impulsiona o transporte ativode 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 simultaneamentecom o H+, se move contra o seu gradiente de potencial eletroqumico, ficando claro que setrata 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 osnions 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 absorvidopassivamente via canais. O Ca2+ absorvido passivamente via canais, porm, suaconcentrao no citosol mantida em valores muito baixos (0,15-0,50M) devido a atividadede uma Ca2+- ATPase na membrana plasmtica, que transporta o Ca2+ para o espaoextracelular, 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 podepromover 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 demolculas nos stios de ligao da protena de transporte, ele tem sido estudado, tambm, pelouso da cintica enzimtica (Figura 8).

Figura 8 Influncia da concentrao de um on no meio externo sobre as taxas dedifuso 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 porcarreador tende para uma taxa mxima (Vmax), que alcanada quando todos os stios deligao do substrato esto ocupados. A concentrao do carreador, no a do soluto, tornam ataxa limitante. A constante Km, concentrao do soluto que produz Vmax/2, tende a refletir aspropriedades 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 pareceser 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 maioresconcentraes, 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 umcarreador de muito baixa afinidade. Para o K+, o transporte em baixa concentrao mediadopor 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 mediadopor canal.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100

Concentrao do on

TaxadeAbs

orodo

on

Absoro

Difuso


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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 seusaspectos qumicos), o solo. Isto implica que a raiz alm de se desenvolver dentro do solo deveter mecanismos que permitam selecionar os nutrientes que a planta necessita para o seucrescimento. A membrana celular representa a barreira, por onde a planta pode controlar aentrada e sada de diversos solutos.

Em geral, o transporte altamente seletivo, ou seja, a membrana tem preferncia poralguns 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 milhopermite um acmulo de K+cerca de mil vezes maior do que o de Na+e de NO3

-cerca de trezevezes superior que o de SO4

2-. As baixas concentraes de Na+ em clulas de plantas(diferente das clulas animais) resulta da reduzida absoro e tambm da atividade doantiporte 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 1142Na+ 0,6 0,51 1,18NO3

- 38 0,13 292SO4

2- 14 0,61 23

b) O Solo como Fornecedor de Nutrientes

O solo um substrato complexo em termos fsicos, qumicos e biolgicos. compostodas fases slida, lquida e gasosa, as quais interagem com os elementos minerais. Aspartculas inorgnicas da fase slidaprovidenciam 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, comoN, P, S, dentre outros. A fase lquidado solo constitui a soluo do solo, a qual contm onsdissolvidos e serve como meio para o movimento de ons para a superfcie das razes. OsGASES, tais como O2, CO2e N2, esto dissolvidos na soluo do solo, porm, sua absoropelas razes ocorre predominantemente nas bolhas de ar entre as partculas do solo.

As partculas coloidais (micelas) do solo, orgnicas (pectinas com COO-

ehemiceluloses com OH-) e inorgnicas (caolinita, smectita e ilita), tm cargas negativas na suasuperfcie. Os ctions como Ca2+, Mg2+, K+, NH4

+, dentre outros, ficam adsorvidos s cargasnegativas das partculas do solo (Figura 9). Nesta situao, eles no so facilmente perdidospor lixiviao e representam uma reserva de nutrientes para a planta. Estes ons podem sersubstitudos no complexo de troca, um processo conhecido como troca de ctions. Acapacidade de troca de ctions(CTC) altamente dependente do tipo de solo. Solos compartculas menores (argila), tm uma maior superfcie especfica (relao reasuperficial/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 CTCpossui maior reserva de nutrientes minerais. A fertilidade deste solo ser completa se estamaior CTC for devida a elevada percentagem de saturao de bases (Ca 2+, Mg2+, K+, NH4

+).Presena de elementos txicos, como alumnio (Al3+), pode acarretar problemas para ocrescimento 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 HPO4

2-) podem permanecer fixados ao solo contendo Al3+e Fe3+, por que formamsais insolveis, tais como AlPO4 e FePO4. O sulfato (SO4

