Aula 2 - Absorção e redistribuição de nutrientes

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ENERGÉTICA DO PROCESSO DE ABSORÇÃO 130
Potencial Através da Membrana 134
CONTROLE DE pH NAS CÉLULAS 141
CINÉTICA DE ABSORÇÃO DE ÍONS 143
I]\;TERAÇÕES IÔNICAS 146
TRANSLOCAÇÃO DE NUTRIENTES 149
LITERATURA CITADA 151
""V - ABSORÇAO DE NUTRIENTES
Manlio Silvestre Femandes" & Sonia Regina Souza"
l/ Departamento de Solos, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro - UFRRJ. BR 465, km 47,
Seropédica, 23890-000, Rio de Janeiro (RJ).
manlio@ufrrj.br
2/ Departamento de Química, UFRRJ.
soniabq@ufrrj.br
Conteúdo
TRANSPORTE ATRAVÉS DA PAREDE CELULAR E DA MEMBRANA PLASMÁTICA 115
MEMBRANA PLASMÁ TICA E A ABSORÇÃO DE ÍONS 123
Bombas Iônicas 125
TRANSPORTE ATRAVÉS DA PAREDE CELULAR
E DA MEMBRANA PLASMÁTICA
As células vegetais são separadas do meio externo por membranas. Genericamente,
as membranas permitiram o desenvolvimento da vida, pois criaram compartimentos
separando o ambiente externo do ambiente interno, ao mesmo tempo em que
possibilitaram trocas entre esses ambientes. As membranas permitem, assim, que as
células possam ter composição diferente daquela do meio que as circunda, aomesmo tempo
em que podem retirar desse meio o material de que necessitam para o seu metabolismo e
sua organização estrutural.
As célulasvegetais têmuma parede celular externa, rígida, composta na sua maior parte
de material inerte e que mantém sua forma mesmo após a morte da célula. Internamente,
existe uma membrana, composta principalmente de materiallipoprotéico, conhecida
como plasma lema ou membrana plasmática (Figura 1). A membrana plasmática é um
SBCS, Viçosa, 2006. Nutrição Mineral de Plantas, 432p. (ed. FERNANDES, M.s.).
116 MANllO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
delgado filme de fosfolipídios e proteínas, pressionado contra a parede celular. Na
verdade, pode-se dizer que a parede celular" contém" a membrana plasmática e o citoplasma.
Isso porque o interior da célula é um meio hipertônico em relação à solução do solo. Desse
modo, a célula vegetal, se em contato livre com a solução do solo, tenderia a expandir
explosivamente. Nesse sentido, a célula vegetal é contida pela parede rija que a circunda.
A parede celular é formada principalmente por uma rede de microfibrilas de
celulose, interligadas por feixes de glicanas (Figura 2). Esse conjunto está embebido
em uma matriz de hemicelulose e substâncias pécticas.
A celulose que forma as microfibrilas da .parede celular é um polissacarídeo,
encontrado em longos polímeros de unidades de D-glicose, que estão unidas por ligações
B 1-4; esse arranjo espacial confere à celulose a conformação de longas fibras paralelas de
10 a 20 nm de largura. A unidade estrutural de repetição da celulose é a celobiose, formada
pela união de duas moléculas de glicose. A cadeia glicana da celulose pode ter
Célula B
rl'"_-::-C=é;;:;'U'::;."'.:;.B.,..----..,
Microporo
Citossol
Figura 1. Célula vegetal, destacando a parede celular e membrana plasmática. Deslocamento
de íons pelos macro e microporos e através dos transportadores da membrana até o citossol.
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES
Ca
+
Ca
+
117
+
Ácido Jf
a-D-poligalacturônico
Figura 2. Estrutura dos blocos de construção das substâncias pécticas (ácido a-D-
poligalacturônico) depositadas nas microfibrilas de celulose da parede celular.
de 200 a mais de 25.000 resíduos de glicose. As moléculas longas e rígidas da celulose
combinam-se em orientação paralela, para formar as microfibrilas. Cada microfibrila
pode ter aproximadamente 35 cadeias de celulose (Raven et al., 2001). Em fungos, as
microfibrilas da parede celular podem ser formadas principalmente por quitina
(polímeros de N-acetilglicosaminas).
O diâmetro das microfibrilas está entre 5 e 10 nm. A parede celular tem
aproximadamente 100 nm de espessura, podendo conter de 5 a 10 camadas de
microfibrilas (Figuras 1 e 2).
A hemicelulose é um heteropolissacarídeo composto de hexoses (glicose), pentoses
(arabinose, xilose) e ácidos urônicos (ácido glicurônico). Na hemicelulose de gramíneas,
a cadeia principal é composta de xilanas (15 1-4-glicose-glicose) e a lateral de ácido
metilglucurônico, enquanto as leguminosas apresentam xilanas não ramificadas.
As substâncias pécticas podem ser denominadas de homopolissacarídios, quando
formadas por ácido 1,4 D-galacturônico, ou heteropolissacarídios, quando em sua
constituição pode haver ácido galacturônico, D-galactose, L-arabinose e L-ramnose.
