Assimilação de nitrogênio
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Assimilação de nitrogênio:N2, NO3
- e NH4+
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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.
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N2
NO2-NO3
-
NH3/NH4+
KEGG PATHWAY DatabaseKEGG PATHWAY Databasehttp://www.genome.ad.jp/kegg/pathway.htmlhttp://www.genome.ad.jp/kegg/pathway.html
NO2-
nitriteNO3
-nitrate
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N2
NO2-
nitriteNO3
-nitrate
NH3/NH4+
KEGG PATHWAY DatabaseKEGG PATHWAY Databasehttp://www.genome.ad.jp/kegg/pathway.htmlhttp://www.genome.ad.jp/kegg/pathway.html
![Page 5: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/5.jpg)
Anabaena
Shinorhizobium
Arabidopsis
Oryza
Demaisorganismos?
Bacteria Planta
Formas de entrada no metabolismo de plantas
N2
NH3/NH4+
NO2-
nitriteNO3
-nitrate
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Formas de entrada no metabolismo de animais
Homo sapiens
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trigo
trigo
trigo
gramado
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phere
Crust
Nitrogênio; formas e estados de oxidaçãoÚTEIS?????
+5Ácido nítrico, íon nitratoHNO3, NO3-
+4Dióxido de nitrogênioNO2
+3Ácido nitroso, íon nitritoHNO2, NO2-
+2Óxido nítricoNO
+1Óxido nitrosoN2O0Nitrogênio molecularN2
-1HidroxilaminaNH2OH
-2HidrazinaN2H4
-3Ammonia, ion amônioNH3, NH4+
Nível de Oxidação
NomeEspécies
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Tamanho dos reservatórios globais de NitrogênioÚTEIS?????
95.61.6 x 1017Mantle and Core 0.21-2.4 0.35 - 4.0 x 1015Solos e Sedimentos 0.78-8.4 0.13 - 1.4 x 1016Crosta
97.71.636 x 1017Geosfera2.33.86 x 1015Atmosfera 0.0142.3 x 1013Hidrosfera 0.00022.8 x 1011Biosfera
% do TotalMetric TonsReservatório/Tipo de
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Ciclo do nitrogênio
nitrificação
nitrificação
8%
90% fixaçãobiológica:LIVRES E SIMBIONTES
2% reações fotoquímicas%: fixação natural
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Interaçõesessenciais…
Azolla : Anabaena (ciano)
Patógenos Simbiontes vs nutrição
videira : Xylella
feijão : Rhizobium
soja : Bradirhizobium
raíz : micorriza
tomate : nemátodo
tomate : Cladosporium
tomate : Pseudomonas
FIXAÇÂOBIOLÓGICA DE NITROGÊNIO!
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Azolla : Anabaena (ciano)
-bact + bact
Gunnera : Nostoc
cana : Acetobacter
Anabaena(arroz)Anaerobiose
NostocAnaerobiose
soja : BradirhizobiumAnaerobiose
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Organismos fixadores de N2
• 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 bactériasfixadoras de N2 (Buchanan, 2000).
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Fixadores em associação com plantas
Azolla : Anabaena Glicine : Bradyrhizobium
Simbiose extracelular Simbiose intracelular
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Nódulos em Sesbania
Glicine : Bradyrhizobium
Nosso objeto de estudo
Simbiose intracelularRhizobium
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Ciclo do Nitrogênio
[N2 + 16 ATP + 8e- + 8H+→2NH3 + 16 ADP + 16 Pi + H2]NITROGENASE
Ex: moléculas com N em plantas
nitrificaçãodesnitrificação
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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 eucarioto-procarioto).
N≡N
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• Fertilização química• Processo de Haber-Bosch
– 1913, os trabalhos de Fritz Haber e Carl Bosch na Alemanha permitiram a síntese química de amônia (NH3).
– Produção anual de 80x1012g/ano
- quebra da tripla ligação
Fixação industrial
N≡N
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Um grupo singular... Alpha-proteobacteria
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Mesorhizobium
Sinorhizobium
Rhizobium
Árvore filogenética dasalfa-proteobactériasestimada pela comparaçãoda seqüência do 16S RNA
patógenos
RhizobiumSinorhizobiumMesorhizobiumBradyrhizobium
Bradyrhizobium
Associaçãosimbióticaformadorade nódulos
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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
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Como se inicia o processo?1. Raízes liberam substâncias: flavonóides, betaína que são reconhecidos pelo produto do gene NodD na bactériaque induz a expressão dosgenes 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 alteraçãono fluxo iônico, expressam asnodulinas, são infectadas, e seguemo programa para a morfogênesedo nódulo.
![Page 23: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/23.jpg)
Fatores Nod
1
2enzimas
3 Receptor?
oligossacarídeos de lipoquitina
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Flutuações de Cálcio nos pelos radicularesquando expostos aos Fatores Nod.
Alterações provavelmente devidasa influência sobre
os canais ou bombas de Ca2+...
...inicia-se a curvatura do pêlo radicular.?
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simbiossomo
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Nódulo meristemático (crescimentoindeterminado)•região meristemática (1)•região madura, bacteriódes (4)•região de senescência (5)•barreira para oxigênio
Nódulo cilíndrico (crescimentodeterminado)•região madura, bacteriódes (cinza)•região de senescência (preto)•barreira para oxigênio
Que respostas são induzidas na planta? Expressão de nodulinas.