2-), na presena de Ca2+ forma ogesso (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 relacionadacom sua capacidade para desenvolver um extensivo sistema radicular. O desenvolvimento dosistema radicular de mono e de dicotiledneas depende, em grande parte, da atividade domeristema apical das razes. Na regio apical das razes possvel observar trs regiesdistintas: 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 qualprotege o meristema e parece ser fundamental na percepo da gravidade (gravitropismo). Nacoifa ocorre tambm a produo de mucilagem que parece evitar a dessecao do piceradicular. 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 derpida 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 parafora 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 paraa parte area). interessante notar que o floema se desenvolve antes do xilema, o que podeser 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 nazona 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, comcapacidade 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 dopice radicular. No entanto, esta tendncia varia bastante, dependendo de fatores, como tipode on (nutriente), estado nutricional e espcie vegetal estudada. Em razes de milho, porexemplo, 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 demilho, em meq (24 horas)-1por 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 19,5Clcio 6,5 3,8 2,8


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BA

Em adio, as razes de mais de 80% de todas as plantas estudadas, incluindopraticamente todas as espcies de importncia econmica, formam associaes conhecidascomo micorrizas (fungo-planta). Uma micorriza uma associao simbitica entre um fungono patognico e as clulas de razes jovens, particularmente as clulas epidrmicas ecorticais (Figura 11). O fungo recebe nutrientes orgnicos (carboidratos) da planta e, emcontrapartida, 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 asclulas do crtex (micorriza ectotrfica). As hifas de outros fungos se desenvolvem nosespaos intercelulares do crtex e penetram em algumas clulas individuais, formandovesculas (micorriza vesicular arbuscular). Nos dois tipos de associao, as hifas do fungocrescem tambm para o meio externo (solo), aumentando grandemente a capacidade paraabsorver alguns nutrientes encontrados em baixas concentraes na soluo do solo, comofosfato e alguns micronutrientes (Zn, Cu)

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

d) Absoro pelas Razes: uma viso transversal

No solo, os nutrientes podem se mover para as superfcies radiculares dissolvidos nofluxo em massa de gua ou por difuso. No fluxo em massa, os nutrientes so carreados pelagua que est se movendo do solo para a raiz. Como vimos na unidade III (RelaesHdricas), o fluxo em massa ocorre por diferena de presso, a qual determinada,primariamente, pela taxa de transpirao. Assim, a quantidade de nutriente suprida por fluxoem massa depende da transpirao e da concentrao do nutriente na soluo do solo. Quandoambas 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 emmassa.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 regioe favorece a difuso em direo superfcie radicular. Quando a difuso lenta, cria-se umazona de esgotamento do nutriente prximo superfcie da raiz. Normalmente, a difuso importante para nutrientes encontrados em baixas concentraes na soluo do solo, como ocaso do fsforo (HPO4

2-).


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Ao chegar na superfcie da raiz o on pode seguir diferentes caminhos. Em termos detransporte de pequenas molculas, a parede celular uma trelia aberta de polissacardeosatravs do qual os elementos minerais se difundem livremente. O contnuo de paredescelulares e espaos intercelulares conhecido como apoplasto. Similarmente, os citoplasmasde 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. Entreo 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 substnciahidrofbica, a suberina, nas paredes radiais das clulas da endoderme), que bloqueiamefetivamente 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 plasmticadas clulas epidrmicas (inclusive nos plos radiculares) ou ele pode se difundirentre as clulas da epiderme e crtex, via apoplasto.

Do apoplasto do crtex, um on pode difundir-seradialmente para a endoderme ouentrar via membrana da clula cortical, no simplasto.

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

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

Aps o on ter entrado no cilindro central atravs do simplasto, ele continua a se difundirde clula para clula. Finalmente, o on retorna para o apoplasto (do cilindro central) edifunde-se para dentro do xilema. Novamente, as estrias de Caspary evitam que o on retornepara o apoplasto do crtex (espao livre aparente). Assim, a planta pode manter uma maiorconcentrao 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 fluxotranspiratrio. Algumas vezes, a ascenso da seiva xilemtica promovida pela pressoradicular, particularmente em algumas espcies, quando os solos esto midos e a umidaderelativa do ar alta, tal como ocorre durante as primeiras horas do dia (transpiraopraticamente 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 nabiomassa. O padro complexo de troca de N entre os trs ambientes conhecido como ciclodo nitrognio (Figura 13). Em torno de 270 milhes de toneladas de N 2da atmosfera sotransferidos para o solo por ano.