As substâncias pécticas são particularmente importantes para a nutrição mineral das
plantas. Elas são formadas por polímeros do ácido 1,4 D-galacturônico, geralmente
esterificado com grupos metila. Essas substâncias têm peso molecular variando entre
25.000 e 360.000. Os feixes de microfibrilas com seus depósitos de poligalacturatos
estão representados na figura 2. Nessa mesma figura podem ser observados os resíduos
de cargas negativas sobre as microfibrilas.
No quadro 1 encontra-se a composição da parede celular de alguns tecidos vegetais.
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
118 MANLIO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
Quadro 1. Composição da parede celular de alguns tecidos vegetais
Composição da parede celular
Tecido vegetal
Celulose Hemicelulose Pectatos Proteínas Lipídios
g kg-I
Milho (coleóptilo) 350 300 130 210
Trigo (folhas) 300 110 220
Aveia (caule) 260 400 200 130 10
As proteínas na parede celular podem ser estruturais (como a extensina) ou
enzimáticas (oxidases, fosfatases, ATPases, estearases e outras). Essas proteínas podem
ser excretadas para o meio externo; em geral, elas são consideradas "incrustações" na
matriz da parede celular. Proteínas estruturais, como a extensina, são ricas em prolina e
hidroxiprolina. Considera-se que a maior flexibilidade dos caules das plantas aquáticas
deve-se principalmente à conversão de prolina em hidroxiprolina nos ambientes
aquáticos, devido à menor pressão de oxigênio.
Essa organização da parede celular permite a formação no seu interior de microporos
e macroporos. Esses poros têm em torno de 3 a 5 nm de diâmetro e aproximadamente de
100a 200 nm de comprimento (Figura 2).
Diversas substâncias incrustadas ou apenas sobrepostas às microfibrilas de celulose
têm grande importância para a nutrição das plantas. Proteínas, particularmente as que
têm atividade enzimática, podem estar depositadas sobre a superfície dessas microfibrilas.
Também podem ocorrer deposições de açúcares e de lipídios. Entretanto, são as
deposições de ácidos poligalacturônicos e seus ésteres (as substâncias pécticas) que
afetam intensamente a circulação de íons dentro e através da parede celular (Figura 2).
As pectinas podem dar origem a pectatos como os de Ca, que afetam grande mente a
rigidez das membranas.
As microfibrilas de celulose, nas plantas superiores, não formam uma parede
contínua, mas são constituídas de cadeias de polissacarídios de tamanho variável, que
se fixam por meio de ligações não-covalentes com a matriz que as envolve, pela coesão
desenvolvida pelas forças físicas resultantes de seu enovelamento.
Por sua natureza, as microfibrilas de celulose não têm praticamente qualquer
expansibilidade, razão pela qual os movimentos de expansão celular ocorrem pelo
rompimento das ligações não-covalentes entre as microfibrilas e a matriz. Nessa situação,
as microfibrilas e matriz podem deslizar umas sobre as outras, permitindo assim que a
célula se expanda, cedendo às pressões de turgor.
Embora ainda não se conheça em todos os detalhes o exato mecanismo pelo qual as
paredes celulares expandem, permitindo o crescimento celular, é certo que esse fenômeno
envolve a acidificação do espaço livre e, portanto, a ação das bombas iônicas de extrusão
de H+. A acidificação do espaço livre ativa a ação de um grupo de enzimas que atua
nesse processo: as expansinas.
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES 119
Aparentemente, a ação das expansinas se dá pormeio do rompimento das ligações
não-cova lentes, que ligam as microfibrilas de celulose à matriz de hemicelulose e pectinas.
Ou seja, as expansinasrompem as pontes de H que unem os feixes de microfibrilas. Esse
rompimento de ligações não-covalentes permite então o deslizamento dos feixes de
microfibrilas.
Diversas outras enzimas são também ativadas quando da acidificação do espaço
livre. Dentre elas destacam-se as endoglicanases, que cortam as "glicanas" da matriz em
segmentos menores, o que contribui para diminuir a resistência da parede celular.
Dentro da parede celular há os micro e macroporos formados pela organização das
microfibrilas de celulose, hemicelulose e lignina, com incrustações, depósitos de ácidos
orgânicos, proteínas estruturais e outros compostos que ajudam a formar a estrutura da
parede celular (Figuras 1 e 2). Esses macro e microporos conectam-se com os espaços
intercelulares e formam um coniinuum, A esse conjunto formado pelos espaços
intercelulares e poros da parede celular dá-se o nome de "espaço livre".
Na verdade, esse espaço está dividido em dois: um espaço em que água e íons
circulam livremente e outro em 'que íons de um sinal circulam livremente, enquanto íons
de outro sinal têm sua circulação restrita. Assim, por exemplo, cr e SO/ poderiam
circular livremente nesse espaço, ao passo que K+ tem sua circulação limitada. Isso dá
origem ao conceito de "espaço livre aparente".
A figura 1 mostra o conjunto formado pelo espaço intercelular e poros na parede
celular, formando "o espaço livre aparente"; o espaço intercelular e o poro com água
(H20) formam" o espaço livre de água". Água e solutos podem circular no espaço livre
(com restrições, devido à carga).