![Page 27: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/27.jpg)
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 formaçãodo nódulo (regiãocortical na frente
dos polosxilemáticos
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Quais são os genes envolvidos?
Na planta:
Nodulinas•precoces• ENOD11• ENOD12•ENOD40•genes dim •genes sym
•tardias• leghemoglobina (Lb)•Transportadores do simbiossomo
Fator Nod induz a curvaturaNodulinas auxiliam a invasão
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Nódulo ativo• Simbiossomos• Leghemoglobina• Citocromo oxidase de alta afinidade: gerador
do ATP necessário para fixação.• Células “vazias” formam barreira para o
oxigênio.
• Respiração bacteriana usa O2, e o ATP produzido é utilizado na fixação de N2 (citocromo oxidase de alta afinidade).
• A nitrogenase sempre está funcionando emcondições subótimas.
• Se ↑ O2, aumenta a respiração, e consequentemente o ATP, a fixação tambémpode aumentar (consome o ATP) .
• Se ↑ ↑ ↑ O2, a inativação da nitrogenase fazaumentar muito o ATP, a respiração é inibida, menos O2 e consumido e a nitrogenase é maisinibida…..colapso do metabolismo.
![Page 30: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/30.jpg)
Quais são os genesenvolvidos?
Na bactéria:Expressão precoce•Genes nod, nol, noe(síntese e secreção de fatoresnod)•especificidade hospeiro
Expressão tardia•Genes nif(nitrogenase)•Genes fix(regulatórios)
![Page 31: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/31.jpg)
Complexo enzimático da nitrogenase(Heterohexámero)
Polipeptídeo MoFe 4 subunidades (2α e 2β) totalizando 200kDaPolipeptídeo Fe 2 subunidades idênticas totalizando 68 kDa
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Notrogenase: Controle da expressão gênica
nif: nitrogenase fixN: ambientemicroaeróbico (?)
↓O2
Fatores de transcrição
Via NOD
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Assimilação doNH4+
![Page 34: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/34.jpg)
Assimilação de NO3 - e NH4
+
• 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 tecidosArabidospsis mutante para transportador de nitrato.
![Page 35: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/35.jpg)
Cofatores:FeS, siroheme
Cofatores:Mo, HemoFe, FAD
NO3- a NH4
+: duas reaçõesReações dependentes de NR e NiR ocorrem em folhas e raíze
6e-/NH4
2e-/NO2
Citoplasma de folhas e raízes•Dependendo da espécie: folha ou raíz•Dependendo da disponibilidade de NO3: extensão da expressão
↑NR ↑↑↑NiRNR regulaNiR impede aúmulo de NO2
NO2
Platídios de folhas e raízes
![Page 36: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/36.jpg)
nia mRNA (tomate)Plântulas de cevada (exp. NO3)
– Transcricional:nitrato ↑, ritmo circadianosacarose ↑glutamina ↓luz (fitocromo) ↑
Regulação da atividade da Nitrato redutase
![Page 37: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/37.jpg)
Fosfatase
cinase
Regulação da atividade da Nitrato redutase
– Pós-transcricional (rápida e reversível)
• fosfoliração: inativa• defosforilação: ativa
EscuroBaixo CO2
![Page 38: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/38.jpg)
Citocinina
ABA
Gene nr
mRNAda NR
NR inativa
degradação
NR ativa
NiR ativa
Gene nir
mRNANiR
NO3- NO2- NH4+
Resumindo...
Baixo CO2escuro
-
luz
sacarose
tran
scri
cion
alpó
s-tr
ansc
rici
onal
![Page 39: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/39.jpg)
Assimilação de NH4+
GS GOGATFolha: (cp e cit) (cp)Raiz: (cit) (plastos)
transaminação
CarbohidratosLuz
+ trans
Luz+ trans
+ atividade
CarbohidratosLuz
-Trans- atividade
Alfa-cetoglutarato
![Page 40: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/40.jpg)
Assimilação de NH4+
GS GOGATFolha: (cp e cit) (cp)Raiz: (cit) (plastos)
X X
X
X
![Page 41: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/41.jpg)
Interação NO3- e
metabolismo de C:
1-↑ NO3- desvia C de amido →aa
↓
↑
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
1
2
![Page 42: Assimilação de nitrogênio](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022020116/5571fb61497959916994b7c0/html5/thumbnails/42.jpg)
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
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Comparação dos processos de incorporação de N ao metabolismo
Planta não nodulada Planta nodulada(feijão, soja)
Assimilação Nem raiz e folha
N translocadopreferencialmentecomo nitrato
Altos teores denitrato no solo
Assimilação Nem raiz.
N translocadoGln, Asn ou ureídes
Baixos teores deNitrato no solo
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Referências bibliográficas e sítios
• Buchanan, Gruismen and Jones (2000) Capítulo 16 pg: 786-824.
• Kerbauy (2004) Capítulos 3 e 4.• Taiz (2002) Capítulos 12 pg: 260-272.• Forde (2002) Annu. Rev. Plant Biol. 53: 203-224.• Geurts and Bisseling (2002) The plant Cell, Supplement:
S239-S249.• Kistner and Parniske (2002) Trends in Plant Science, 7: 511-
518. • http://academic.reed.edu/biology/Nitrogen/• http://www.genome.ad.jp/kegg/metabolism.html