unidade V (nutrição mineral) assimilação de nutrientes minerais

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Unidade V
Nutrição mineral: 
Assimilação de nutrientes
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Assimilação de nutrientes minerais
Definição de assimilação de nutrientes
Assimilação de nitrogênio
2.1 Ciclo biogeoquímico do nitrogênio
2.2 Fixação biológica do nitrogênio
Bactérias de vida livre e simbióticas
O complexo da nitrogenase
Assimilação do nitrato
Assimilação do amônio
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Assimilação de nutrientes
A assimilação é a incorporação de um nutriente mineral em compostos orgânicos essenciais ao crescimento e desenvolvimento.
A assimilação requer de uma série complexa de reações que estão entre as reações com maior gasto energético.
Exemplo: Nitrogênio, Enxofre e Fosfato.
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Assimilação do nitrogênio 
Ciclo do nitrogênio 
				
				
				
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Fixação do nitrogênio atmosférico
Fixação industrial – Processo de Haber-Bosch.
Fixação atmosférica – relâmpagos e reações fotoquímicas.
Fixação biológica – bactérias ou algas verdes azuis (cianobactérias).
Obs.: Desde o ponto de vista agronômico a fixação biológica é crítica, pois raramente a produção mundial de fertilizantes supre a demanda agrícola. 
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Fixação biológica do nitrogênio
É o processo de redução do N2 produzindo NH3 (amônia) ou NH4+ (íon amônio).
Esse processo de conversão é realizado por microrganismos que vivem no solo (vida livre) ou associados a plantas (simbiontes).
Na simbiose, o procarioto fornece diretamente à planta hospedeira o nitrogênio fixado em troca de nutrientes e carboidratos.
A simbiose ocorre nos nódulos.
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Organismos fixadores de nitrogênio
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O complexo da nitrogenase
A tripla ligação do nitrogênio molecular possui uma energia de ligação extremamente alta (aprox. 930 kJ/mol).
No processo de fixação industrial, altas pressões e temperaturas são requeridas para superar a energia de ativação.
A nitrogenase é responsável pela fixação do N2. 
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O complexo da nitrogenase
O processo de conversão nos procariotos é favorecido, pelo menos em parte, pela ligação e hidrólise do ATP.
Componentes do complexo da nitrogenase
Dinitrogenase redutase
Dinitrogenase
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O complexo da nitrogenase
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Inibição da nitrogenase pelo oxigênio
O complexo da dinitrogenase é lábil na presença de oxigênio.
As bactéria fixadoras lidam com esse problema de diversas formas:
Vivem em ambientes anaeróbicos
Em organismos aeróbios (azotobacter), desacoplam o transporte de elétrons da síntese de ATP.
Na relação simbiótica, os nódulos contém uma proteína chamada Leg-hemoglobina.
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Assimilação do nitrato
O nitrato no solo provém das seguintes fontes: fertilização ou da nitrificação da amônio fixada.
A nitrificação é definida como a oxidação bacteriana do amônio em nitrito (Nitrossomonas sp.) e subsequentemente em nitrato (Nitrobacter sp.). 
Nos vegetais, o nitrato absorvido é transformado em nitrito pela enzima citosólica, nitrato redutase
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Estrutura da nitrato redutase
A enzima é formada por duas subunidades idênticas com três grupos prostéticos: FAD, Heme e um complexo formado por Mo/pterina 
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O nitrato, a luz e os carboidratos interferem na atividade da nitrato redutase (nos níveis transcricional e traducional).
A adição de nitrato no meio estimula em poucas horas a expressão do gene da nitrato redutase, enquanto sua atividade incrementa de forma linear e gradual.
A luz e os níveis de carboidratos estimulam a atividade da enzima através da indução de uma fosfatase que desfosforila um resíduo de serina na região hinge 1 da nitrato redutase. 
Regulação da nitrato redutase
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Redução do nitrito a amônia.
O nitrito é altamente reativo e potencialmente tóxico.
Sua redução ocorre nos cloroplastos (folhas) ou nos plastídios (raízes).
Reação de conversão do nitrito em amônia
A ferrodoxina reduzida deriva da cadeia de transporte de elétrons nos cloroplastos e do NADPH gerado pela rota da oxidação das pentose-fosfato
Assimilação do nitrato
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A nitrito redutase é a enzima responsável pela redução do nitrito a amônia.
É constituída por um único polipeptídeo com dois grupos prostéticos: um grupo ferro-enxofre (Fe4S4) e um grupo heme especializado.
Estrutura da nitrito redutase
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Assimilação de nutrientes minerais
Assimilação do íon NH4+
Rota GS/GOGAT
Rota da glutamato desidrogenase (GDH)
Reações de transaminação
Reação da asparagina sintetase (AS)
Regulação das rotas da GS/GOGAT e AS
Assimilação do enxofre
Assimilação do fósforo
Assimilação de cátions
Assimilação de ferro 
Assimilação do oxigênio 
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A amônia é produzida durante a assimilação do NO3- e durante a fotorrespiração.
Rotas para assimilação do íon amônio
	1. Rota GS/GOGAT
		GS – glutamina sintetase
		GOGAT- glutamato sintase ou glutamina/2-							 oxoglutarato aminotransferase 
	2. Glutamato desidrogenase (GDH) 
Assimilação do íon amônio (NH4+)
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Reação da GS (glutamina sintetase)
A enzima GS pode existir no plastídio (reassimilação do íon amônia produzido por fotorrespiração) e no citosol (produzindo glutamina para o transporte de N).
Altos níveis de NH4+ estimulam a atividade da GS.
 