Solutos podem entrar e sair dos poros, dependendo dos gradientes de concentração,
e pode ocorrer troca com o meio externo (solução do solo). Não apenas íons podem
circular no espaço livre, mas também moléculas como açúcares, aminoácidos e outras.
Considera-se estar na endoderme o limite interno do espaço livre, porque nem a
água nem os solutos podem atravessar os seus espaços intercelulares, uma vez que eles
estão cimentados com suberina, que recobre as células e as une, como o cimento une uma
parede de tijolos, embora essa limitação não seja absoluta, principalmente nas áreas de
crescimento da raiz. Íons e água podem circular" dentro" da parede celular, através de
seu sistema de poros, mas não conseguem atravessar a membrana interna (plasmalema),
que, com sua natureza lipoprotéica, é impermeável a íons e água. Assim, podem-se
estabelecer os limites do espaço livre das raízes como sendo o espaço entre a epiderme, a
endoderme e a plasma lema das células do córtex radicular (ver capítulo II, neste volume).
Qualquer espécie iônica, o K+,por exemplo, pode difundir livremente da solução do
solo para o interior das raízes, circulando pelo espaço livre, seja no espaço intercelular
ou nos poros dentro da parede celular.
Veja o exemplo do macroporo na célula B (Figura 1). A maior ou menor circulação
desse íon no espaço livre vai depender da concentração relativa do íon nos diversos
compartimentos (macro e microporos - espaço intercelular) e da eventual interferência de
forças de adsorção. Eventualmente, o íon pode ser perdido para o espaço externo. Por
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
120 MANLlO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
essa razão, não se pode considerar que os íons que circulam no espaço livre radicular
tenham sido realmente "absorvidos". Embora eles estejam dentro da raiz, podem ser
facilmente perdidos para o meio externo por simples difusão. Só são considerados
realmente absorvidos os íons que atravessam a membrana plasmática e passam para o
espaço interno da célula.
A passagem de um íon do espaço externo (espaço livre) para o interno da célula só
ocorre através de sítios específicos na superfície da plasmalema. Se um íon não encontra
o seu sítio específico de absorção, pode circular por macro e microporos, voltar para o
espaço intercelular ou sair do espaço livre. Uma vez que tenha atravessado a plasmalema,
não pode mais voltar livremente ao espaço externo, pois foi absorvido (Figura 1).
O coniinuum formado pelo conjunto dos espaços intercelulares e poros da parede
celular que resulta numa via de deslocamento de íons é também chamado de apoplasma,
e essa via de deslocamento é a via apoplástica (Figura 3).
A absorção de um íon (passagem para o interior da célula) pode ocorrer em uma das
células da endoderme, através de sua superfície exposta (não revestida de material
suberificado). Nesse caso, o íon atravessa uma única célula e chega ao parênquima
vascular. A absorção pode também ocorrer em uma das células corticais, ou numa célula
da epiderme. Nesses dois últimos casos, o íon absorvido tem que ser deslocado de uma
célula à outra até chegar finalmente ao parênquima vascular. O caminho a ser percorrido,
de célula a célula, é tornado possível graças a uma intensa rede de comunicação célula a
célula, os plasmodesmas (Figura 3 e capítulo Il). O plasmodesma é um prolongamento
do material celular que passa através de poros na parede celular. É formado por um
desmotúbulo e tem uma espécie de "revestimento citoplasmático". O desmotúbulo é o
prolongamento do retículo endoplasmático de duas células adjacentes. A maior parte
do transporte célula a célula, entretanto, pode ser feita através do revestimento
citoplasmático. Os plasmodesmas ocorrem em uma densidade que pode ir de 0,1 a 10,0
por !J.m2(cerca de 20.000 por parede tangencial, ou 5 x 108 por em") (ver capítulo Il, neste
volume). Esses "canais" ligam as células desde a epiderme até a endoderme, formando
um coniinuum, Esse conjunto é chamado de simplasma. Os íons que se deslocam de
célula a célula através do simplasma estão seguindo a via simplástica (Figura 3).
Seguir a via simplástica é uma maneira de contornar as limitações e, ou, restrições
ao deslocamento que os íons enfrentam, nos diversos compartimentos do espaço livre
aparente.
Algumas espécies iônicas, de absorção muito rápida, são quase que totalmente
absorvidas nas células epidérmicas ou nas primeiras camadas de células corticais.
significando que praticamente só alcançam a área vascular das plantas por deslocamento
através do simplasma. O íon fosfato (H2P04-) é uma dessas espécies (Figura 3). Outros
íons, como o K+, deslocam-se facilmente por via apoplástica.
O deslocamento por via simplástica resulta em significativo aumento das
possibilidades de partição ao longo da via de transporte. No caso do P, quando ocorre
deficiência desse nutriente, há partição desequilibrada de matéria seca entre raiz e parte
aérea. Como o íon fosfato tem que percorrer a longa via simplástica, sob deficiência, a
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES 121
demanda metabólica ao longo da via de transporte retira o P da rota de deslocamento
e o incorpora ao metabolismo das células da raiz. Disso resulta o fato de que, sob
deficiência de P, as raízes crescem proporcionalmente mais do que a parte aérea
(Quadro 2).
