AULA Nitrogenio

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METABOLISMO DO 
NITROGÊNIO
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(MGV-03102): METABOLISMO DO NITROGêNIO
Metabolismo do nitrogênio
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(MGV-03102): METABOLISMO DO NITROGêNIO
NITROGÊNIO
 O nitrogênio é o elemento mineral exigido em maiores quantidades, sendo a sua disponibilidade frequentemente limitante ao crescimento de plantas cultivadas e nativas;
 Faz parte da estrutura de um grande número de moléculas importantes para as células, como: aminoácidos, as proteínas estruturais e enzimáticas, ácidos nucléicos (DNA, RNA) e clorofilas; 
 A fotossíntese é significativamente afetada pela deficiência de N uma vez que o seu funcionamento depende de proteínas como a Rubisco, proteínas dos fotossistemas, complexos antenas e de grande quantidade de clorofilas;
 Fontes de N do solo: materiais de origem vegetal e animal (matéria orgânica), fertilizantes industriais, sais de amônio e nitrato trazidos da atmosfera pelas chuvas e a fixação biológica de N2.
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 CICLO DO NITROGÊNIO - Conversões
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Amônio
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 Atmosfera:
 - N2 (gasoso)
 - NH4+ (chaminés industriais, atividades vulcânicas e incêndios florestais)
 - NO3- (oxidação do O2);
 Plantas:
 - NO3- 
 - NH4+ 
 Obs. NO3- é a principal forma absorvida pelas plantas, mas para ser incorporado esse dever ser reduzido à NH4+
 O N2 (atm) não pode ser utilizado pelas plantas, mas sim por microrganismos (fungos e bactérias) fixadores de N.
NITROGÊNIO – Planta X Ambiente
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Processos de transformação de N no solo
1. Amonificação (N-org → NH4+) 
 Processo lento 
 Não requer m.o. específicos 
 O NH4+ pode ser: 
		- absorvido por m.o. amonificadores
		- absorvido por vegetais superiores
		- fixado no solo
		- fonte de N para bactérias 
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2. Nitrificação (NH4+ → NO2- → NO3-)
 Ocorre em 2 etapas:
Nitritação: NH4+ → NO2- 
Realizado pelas Nitrossomonas
NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + 2H+ +H2O + 66 KCal
b)Nitratação: NO2- → NO3-
	 Realizado pelas Nitrobacter
 NO2- + 0,5 O2 → NO3- +18 KCal
 Fatores que afetam a nitrificação:
		- Aeração
		- Temperatura
		- Umidade
		- Calagem
		- Fertilizantes
		- Baixa relação C/N favorece
Processos de transformação de N no solo
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 O NO3- pode ser: 
 - Reutilizado pela atividade microbiana do solo
 - Absorvido por vegetais superiores
 - Pode ser lixiviado ( mobilidade no solo)
 - Pode ser perdido por desnitrificação
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3. Imobilização: (NH4+ → N-org)
  Qualquer mecanismo que contribua para diminuir a disponibilidade de N no solo:
 - Assimilação por microrganismos
 - Conversão para formas orgânicas
 - Fixação de NH4+ em certos tipos de argila
  Fatores que afetam a imobilização:
	- Temperatura
	- Alta relação C/N favorece a imobilização
Processos de transformação de N no solo
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4. Desnitrificação: (NO3- → NO2-) e (NO2- → N2) 
  Respiração anaeróbica feita por microrganismos que utilizam o NO3- ou NO2- como aceptor final de elétrons no lugar de O2.
  2 NO3- → 2 NO2- → 2 NO → N2O → N2
 
Processos de transformação de N no solo
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FIXAÇÃO DE NITROGÊNIO
  A fixação de N é a redução do N2 para a formação de amônia (NH3)
  A fixação pode ser de forma industrial ou natural (por descarga elétrica ou por fixação biológica) 
  Microrganismos, especializados (a maioria de vida livre e encontrados no solo), conseguem converter o N2 (gasoso) em amônio (NH4+) através da FIXAÇÃO BIOLÓGICA.
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 Fixação do N em vida livre 
Microrganismo Gênero
Cianobactérias Anabaena, Nostoc, Gloeotheca
Bactérias aeróbicas Azobacter, Azozpirillium, Bacillus, Derxia
Bactérias anaeróbicas Clostridium, Chromatium, Rhodospirillum 
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 Associações simbióticas entre alguns microrganismos e plantas superiores (principalmente leguminosas) promovem a formação de estruturas fixadoras de N (os nódulos) nas raízes. Menor escala de ocorrência.
 O complexo enzimático NITROGENASE é o responsável pela redução do N2
 N2 + 8 e- + 8 H+ + 16 ATP 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
 A nitrogenase pode ser separada em 2 componentes:
 - Proteína Fe: 2 subunidades – extremamente sensível ao O2
 - Proteína MoFe: 4 subunidades – sensível ao O2
 A fixação do N requer condições anaeróbicas uma vez que o O2 inativa irreversivelmente a nitrogenase
FIXAÇÃO DE NITROGÊNIO
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 Fixação biológica do N 
Plantas hospedeiras Microrganismo fixador de N
Leguminosas Zorhizobium, Bradyrhizobium, Rizhobium
Actinorrízicas (plantas lenhosas) Frankia
Azolla (pteridófita) Anabaena
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Complexo Nitrogenase
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FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE N2
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	- O Rhizobium é o microrganismo mais estudado
	