1. Rota GS/GOGAT
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Reação da GOGAT
Isoformas que usam NADH estão envolvidas na assimilação do NH4+absorvido nas raízes e na translocação do NH4+ produzido em folhas senescente.
Isoformas que usam a ferrodoxina (Fd) estão presentes nas folhas e agem no metabolismo fotorrespiratório do nitrogênio. 
1. Rota GS/GOGAT
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É uma reação reversível que sintetiza ou desamina o glutamato.
A isoforma que usa o NADH encontra-se na mitocôndria e aquela que usa NAD(P)H encontra-se nos cloroplastos.
 Sua função principal é desaminação do glutamato. 
2. Glutamato desidrogenase (GDH)
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Uma vez assimilado em glutamina e glutamato, o nitrogênio é incorporado a outros aminoácidos por meio de reações catalizadas por enzimas transaminases.
Aspartato aminotransferase (Asp-AT).
 
Requerem como cofator o piridoxalfosfato (Vitamina B6) e estão presente no citoplasma, cloroplasto, mitocôndrias, glioxissomos e peroxissomos. 
Reações de transaminação
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Papel da glutamina e do glutamato na síntese 
de outros compostos celulares
NO3-
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É uma amida que tem um papel-chave no transporte e no armazenamento do N.
É sintetizada pela asparagina sintetase, a qual se encontra no citosol de células de folhas e raízes e nos nódulos que fixam nitrogênio. 
Apresenta uma alta relação N:C (2N para 4C na asparagina, contra 2N para 5C da glutamina) e alta estabilidade. 
Asparagina 
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Aminoácido ácidos e suas amidas
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Ureídeos
- A alantoina é sintetizada nos peroxissomos a partir do ácido úrico.
 - O ácido alantóico é sintetizado a partir da alantoina no R.E.
A citrulina é sintetizada a partir da ornitina.
Todos os três compostos são liberados no xilema e transportados para a parte aérea, onde são rapidamente catabolizados. O íon amônio é entra nas vias de assimilação.. 
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A regulação da GS/GOGAT se dá por altos níveis de luz e carboidratos favorecendo a assimilação de N em glutamina, composto rico em carbono e que participam da síntese de novos materiais.
Condições contrárias estimulam a atividade da AS, e portanto, favorecem a assimilação de nitrogênio em asparagina, a qual é estável para seu transporte a longa distância e armazenamento por muito tempo.
GS/GOGAT vs Asparagina sintetase - Regulação
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Similar ao nitrogênio, o enxofre apresenta múltiplos estados estáveis de oxido-redução.
É absorvido do solo como SO42-, via um transportador de tipo simporter H+/SO42-.
Sua assimilação ocorre preferencialmente nas folhas.
A primeira etapa na síntese de compostos orgânicos contendo enxofre é a redução do sulfato ao aminoácido cisteína.
Assimilação do enxofre
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Reações envolvidas na assimilação do enxofre
1. Reação da ATP sulfurilase.
2. Reação da APS redutase - Redução da APS.
3. Reação da sulfito redutase – Redução do sulfito.
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Reações envolvidasna assimilação do enxofre
4. Reação da OAS tiol-liase.
5. Reação da serina acetiltransferase.
Rota citosólica alternativa: Sulfatação do APS
1.Sulfatação do APS – APS quinase
Sulfotransferases podem transferir o grupo sulfato do PAPS para vários compostos.