O espaço livre aparente é subdividido em dois: o espaço livre de água e o espaço
livre de Donnan. O primeiro é aquele em que água e os solutos circulam livremente,
Parênquima
Vascular
(AKT1)
Parede
Celular
r
Membtana
Plasrnática
K~
t·······• .• K:f" :
K+ \ •• '
K~
t·:···.• Kt l
\ .
K+ ....".
Estrias de
Caspary
Plasmodesmas Xilema
Figura 3. Deslocamento de íons, desde a solução externa até o xilema, por via apoplástica (K+)
ou simplástica (H2P04-).
Quadro 2. Produção de matéria seca das folhas e das raízes de plantas de hortelã aos 64 dias
após o transplantio (DAT) em cultivo hidrcpônico com diferentes doses de N e P
Massa seca
Raízes Folhas
g/5 plantas
30,5 b 122,9 a
29,5 b 81,2 b
r
37,7 a ~ 73,8 c
37,8 a 65,8 d
Dose
Tratamento p
___ rngL:' _
TI
T2
T3
T4
120
60
120
60
16
16
4
4
Letras minúsculas iguais, na mesma coluna, não diferem significativamente (Fisher LSD 5 %).
Fonte: Souza et al, (2006).
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
122 MANLIO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
enquanto o espaço livre de Donnan é aquele onde existem limitações para circulação de
íons. Para entender a origem e extensãodeste espaço (de Donnan), é necessário retomar
à discussão a respeito da deposição de ácidos galacturônicos sobre a superfície das
microfibrilas de celulose.
Os ácidos galacturônicos são ácidos orgânicos de cadeia longa (Figura 2). O pK dos
grupos carboxílicos desses ácidos está em torno de 3,5. Isso significa que, nas condições
normais de equilíbrio entre a solução do solo e o apoplasma, esses ácidos estarão
dissociados (o pH da solução do solo, em condições normais, está entre 5,0 e 7,0). Quando
o espaço intercelular e os macro e microporos das células entram em contato com a
solução do solo, ocorre arraste e eventual substituição dos pró tons do ácido. Pode então
ocorrer uma troca de cátions (H+ por K+, por exemplo), com os resíduos de carga negativa
formando uma superfície de carga negativa fixa. Essas cargas fixas formam uma
superfície de troca de cátions. Esta superfície, capaz de trocar cátions, é a origem da
capacidade de troca de cátions das raízes, ou CrCR (Figura 4).
Nos microporos, se essas cargas estiverem muito próximas e sua densidade for
grande, forma-se uma barreira para a livre difusão dos íons. Os íons cr ,N03' e H2P04',
por exemplo, teriam grande redução de sua velocidade de difusão sob essas condições.
Por sua vez, os cátions seriam atraídos por essas superfícies carregadas. A intensidade
dessa atração depende da densidade das cargas elétricas fixas e da valência do íon.
Assim, por exemplo, em uma superfície de pequena densidade de carga um íon
monovalente, como o K+, seria atraído com muito maior facilidade do que um íon trivalente,
como o A13+(Figura 4a e b). No entanto, em uma superfície de alta densidade de carga,
cátions de maior valência, como o Ca2+,seriam atraídos com maior intensidade e teriam
maior atividade do que os íons monovalentes (Figura 4d). Desse modo, ter-se-á como
regra geral: poros com baixa densidade de carga atraem preferencialmente íons
monovalentes, em detrimento dos íons di e trivalentes, ao passo que poros com alta
densidade de carga atraem preferencialmente íons di e trivalentes, em detrimento dos
íons monovalentes (Figura 4).
Íons trivalentes como o A13+têm uma interação tão grande com superfícies de alta
densidade de cargas, que praticamente entram em "colapso" sobre essas superfícies,
formando ligações quase cova lentes (Figura 4c). Nesse caso, dificilmente são substituídos
nas superfícies de troca e reduzem a CrCR da planta (ver capítulo XV, neste volume).
Em geral, as monocotiledôneas têm menor densidade de carga do que as
eudicotiledôneas. Plantas como o milho, arroz e braquiária têm densidade de carga
(expressa em CrCR) em torno de 10 a 20 cmol, kg' de raízes secas, enquanto soja e feijão
têm suas CrCR em torno de 40 a 80 cmol, kg' de raízes secas.
Essa variação da CrCR permite fazer algumas considerações sobre a capacidade de
diferentes plantas de extrair nutrientes do solo. Embora a CrCR seja um entre os inúmeros
fatores que afetam o processo de aquisição de nutrientes pelas plantas, ao se colocar sob
as mesmas condições ambientais duas raízes com diferentes CrCR e do mesmo tamanho,
pode-se esperar que as plantas de menor CrCR sejam mais eficientes na absorção de K+,
enquanto as plantas de maior CrCR absorverão Ca2+ e Mg2+mais eficientemente, se todos
os outros fatores forem mantidos constantes. Glass et al. (1992) observaram que a absorção
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES
(a) (b)
-K+
K+ K+
K+ Baixa densidade
de cargas 1.. ..
K+ K+
...
