11) Nutrizione Minerale Nv

LA NUTRIZIONE MINERALE essenziali

GLI ELEMENTI MINERALI

ppm = µg g-1 peso secco

non essenziali esempio: Cd, Pb, Cr….

H, C, ed O non sono considerati elementi minerali perché principalmente ottenuti da H2O e CO2.

MACRONUTRIENTI > 1000 ppm MICRONUTRIENTI < 100 ppm

MACRONUTRIENTI

MICRONUTRIENTI

(%, 1% = 10000 ppm) *

(ppm)*

S P Mg Ca K N O C H

0.1 0.2 0.2 0.5 1.0 1.5 45 45 6

Mo Cu Zn Mn Fe B Cl

0.1 6 20 50 100 20 100

Alcuni casi particolari: Na ed Alofite, Si riso ed equiseto, Co e Leguminose.

Questa classificazione è comunque alquanto “arbitraria”…… * meglio esprimere la conc. come µ/g

Una classificazione migliore degli elementi essenziali potrebbe essere fatta a seconda del loro ruolo biochimico e della loro funzione fisiologica.

GRUPPO 1: C, H, O, N, S Principali costituenti di tutti i composti organici

GRUPPO 2: P, B, Si Presenti nei composti ad alta energia delle piante sotto forma di esteri (es. ATP!) + funzione strutturale (es, acidi nucleici)

GRUPPO 3: K, Na, Mg, Ca, Zn, Cl Ruolo nel mantenimento dei potenziali osmotici + funzione strutturale nelle proteine.

GRUPPO 4: Fe, Cu, Mo, Ni, Mn Cofattori di proteine deputate al trasferimento di elettroni (cambiamento di valenza)

In assenza di un elemento essenziale la pianta mostra sintomi di carenza specifici e muore senza completare il suo ciclo vitale.

Dimostrazione dell’essenzialità: dell’essenzialità Crescita delle piante in soluzioni nutritive controllate in cui è stato sottratto un singolo elemento → sintomi specifici di carenza e disordini metabolici.

P K N Mg

Necessità di mezzi controllati……..

Sintomi di carenza di vario genere

Le colture idroponiche e la sperimentazione. Supporto inerte (acqua, ghiaia o agriperlite, anche aeroponiche) più un mezzo di coltura noto costituito da acqua e sali minerali controllati (elementi essenziali!).

Le piante possono quindi soddisfare tutto il loro fabbisogno esclusivamente tramite gli elementi inorganici e la luce solare.

Attenzione però alle dosi (inquinamento!): tossicità.

Carenza

Adeguata

Tossicità Elemento

Crescita

non essenziale

(es. allungamento radicale o produzione di biomassa)

essenziale

Concentrazione dell’elemento e rispettive zone di ampiezza variabile a seconda dell’elemento

L’AZOTO

Nell’atmosfera N2 = 78% E’ tantissimo ma non è disponibile per le piante. N2 ha un triplo legame ed è quindi molto stabile, solo alcuni microrganismi sono capaci di rompere tale legame triplo per organicare l’azoto (con grande spesa energetica!).

Le piante possono assimilare diverse forme di azoto quali

NO3-, NO2- e NH4+ presenti nella biosfera in seguito al ciclo dell’azoto stesso.

Per essere organicato l’azoto deve essere RIDOTTO: gruppi amminici, ammidici o azoto legato in eterocicli………….. nei composti organici il numero di ossidazione è sempre -3! -3 Numeri di ossidazione delle varie forme di N presenti in natura

NO3- = +5 NO2- = +3 NH4+ = -3

ma non è organicato!!!

Assorbimento di NH3 sfavorito perché è tossico (permea le membrane)

NH3

NH3 + H → NH4 +

polare

apolare

H+ H+-ATPasi

+

H

H

+

+

Dissipazione del gradiente di H+

H+

Dissipazione del gradiente transmembrana indispensabile per la FS e R (sintesi di ATP) e per il funzionamento di qualsiasi membrana (es. plasmalemma e trasporto di metaboliti).