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

O poolde nitrognio encontrado no solo central para a idia do ciclo do nitrognio. Onitrognio do solo entra na biomassa principalmente na forma de NO3

-, absorvido pelasplantas e microorganismos. Uma vez absorvido, o nitrato convertido para NH4

+, e este

ltimo assimilado em aminocidos e outros compostos nitrogenados, os quais constroem asprotenas e outras macromolculas. O nitrognio move-se na cadeia alimentar quando osanimais se alimentam das plantas. O nitrognio retorna para o solo atravs dos resduosanimais ou aps a morte e subsequente decomposio de todos os organismos.

No processo de decomposio, o nitrognio orgnico convertido para NH3por umavariedade de microorganismos. Este processo conhecido como amonificao. Parte daamnia 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 naformao de nitrato a oxidao de NH3para NO2

-pelas bactrias do gnero Nitrosomonas

Atmospheric N2

BiologicalN2fixation

IndustrialN2fixation

N0-2

Denitrification

NH3

ElectricalN2fixation

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 gneroNitrobacter. Estes dois grupos de microorganismos so conhecidos como bactriasnitrificantes e o processo que resulta das suas atividades conhecido como nitrificao.

Um outro processo que ocorre nos solos a desnitrificao (170 milhes de toneladaspor 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 ambientespobres em oxignio (solos inundados ou compactados, etc.), podendo acarretar perdasconsiderveis 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 deassimilao. A assimilao de alguns nutrientes, particularmente N e S, requer uma sriecomplexa de reaes bioqumicas que esto entre as reaes que mais requerem energia nosorganismos 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 maiorabundncia do que o nitrognio. O N pode ser absorvido pelas razes das plantas nas formasde 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 semque ocorra efeito deletrio sobre os tecidos. No entanto, o consumo de plantas com altosnveis de nitrato por humanos e animais, por exemplo, pode provocar uma doena conhecidacomo metemoglobinemia (o fgado reduz NO3

- NO2-, e este se combina com a

hemoglobina, impossibilitando a ligao do O2). A assimilao de nitrato , portanto, muitoimportante para evitar o excesso desse on nos tecidos vegetais, principalmente noscomestveis.

Ao contrrio do nitrato, altos nveis de amnio so txicos tanto para as plantas comopara os animais. Esse ction pode agir no desacoplamento do transporte de eltrons dafotossntese e da respirao, dissipando o gradiente eletroqumico de H+gerado entre os doislados 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 docitosol.

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 paranitrito (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 pelaplanta, como ocorre na fotorrespirao e na fixao biolgica de nitrognio. Veremos abaixoas 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 dealguns 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 sistemaradicular.

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, podemusar 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 contmtrs grupos prostticos: FAD, um grupo Heme e um complexo molibdnico ( por isso quedeficincia de Mo pode causar acmulo de NO3

-). O FAD recebe eltrons do NADH. Emseguida, os eltrons passam pelo grupo Heme, chegam ao complexo molibdnico, de onde sotransferidos para o nitrato que reduzido para nitrito.