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O enxofre é assimilado nas folhas e exportado via floema (para os sítios de síntese proteica) na forma de glutationa.
Glutationa – tripeptídeo formado por resíduos de aminoácidos glicina, cisteína e ácido glutámico. 
A glutationa coordena a absorção de sulfato pelas raízes e assimilação desse nutriente pela parte aérea.
Assimilação do enxofre
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O fosfato (HPO42-) é absorvido nas raízes via um transportador tipo simporter H+/HPO42- e incorporado a uma variedade de compostos orgânicos como açucares fosfato, fosfolipídeos e nucleotídeos.
O principal ponto de entrada do fósforo nas rotas de assimilação ocorre durante a formação do ATP.
A glicólise também incorpora o fosfato no ácido 1-3 difosfoglicérico.
Assimilação do fosfato
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Os cátions tornam-se ligados a moléculas orgânicas (complexos) através de dois tipos de ligações não covalentes.
Ligações de valência coordenada
átomos de um composto doam elétrons não compartilhados para formar uma ligação com o nutriente catiônico. Como resultado a carga positiva do cátion é neutralizada.
	Exemplos:
			Cu+ e o ácido tartárico
			Mg+2 e a clorofila
			Ca+2 e o ácido poligalacturônico 
Assimilação de cátions
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Ligações eletrostáticas
Atração de um cátion por um grupo carregado negativamente. A diferença da ligação anterior os cátions mantêm a sua carga positiva.
	Exemplos:
			K+ e o ácidos orgânicos (málico)
			Ca+2 e o ácido poligalacturônico (pectatos)
Assimilação de cátions
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O ferro esta presente no solo como ferro férrico (Fe+3). A pH neutro, essa forma do ferro é insolúvel.
Mecanismos que aumentam sua disponibilidade
Acidificação do solo (liberação de H+)
Redução à forma ferrosa (Fe+2)
Liberação de compostos que estabilizam e aumentam a solubilidade do ferro.
Ex: os ácidos cítrico e málico, fenólico e psídico.
Sideróforos – quelantes especiais produzidos por gramíneas e formados por aminoácidos incomuns. Ex: mugineico.				
Assimilação de Ferro
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Após a absorção, o ferro é oxidado (Fe+3) e trasportado para a parte aérea como complexos de citrato. 
Na parte aérea, o ferro é rapidamente inserido na molécula porfirina, precursora do grupo heme. Tal reação é mediada pela ferro-quelatase.
O ferro é encontrado nos centros Fe-S de proteínas envolvidas na cadeia de transporte de elétrons e na assimilação do nitrogênio
Fitoferritina – complexo ferroproteína que serve para o armazenamento do excesso de ferro. É formado por 24 subunidades proteicas (PM 480 kDa) com um centro “oco” o qual contém um núcleo de 5.400-6.200 átomos de Fe.
Assimilação de Ferro
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A incorporação de oxigênio a moléculas orgânicas é catalisada por enzimas denominadas oxigenases. 
Dioxigenases – incorporam dois átomos de oxigênio em um ou dois átomos de carbono. Ex.:
Lipooxigenases – adiciona dois átomos de oxigênio a ácidos graxos poliinsaturados produzindo um hidroperóxido.
Prolilhidroxilase – sintetiza a hidroxiprolina apartir da prolina.
Fixação do oxigênio
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Monooxigenases – chamadas também de oxidases de função mista. Adicionam um dos átomos de oxigênio molecular a um composto de carbono, o outro átomo é convertido em água.
Fixação do oxigênio