ACQUISIZIONE ED UTILIZZAZIONE DEL NITRATO I nitrati sono molto solubili: attenti alle concimazioni → piogge!! Acquisizione: permeasi del nitrato in cotrasporto con H+ inducibili. (pompa protonica) Il nitrato viene assorbito a livello delle radici, ma il suo metabolismo avviene generalmente a livello delle parti aeree.

La prima riduzione da nitrato a nitrito avviene nel citosol ad opera della nitrato reduttasi.

Nitrato reduttasi NO3 + 2H + 2e -----------------------> NO2- +H2O -

+

-

La NITRATO REDUTTASI è un enzima che contiene un FAD, un Cyt b(Fe-eme) ed un centro contenente molibdeno in tre distinti domini proteici. Questi cofattori funzionano come una piccola catena di trasporto degli elettroni per la riduzione del nitrato.

Rosso =eme - FAD = blu - MoCo = nero

Gli e- per tale riduzione sono donati dal NAD(P)H (isoforme radici/foglie) e passano attraverso i vari cofattori contenuti nell’enzima fino a ridurre il nitrato

Carenza di molibdeno: Il nitrato non può più essere assimilato perché la nitrato reduttasi non può funzionare, viene quindi accumulato e, dopo una certa concentrazione, diviene tossico! Le proteine non possono più essere prodotte (non è più possibile sintetizzare gli aminoacidi!): le foglie nuove si riducono alle sole nervature (carboidrati). Anche il nitrito è tossico, viene quindi velocemente trasportato nei cloroplasti per l’ulteriore riduzione ad ammonio.

La riduzione del nitrito ad ammonio avviene nel cloroplasto (la ferrodossina è il donatore di elettroni! NADPH nelle isoforme della radice) ad opera dell’enzima nitrito reduttasi. Nitrito reduttasi NO2 + 6Fdred + 8H ---------------------------->NH4+ + 6Fdox +2H2O -

+

La NITRITO REDUTTASI è una proteina contenente un centro Fe-S ed un eme particolare, detto siroeme, che servono per il trasporto degli e- dalla ferrodossina al nitrito.

Fotosintesi e metabolismo dell’azoto!!! La FS non è solo per la riduzione del carbonio!

ASSIMILAZIONE DELL’AZOTO AMMONIACALE L’ammonio prodotto dalla riduzione del nitrato e poi del nitrito (o quello assorbito come tale) viene assimilato nei composti organici tramite un particolare ciclo. L’assimilazione dell’ammonio deve essere molto veloce in quanto anche questo composto è tossico.

IL CICLO DELLA GLUTAMMINA

L’ammonio viene transaminato sul glutammato per formare glutammina (ammide del glutammato, stabile!!) grazie alla GLUTAMMINA SINTETASI (GS) GS con spesa di ATP. La glutammina viene poi utilizzata per transaminare l’acido αchetoglutarico e formare così due molecole di glutammato grazie all’enzima GLUTAMMATO SINTASI (GOGAT) GOGAT che ha come donatore di elettroni per la reazione che deve catalizzare la ferrodossina (FS ed assimilazione dell’azoto!)

In pratica, il guadagno consiste nella formazione di due molecole di glutammato da una molecola di glutammato, una di αchetoglutarico (che non è un aminoacido!) e una di ammonio. La glutammina ed il glutammato che si ottengono con tale ciclo, sono poi utilizzati (attraverso transaminazioni di vario genere) per la sintesi di tutti i composti organici contenenti azoto. L’azoto può essere anche “conservato” come riserva nei vacuoli sotto forma di glutammina o asparagina.

LA FISSAZIONE BIOLOGICA DELL’AZOTO Gli unici organismi capaci di fissare l’azoto atmosferico sono alcuni procarioti.