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

A expresso do gen que codifica a redutase do nitrato e a atividade da enzima variamcom a concentrao de NO3

-e com os nveis de luz e de carboidratos. Estes ltimos fatoresestimulam uma protena fosfatase que desfosforila alguns resduos de serina na redutase donitrato, ativando-a. De modo inverso, escuro e Mg2+estimulam uma quinase que fosforila omesmo 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 onitrito 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 notransporte de eltrons fotossinttico nos cloroplastos e nos tecidos no verdes, a partir doNADPH (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 sotransferidos na seqncia mostrada no esquema abaixo (Figura 15)

Figura 15 Modelo ilustrando o fluxo de eltrons fotossinttico, via ferredoxina, para areduo 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, aenzima 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 temmassa 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 formascitoslicas so expressas em sementes germinando ou feixes vasculares de razes e de partearea 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 NH 4+

liberado nafotorrespirao.Elevados nveis de glutamina nos plastdios estimula a atividade da sintase do

glutamato, enzima que conhecida como GOGAT (glutamina: 2-oxoglutarato aminotransferase). 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 daferredoxina reduzida. A enzima que usa NADH est localizada nos plastdios de tecidos nofotossintticos, como razes e feixes vasculares de folhas em desenvolvimento. A GOGATdependente de ferredoxina encontrada nas folhas e participa do metabolismo do NH 4

+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 noscloroplastos, respectivamente. A enzima GDH no parece substituir a passagem GS-GOGAT,pois um inibidor da GS, o composto metionina sulfoximina, bloqueia toda a assimilao deamnio em glutamato e glutamina. Assim, a GDH pode ser mais importante na desaminaodo glutamato, ou seja, a reao no sentido inverso.

Uma vez assimilado em glutamato e glutamina, o nitrognio incorporado em outrosaminocidos, 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 papelna 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 NH2da glutamina para o aspartato:Glutamina + Aspartato + ATP Asparagina + Glutamato + AMP + Pi

Sob condies de alta disponibilidade de energia (luz e nveis de carboidratos) ocorreaumento da atividade da via GS - GOGAT e inibio da atividade da AS. Isso favorece aassimilao 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 daplanta. Contrariamente, quando a disponibilidade de energia baixa, ocorre a inibio da viaGS GOGAT e ativao da AS. Nestas condies o N assimilado preferencialmente emasparagina, um composto relativamente rico em nitrognio (2N/4C) e suficientemente estvelpara 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 N2da atmosfera convertido para NH3, que podeser posteriormente assimilado em compostos orgnicos. A fixao biolgica de nitrogniopode ser feita por bactria de vida livre ou bactrias que formam associaes com plantassuperiores (simbiose). O tipo mais comum de simbiose ocorre entre membros da famlia

Leguminosaee bactrias do solo dos gneros Rhizobiume Bradyrhizobium, conhecidas comorizbios. Sob condies limitantes de N, os simbiontes se procuram um ao outro, por meio deuma elaborada troca de sinais.

As reaes envolvidas na simbiose leguminosa - rizbio ocorrem em uma estruturaconhecida como NDULO, um rgo especial que se desenvolve nas razes da plantahospedeira. Abaixo descrevemos, resumidamente, as etapas envolvidas na iniciao e nodesenvolvimento do ndulo em razes de soja (Acompanhar figura 17):

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

1 As razes da planta excretam substncias, principalmente homosserina e flavonides, osquais agem como atraentes qumicos;2 As substncias atraem as bactrias para a superfcie radicular e estimulam, nas bactrias, aproduo dos fatores de nodulao (Nod factors) e a liberao de sinais mitgenos queestimulam a diviso celular; A estrutura da molcula do Nod Factor parece determinar aespecificidade (espcie de Rhizobiumcom uma espcie de Leguminosae)3 Em resposta aos fatores de induo de diviso celular produzidos pelos rizbios, as clulasdo 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 dopericiclo) se fundem e o cordo de infeco continua a crescer;8 O ndulo alonga-se e diferencia-se, incluindo as conexes vasculares com o sistemavascular das razes. Note que os ndulos se desenvolvem prximos aos plos do xilema, o quefacilita 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 clulahospedeira. Posteriormente, ocorre uma paralisao no processo de diviso e as bactriasaumentam de tamanho e se diferenciam, produzindo organelas endossimbiticas conhecidascomo bacterides (bactrias maduras capazes de fixar o N2). A membrana, referidaanteriormente, que separa os bacterides do citosol da clula hospedeira denominada demembrana peribacteroidal.