K+
K+
ca- Ca++ Ca++ AI+++
(c) (d)
+ ~! =1
+AI Ca-i
+
Alta densidade
de cargas
-i
Ca
H2PO.-
K+ K+ ~,
H2PO.-
K+ K+
Macroporos Microporos
123
Figura 4. Superfícies de cargas nos macro e microporos da parede celular.
de cátions monovalentes (K+ e Na") diminui e a de cátions divalentes (Ca2+ e Mg2+)
aumenta, à medida que a CTCR das plantas aumenta. Esse fenômeno é importante no
desenvolvimento de espécies de plantas calcícolas ou calcífugas.
MEMBRANA PLASMÁTICA E A ABSORÇÃO DE ÍONS
Amembrana celular (plasmalema ou membrana plasmática), formada por uma dupla
camada de fosfolipídios e incrustada de proteínas, apresenta o seu interior hidrofóbico,
portanto impermeável à água e a espécies iônicas (Figura 5).
A absorção de íons nas membranas ocorre necessariamente através de sítios
específicos, de origem protéica (proteínas integrais da membrana), que permitem a
passagem dos íons do meio externo para O interior das células. Essas proteínas integrais
de membrana formam os três sistemas que atuam no transporte de íons: as bombas iônicas,
os transportadores de íons e os canais iônicos (Figura 6).
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
124 MANLlO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
Camada
,/' Hidrofílica
I'Interior
•..•.Hidrofóbico
Dupla ./
Camada de
Fosfolipídios
Proteína
Figura 5. Diagrama de um segmento de membrana biológica: dupla camada de fosfolipídios e
proteínas.
ATP Bomba de Prótons
ADP + Pi
Uniporte
t\i03 .• ..•~o __ •••
2H+ ~........,.----4 Simporte
Figura 6. Sistemas de transporte através da membrana plasmática.
Antiporte
Canal lônico
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRiENTES 125
• As bombas iônicas atuam no transporte unidirecional de íons (uniporte) e estão
acopladas a sistemas geradores de energia (ex: Ht-A'Tf'ases). A velocidade de
transporte das bombas iônicas é de 100 íons s'.
• Os transportadores de íons (carreadores) podem ser unidirecionais (uniporte) e
atuar na troca de uma espécie iônica por outra (antiporte), ou no transporte
simultâneo de íons (simporte). Passam por mudanças conformacionais durante o
transporte. A velocidade de transporte pode variar de 300 a 1.000 íons S·I.
• Os canais iônicos são de alta velocidade. Transportam apenas a favor de gradientes
de potencial eletroquímico. A velocidade de transporte dos canais iônicos pode
variar de 106 a 108 íons s'.
A seguir é feita uma descrição detalhada dos sistemas de transporte.
Bombas Iônicas
As bombas iônicas atuam no transporte ativo de íons, com o uso direto de energia
metabólica. Geralmente, são sistemas que incluem ATPases ou pirofosfatases. Esses
transportadores usam a energia gerada pela hidrólise de ligações de alta energia (ATP
ou PPi), passam por mudanças confonnacionais e voltam ao estado inicial após
transportar o íon.
Entre as bombas iônicas, sem dúvida a mais estudada é a bomba iônica de extrusão
de prótons. A extrusão de prótons, conhecida como "transporte ativo primário", é um
mecanismo gerador de eletrogenicidade e, portanto, atua sobre as diferenças de potencial,
que compõem, junto com as atividades da espécie iônica. o potencial eletroquímico que
determina as características do transporte ativo ou passivo.
Foram identificadas bombas de prótons que atuam tanto na membrana plasmática
como na membrana do vacúolo (tonoplasto). Na plasmalerna, a bomba de extrusão de
prótons atua, tornando o interior da célula mais negativo e criando um gradiente de
pró tons entre o exterior e o interior da célula (gradiente protoniônico). No tonoplasto,
foram identificadas bombas de pró tons que atuam no sentido citoplasma ~ vacúolo, que
são as Ht-A'IPases e as H''-Pf'ases. No caso de transporte através do tonoplasto, um
gradiente protoniônico é criado de dentro para fora (vacúolo ~ citoplasma) (Figura 7).
A P-H+-ATPase é uma glicoproteína de aproximadamente 100 kDa com 10 hélices
transmembrana (Figura 8), que hidrolisa ATP para gerar um movimento vetorial de H+
em direção ao apoplasrna, criando gradientes de pH e potencial elétrico na membrana, o
que viabiliza o transporte de íons e moléculas para dentro ou fora da célula através de
sistemas de transporte ativo secundário.
As P-H+-ATPase são fortemente inibidas por ortovanada to (HV042.), um íon análogo
ao fosfato (HPO/) que compete com o fosfato do ATP pelo sítio de fosforilação de um
resíduo de aspartato na enzima. Isso ocorre porque o ortovanadato é muito parecido
com a estrutura do fosfato no momento da hidrólise.