	- Atividade dos nódulos necessita de ambiente com  O2
	
	- Presença de leg-hemoglobina nos nódulos → alta afinidade pelo O2 evitando a sua reação com a nitrogenase
		
	- Há troca de sinalização (raiz-rhizobium) para o estabelecimento da simbiose
	- reconhecimento químico
	- expressão de genes Nod (vegetais: nodulina) e nod (rizóbio: nodulação)
	- formação de um fio de infecção
	- organogênese de bacterióides → nódulos 
 - Compostos nitrogenados exportados pelas plantas fixadoras de N
	- amidas: asparagina e glutamina
	- ureídios: alantoína, ácido alantóico e citrulina
Fixação biológica em leguminosas
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Fixação biológica em leguminosas
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Fixação biológica em leguminosas
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Transporte de compostos nitrogenados da raiz para a parte aérea
 O produto da fixação biológica de N é a NH3 que é rapidamente protonada a NH4+, sendo esse transferido para o citosol das células infectadas.
  O NH4+ é usado para a síntese de compostos nitrogenados que serão exportados até o sistema vascular.
  Muitas espécies apresentam células de transferência para secretar ativamente os compostos nitrogenados carregados no xilema.
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Absorção de NO3- do solo
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NO3- é a principal forma de N inorgânico disponível no solo. A planta assimila o nitrogênio do solo na forma de NO3-, porém para ser utilizado pela planta esse tem que ser reduzido a NH4+. 
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 Processo de incorporação do nitrogênio absorvido (NO3-) em moléculas orgânicas
 O NO3- deve ser reduzido a NH4+ no interior das células vegetais antes de ser incorporado em moléculas orgânicas 
 Nas raízes, o NO3- transportado para dentro das células epidérmicas e do córtex pode ter quatro destinos: 
	- sofrer efluxo para o apoplasto ou para o ambiente; 
	- entrar no vacúolo e ser armazenado; 
	- ser reduzido a NH4+ pela ação seqüencial das enzimas nitrato redutase
 (NR) e nitrito redutase (NiR); 
	- ser translocado via simplasto para o xilema da raiz atingindo a parte
 aérea das plantas (redução nas folhas). 
O destino do NO3- depende da espécie vegetal, do estágio do desenvolvimento, do conteúdo de carboidratos, da adaptação ecológica da planta e da concentração externa de NO3-. 
Assimilação do NO3-
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  Ocorre em duas etapas:
 A NR (nitrato redutase) é uma enzima citossólica;
 Odoador de elétrons (e-) é o NAD(P)H da fotossíntese ou da respiração;
 NR:
 - muito dependente de Mo
 - induzido pelo substrato, NO3-,
 - sensível à temperatura, não atua em 30 ºC  temp  15 ºC
Redução do NO3-
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  Ocorre em duas etapas:
 A NiR (nitrito redutase) localiza-se nos cloroplastos de tecidos clorofilados e nos plastídios de tecidos aclorofilados;
 A atividade da NiR é dependente da atividade da NR;
 Os e- são doados pela ferrodoxina (FS1) nos tecidos clorofilados e pelo NAD(P)H (respiração aeróbica ou rota das pentoses monofosfatadas) nas raízes
Redução do NO3-
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  A absorção de NO3- é um processo ativo que ocorre contra um potencial eletroquímico e depende de carreadores que funcionam em simporte com H+
 As diferenças de potencial elétrico e de pH necessários para o transporte são estabelecidos por H+-ATPases das membranas
 A absorção de NO3- é diretamente dependente do estado energético (disponibilidade de fotoassimilados) e nutricional das plantas
Absorção de NO3- 
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Modelos para NR e NiR
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NH4+ no meio celular
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Sistema GS-GOGAT
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GS: Glutamina Sintetase
	- presente no citosol, no cloroplasto ou em proplastídio
GOGAT: Glutamina 2-Oxoglutarato Aminotransferase (ou Glutamato sintase)
	- presente no cloroplasto ou proplastídio
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 Glutamato e glutamina são importantes doadores de N para numerosas reações celulares incluindo a biossíntese de outros aminoácidos, como aspartato e asparagina
Sistema GS-GOGAT
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amônio
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Glutamato Desidrogenase - GDH
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GDH: Glutamato desidrogenase
	- presente em mitocôndria, cloroplasto ou proplastídio
Asparagina Sintetase - AS
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 Enzimas aminotransferases
 Presente no citosol, cloroplasto, mitocondria e peroxissomo
Reações de Transaminação
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Resumo
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Cooperação entre organelas no metabolismo do N
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Cooperação entre organelas no metabolismo do N
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