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

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 umaMoFe-Protena, sendo que nenhum do dois componentes possui atividade catalticaisoladamente. Na reao de reduo, a ferredoxina reduzida serve como doador de eltronspara a Fe-Protena, a qual hidrolisa ATP e reduz a MoFe-Protena. Esta ltima reduz osubstrato N2para NH3e H2(Figura 18)

Figura 18 O fluxo de eltrons e as reaes catalisadas pela nitrogenase durante afixao 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 paraestimar a atividade da enzima. Sob condies naturais, no entanto, a nitrogenase reagesomente com N2e H

+. A reduo de H+para H2pode representar uma perda considervel deeltrons 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 eficinciada fixao biolgica. Alguns rizbios, no entanto, contm uma HIDROGENASE, enzima quepode oxidar o H2para 2H

+, regenerando os prtons e eltrons e aumentando a eficincia dafixao.

Um ponto importante a ser considerado que o oxignio atua na inativao da enzimanitrogenase, agindo, principalmente, sobre a Fe-Protena. Assim, o processo de fixao de N2

deve ocorrer sob condies anaerbicas. Na simbiose leguminosarizbio, como jcomentamos, as reaes ocorrem no interior dos ndulos. O ndulo se desenvolve, parte comoum sistema vascular que permite a troca do N2fixado pelo microorganismo pelos nutrientesfornecidos pela planta e parte como uma camada de clulas que reduz o influxo de O2para olocal das reaes de fixao (interior do ndulo). Alm disso, os ndulos so ricos em umaprotena conhecida como leghemoglobina, a qual contm um grupo Heme que se liga aooxignio. A presena dessa protena indicada pela cor rsea no interior dos ndulos (a corrsea pode ser um indicativo de que o ndulo est ativo). Esta leghemoglobina funciona comoum transportador de O2 no ndulo necessrio respirao, sem afetar a atividade danitrogenase.

O processo de fixao, ou seja, a reao catalisada pela nitrogenase, ocorre dentro deuma organela endossimbitica conhecida como bacteride(bactria madura capaz de fixar

o N2). Como j comentamos anteriormente, estes bacterides so encontrados em grupos, osquais so separados de outros grupos de bacterides e do citosol da clula hospedeira pelamembrana peribacteroidal.

O NH3 gerado dentro do bacteride, a partir do N2, rapidamente incorporado noglutamato, no citosol da clula hospedeira, por ao da GS, produzindo glutamina. Estaglutamina pode ser transportada para a parte area, via xilema, ou pode ser convertida emoutros compostos orgnicos. Com base na composio da seiva do xilema, as plantas podemser divididas em exportadoras de amidas e exportadoras de uredeos. As leguminosas declima temperado (ervilha, vicia, etc.) tendem a exportar amidas (glutamina e asparagina)enquanto as leguminosas tropicais (soja, feijo-de-corda, amendoim) exportam o nitrogniona 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). Comomencionamos anteriormente, a GS incorpora o NH3no glutamato, produzindo a glutamina nocitosol 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 partirda alantoina no retculo endoplasmtico. A citrulina sintetizada a partir da ornitina. Osuredeos, 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 aparte area, com grande economia de carbono. Por exemplo, alantoina e cido alanticopossuem relao 4N/4C e a citrulina 3N/6C. As amidas asparagina e glutamina tm relaesde 2N/4C e 2N/5C, respectivamente.

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

BIBLIOGRAFIA

FERRI, M. G. (Coord.) Fisiologia Vegetal, v. 1.2nded. So Paulo: EPU, 1985, 361p.

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

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

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

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

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

BACTERIOIDE

PLASTID

N2N2 NH3

Purine

GlutamineNH+4

RCOO- Suga

Infected cell Uninfected cell

ENDOPLASMICRETICULUM

MICROBODYUricacid

Uricacid

Allantoin

Allantoin

Suga

Allantoic acid

Export(via xylem)


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ESTUDO DIRIGIDO No03

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 composiode 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 emicronutrientes.

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 asbactria e para os vegetais superiores?

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

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 RhizobiumeBradyrhizobiumna fixao simbitica do nitrognio.

nutricao mineral

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