Essas proteínas são.reguladas pela concentração de substrato, temperatura, pH e
íons, entreoutros, e podem ser reversivelmente ativadas ou desativadas por diversos
sinais exógenos, como hormônios, luz, ataque de pragas e, ou, patógenos, ete. A regulação
das P-H+-ATPases é mediada por um domínio auto-inibitório localizado na extremidade
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
126 MANLIO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
Figura 7. Sistemas de transporte de íons na célula: (1) P-H+ -ATPase; (2) transportador de nitra to
(simporte com 2 H+); (3) canal iônico: (4) V-H+-ATPase; (5) P-H+-PPase; e (6) transportador
de nitrato (simporte com 1 H+).
Citosso!
---Ação da FC
Figura 8. Forma estendida da P-H+-ATPase, destacando as 10 hélices transmembranas, domínio
de hidrólise do ATP e ação da fusicocina (FC) na extremidade auto-inibitória C-terminal,
ativando irreversivelmente a enzima.
Fonte: Adaptado de Azevedo (2006).
C-terminal da cadeia polipeptídica (face citossólica), que atua na regulação da atividade
hidrolítica desta proteína. Essa regulação pode também ser resultado da ação de quinases
ou fosfatases, que podem adicionar ou remover grupos fosfato nos resíduos de serina ou
treonina presentes no domínio auto-inibitório da enzima (Figura 8).
A fosforilação desses resíduos e a ligação da proteína regulatória 14-3-3 resultam
na ativação da enzima. O complexo H+-P-ATPase-14-3-3pode ser observado em plantas
tratadas com fusicocina, uma toxina produzida pelo fungo Fusicoccum amygdali. A
fusicocina liga-se ao complexo H+-P-ATPase-14-3-3e o estabiliza, ativando dessa forma,
irreversivelmente, a enzima (Figuras 8 e 9).
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES 127
(a)
0.8
CONTROlE
0.6
~
o
E 0.4
E
+:,.: 0.2
(b) (c)
.--------------------,--------------------,--------------------,300
FUSICOCINA
50
200 ~
o
150 E
:::t
100 +
I
QO o
o 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 o 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 o 2 4 6 B 10 12 14 16 18 20 22 24
Tempo, h
Figura 9. Efeito do vanadato (inibidor) e da fusicocina (estimulante) na atividade das
H+-ATPase nas raízes de arroz. (a) controle; (b) com vanadato há uma completa inibição
da extrusão de H+ e, conseqüentemente, não há queda na concentração externa de K+
(influxo de K+);e (c) ao contrário, a fusicocina aumenta a extrusão de H+e a absorção de K+.
Fonte: Bucher et aI. (2006).
A H+-ATPase vacuolar, ou V-H+-A'TPase, é uma enzima que acidifica compartimentos
intracelulares e está localizada não apenas no tonoplasto, mas também no retículo
endoplasmático (RE), provacúolos, membrana plasmática e outras membranas da via
secretória. Essas enzimas diferem tanto estrutural quanto funcionalmente das P-H+-
ATPases de plasmalema (Figuras 8 e 10). A V-ATPase é estruturalmente mais relacionada
às F-ATPases (ou FIFo ATP-sintase), que normalmente funcionam na síntese de ATP em
mitocôndrias, cloroplastos e bactérias.
A V-ATPase usa a energia liberada durante a hidrólise do ATP para bombear pró tons
para o interior do lúmen vacuolar, criando, portanto, um gradiente de potencial
eletroquímico, e a força próton motriz para uma variedade de eventos de transporte de
íons e metabólitos. Dessa forma, a H+-V-ATPase gera um gradiente de pH através do
tonoplasto, explicando o fato de o pH vacuolar ser tipicamente de 3 a 6, enquanto o pH
docitossol se encontra por volta de 7,5.
A V-ATPase é composta de dois domínios estruturais. °domínio periférico (VI) é
um complexo de 640 kDa responsável pela hidrólise de ATP e contém oito diferentes
subunidades (A-H) de massa molecular entre 13 e 70 kDa com a estequiometria
A3B3CDEFG2HI_2'°domínio integral (Vo) é um complexo de 260 kDa responsável pela
translocação de pró tons, sendo composto de cinco subunidades (a, b, c, c', c") com massa
molecular entre 17 e 100 kDa na estequiometria abc'ctc, (Kawasaki-Nishi et a1.,2003). A
subunidade "ao forma dois hemicanais em comunicação com os lados citoplasmáticos e
o lúmen vacuolar e é provavelmente o local por onde os pró tons passam.
Muitos estudos sobre a função fisiológica dessas proteínas têm sido possíveis graças
à existência de inibidores específicos das V-ATPases, como a bafilomicina A" Esse
antibiótico inibe a atividade da V-ATPases de diferentes organismos em concentrações
na faixa de nmol L-I. A ação da bafilomicina AI se dá pela ligação desse inibidor ao setor V01
impedindo o fluxo de prótons através do canal de prótons da enzima. As V-H+-ATPases são
também inibidas pela presença de N03- no citosso1. Esta característica é importante no
metabolismo de N nas plantas.
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
128 MANLlO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
Figura 10. Modelo rotacional de funcionamento das V-H+-ATPases.
Fonte: Azevedo (2006), adaptado de Kawasaki-Nishi et al. (2003).
Outro tipo de bomba de prótons, a Ht-Pf'ase, trabalha paralelamente às V-ATPases
para gerar um gradiente de prótons através do tonoplasto. A Ht-Pf'ase é composta de
um único polipeptídio com massa molecular em torno de 80 kDa, com tamanho aparente
em gel de poliacrilamida de 67 a 73 kDa. A Ht-Pl'ase é a única bomba de prótons que
utiliza um substrato de baixo custo energético, o pirofosfato (PPi), sendo este produto
gerado por vários processos biossintéticos de macromoléculas, como proteína, DNA,
RNA, celulose, entre outras.
É comumente aceito que o requerimento diferenciado de energia entre as V- H+-
ATPases e as H''-Pl-ases pode prover a plasticidade energética necessária para a
manutenção da homeostase celular numa ampla faixa de condições metabólicas. Por
exemplo, tem sido argumentado que H'-Pf'ase é a bomba predominante em tecidos
jovens que contêm elevado conteúdo de pirofosfato oriundo das altas atividades
biossintéticas desses tecidos. Além disso, a atividade das Ht-Pf'ases nas células em
crescimento ajuda a conservar o ATP, que é moeda corrente de energia na célula.
A síntese de Ht-Pl'ase vacuolar em determinadas plantas pode ser induzida por
carência de Pi, anoxia ou frio. Portanto, propõe-se que esta enzima deva funcionar
como um sistema para garantir a manutenção das funções essenciais da célula sob
condições em que a produção de energia metabólica (ATP) é reduzida pela inibição do
processo respiratório.
A geração de um gradiente protoniônico, no caso da plasmalema, é fundamental
para o transporte simultâneo (simporte) de um íon e de um próton, como no caso do
transporte de nitrato (N03'j2H+), ou para o transporte de nitrato do vacúolo para o
citoplasma (N03'jH+) (Figura 7). Gradientes protoniônicos são também essenciais para
o transporte (simporte) de açúcares e de aminoácidos em plantas,
Os transportadores de íons (carreadores) podem transportar íons através da
plasmalema a-favor de um gradiente de potencial eletroquímico (transporte passivo) sem
troca por outra espécie iônica de mesma carga (uniporte), ou permitir a troca de uma
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES 129
espécie iônica de um sinal por outra de mesmo sinal (antiporte). O transporte de Na+
para fora da célula através da plasmalema, em troca de um H+,é um exemplo de transporte
do tipo antiporte. O transporte de K+(de fora para dentro) é um exemplo de transporte
unidirecional (uniporte) (Figura 11).
Os transportadores podem também fazer o transporte ativo de íons (contra um
gradiente de potencial eletroquímico) em sistemas de co-transporte (simporte) em que o
íon a ser transportado (cátion ou ânion) entra na célula contra o seu gradiente de
potencial eletroquímico. A energia para esse processo é obtida com a entrada simultânea
de outro íon, este sim entrando a favor do seu gradiente de potencial eletroquímico.
A atividade das H+-P-ATPasesgera um gradiente de pró tons Ó/LH+entre o exterior e
o interior da célula. Esse acúmulo de H+no exterior da célula cria um potencial, com
tendência de o H+voltar ao interior eletronegativo da célula. Isso gera, na verdade, uma
força próton motriz Óp.
A força próton motriz está relacionada ao potencial da membrana 'l' e à diferença de
pH (ÓpH) entre os meios interno (citossol) e externo (espaço livre):
óp = ó'l' - 2,303 RTjF. ópH
(R=constante dos gases;T = temperatura absoluta; F = constante de Faraday).
A 25°C, ter-se-à: Óp= ó'l' - 59 ópH
Por exemplo: com o potencial de membrana em -110 mV e a diferença entre o pH
externo e o pH interno (ÓpH)de 2,0, obtém-se:
óp = -228 mV
É esta força próton motriz (Óp)que energiza o transporte de outros íons, que, por seu
gradiente de potencial eletroquímico, têm que ser absorvidos ativamente, mas que não
dispõem de um sistema ativo primário (tipo bomba iônica) para transporte.
Citossol
pH 7,2
/ R-COa'I
eco
1\
H2POi NO .-+--,.........
w ":1. I iATP
(~I'W) H*
H'" •
H+ H+
H* W ADP+Pi
W
Apoplasma
pH 5,5
R-COa'
R-COa'
I
coo
R-COa'
Figura 11. Geração de gradiente de pró tons (f'../lH+) através da plasmalema.
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES 149
TRANSLOCAÇÃO DE NUTRIENTES
Os nutrientes, após deslocamento por via simplástica ou apoplástica, alcançam as
células do parênquima vascular, e um processo inverso tem lugar, com o efluxo dos
nutrientes para o espaço livre da área estelar. Esses nutrientes e a água seguem então via
xilema para a parte aérea das plantas, onde são novamente depositados no espaço livre
das células. Para participar do metabolismo celular, esses nutrientes precisam atravessar
novamente a barreira da plasmalema (Figura 22).
A saída de cátions e ânions das células do parênquima estelar para o apoplasma e,
conseqüentemente, o xilema requer o funcionamento de canais iônicos tanto para cátions,
como já foi mostrado para K+, como para ânions. Canais de efluxo de ânions podem ser
ativados por hiperpolarização da plasmalema. É possível, entretanto, que canais para
cátions e ânions atuem simultaneamente (Roberts, 2006).
Tem-se agora uma visão de conjunto do sistema de aquisição de nutrientes pelas
plantas via sistema radicular: os nutrientes são absorvidos via plasmalema das células
da epiderme, do córtex ou dos pêlos radiculares, que, do ponto de vista do conjunto
(trans-root), podem ser classificadas como células periféricas; internamente estão as
células estelares, que atuam na liberação dos nutrientes para o apoplasma estelar e
vasos do xilema (Roberts, 2006).
Nutrientes como o H2P04- e K+são absorvidos por células da epiderme e do córtex,
respectivamente, via canais iônicos e transportadores (Figura 22). Circulando via
plasmodesmas, esses íons ultrapassam a barreira da endoderme e alcançam as células
do parênquima estelar. Nas células do parênquima estelar, esses nutrientes são passíveis
de efluxo e podem se deslocar para o apoplasma, seguindo para o xilema, acompanhando
o fluxo de água. Via xilema, os nutrientes alcançam a parte aérea das plantas, ou outras
partes (incluindo raízes em crescimento), que podem funcionar como drenos (Fernandes
& Souza, 2004).
Na parte aérea, os nutrientes encontram-se num espaço que seria o equivalente ao
espaço livre das raízes. Novamente, precisam deslocar-se através de macro e microporos,
vencer as barreiras dos espaços de Donnan e alcançar a plasmalema das células, onde
podem ser transportados para o citossol. Os nutrientes assim absorvidos podem entrar
no metabolismo celular, ou ser deslocados por via simplástica em direção aos vasos
condutores. Em alguns casos, conexões podem ser estabelecidas com as células
companheiras, mas o mais provável é que esses nutrientes, juntamente com produtos do
metabolismo celular, sofram efluxo para o apoplasma e depois voltem a ser absorvidos,
via transportadores, através da plasmalema das células companheiras. A partir daí,
alguns nutrientes podem se deslocar diretamente, via floema, na direção dos drenos.
Outros nutrientes, entretanto, apenas após passarem por transformações (assimilação)
são deslocados no floema (Figura 22).
°deslocamento de íons pode ser feito como pares iônicos. Por exemplo, o N03- e o
K+deslocam-se juntos no xilema. No sentido inverso, nutrientes podem também ser
translocados via floema (Fernandes & Souza, 2004). No entanto, nem todos os nutrientes
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
150 MANLIO SILVESTRE FERNANDES & SONIA REGINA SOUZA
Fruto/Semente
Folha
Raiz
H'
K- ~ __ ~!~~~ __ ~"~==~ Raiz
Xilema Floema OI3eOH-111 K- 1M!. K-I(>
dlula Parênquina Parênqulna
Companheira
Estrias de
Caspary
Figura 22_Esquema da circulação dos nutrientes desde sua absorção por células epidérrnicas
ou corticais; circulação no xilema e no floema; e redistribuição entre células da parte aérea
e da raiz.
Fonte: Modificado a partir de Sondergaard et al, (2004).
conseguem se deslocar no floema em forma iônica, O 03., por exemplo, não se desloca
no floema. O N é geralmente movimentado no floema como aminoácidos ou amidas. O
K+,por sua vez, desloca-seno floema e, como aconteceno transporte no xilema,geralmente
o faz em companhia de um ânion - neste caso, de ácidos orgânicos (R-COa) O resultado
dessa mobilidade é o fenômeno da "recirculação do K+" entre raiz-parte aérea-raiz.
OCa, S e Fe, que também são transportados para a parte aérea, via xilema, ao
contrário do K+, não circulam no floema. O Ca e Fe são particularmente pouco móveis
na planta. Uma vez localizados em um tecido vegetal, não são mais remobilizados
para outra parte da planta. É conhecido um tipo de clorose chamada "clorose de topo",
característica de deficiência de Fe. Isso ocorre porque o Fe não se desloca das folhas
mais velhas para as mais novas. Como resultado, são as folhas mais novas que
apresentam clorose. No caso de elementos de grande mobilidade, como o N, sua
deficiência gera clorose das folhas mais velhas, que perdem o nutriente em uma relação
fonte-dreno (Fernandes & Souza, 2004).
Em todo esse processo ao longo da via de absorção, translocação e efluxo há uma
demanda de energia, principalmente via ativação das Ht-A'Tf'ases, para a absorção de
nutrientes, seja nas células da epiderme, do córtex da raiz, ou nas células de folhas,
bainhas e caule. O processo como um todo resulta, portanto, em um custo energético,
NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS
v - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES
principalmente para a geração de gradiente de potencial entre os compartimentos da
célula e o apoplasma.
Após o deslocamento no floema, sempre no sentido fonte-dreno, os nutrientes podem
seguir por via simplástica para as células dos frutos ou sementes, ou para células em
crescimento, nas raízes. Ocorre então uma última etapa de efluxo (para o apoplasma) e
nova absorção, desta vez para as células do destino final (Figura 22).
LITERATURA CITADA
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