BATTERI AZOTO-FISSATORI

Liberi Cianobatteri: Nostoc, Anabaena, ecc.. Altri batteri: Aerobi Azotobacter, Derxia Facoltativi Bacillus, Klebsiella Anaerobi non fotosintetici Clostridium, Methanococcus Anaerobi fotosintetici Rhodospirillum, Chromatium Simbionti Leguminose Rhizobium, Bradyrizobium Ontano Frankia Graminacee Azospirillum Felci Anabaena

La fissazione dell’azoto deve avvenire in assenza di ossigeno (inibizione di alcuni enzimi con centri Fe-S). Varie strategie: - Cianobatteri filamentosi: eterocisti con pareti ispessite e senza PSII. - Cianobatteri: evoluzione di ossigeno di giorno (ovvio!), fissazione dell’azoto di notte - Batteri aerobi: condizioni microaerobiche per alti tassi respiratori - Batteri anaerobi: nessun problema! - Batteri simbionti: leg-emoglobina.

LA FISSAZIONE BIOLOGICA DELL’AZOTO: I RIZOBI E LE LEGUMINOSE Quando la pianta non ha disponibilità di azoto nel terreno, può avere luogo una simbiosi con particolari microrganismi che permette alla pianta stessa di utilizzare l’azoto atmosferico. Questo processo è finemente regolato dalla pianta e, generalmente, consiste nella formazione di noduli radicali contenenti microrganismi azoto fissatori. Carenza di azoto → sistema di sensing → SEGNALE: SEGNALE la pianta decide di svolgere la simbiosi. L’azoto atmosferico è molto abbondante, ma le piante non possono utilizzarlo! Solo alcuni microrganismi sono capaci di operare la fissazione biologica dell’N2.

SEGNALE: SEGNALE Secrezione di flavonoidi da parte della pianta e seguente chemotassia dei batteri verso la pianta: speciespecificità. In risposta al segnale i batteri espongono sulla loro parete i “fattori nod”, particolari polisaccaridi riconosciuti dalla pianta. LECTINE: proteine della radice della pianta che “riconoscono” in modo specifico la parete batterica dopo esposizione dei fattori nod. Formazione del filamento di infezione e penetrazione dei batteri nei tessuti della pianta. Batteri → batterioidi.

FORMAZIONE DEI NODULI RADICALI

Meristema secondario del nodulo

Meristema primario del nodulo

I batteri, precedentemente attratti dalla pianta, secernono alcuni fattori che inducono la proliferazione delle cellule della corteccia della radice fino alla formazione del meristema primario del nodulo. Anche le cellule del periciclo vicine ai poli xilematici vengono stimolate alla divisione e formano il meristema secondario del nodulo. Il filamento di infezione si allunga verso le cellule in divisione, i due meristemi si fondono e comincia la differenziazione del nodulo stesso con formazione dei fasci vascolari. I batterioidi vengono rilasciati nelle cellule centrali del nodulo.

Batterioidi: Batterioidi teoria quasi endosimbiontica? Doppia membrana (prove per la teoria endosimbiontica)! Non sono organismi autonomi, ma non sono neanche organuli!

PROCESSO BIOCHIMICO PER LA FISSAZIONE DELL’AZOTO La reazione di fissazione dell’azoto è la seguente:

N2 + 8e- + 8H+ +16ATP → 2NH3 + H2 +16ADP +16Pi La spesa energetica per fissare l’azoto è ingente: 16 ATP … rottura di un legame triplo! Vi è comunque un piccolo recupero energetico attraverso la scissione di H2 (idrogenasi). L’NH3 viene poi organicato in glutammina e glutammato.

L’enzima responsabile della fissazione dell’azoto è la NITROGENASI

La NITROGENASI è costituita da due subunità maggiori una contenente Mo-Fe l’altra Fe per il trasporto degli elettroni dalla ferrodossina ridotta all’azoto. azoto

Centro contenente Mo-Fe

Gli elettroni donati dalla Fd passano alla Fe proteina (4Fe-4S) e poi alla Mo-Fe proteina per poi essere ceduti all’N2.

O2: inibisce i centri Fe-S ossidando il Fe!

Una domanda….. Come è possibile che vi sia Fd ridotta se il nodulo è al buio (ed ovviamente i batteri non sono fotosintetici)? Flusso INVERSO di e- dal NAD(P)H attraverso spesa di ATP ed un opportuno enzima.

VANTAGGI DELLA SIMBIOSI Nella simbiosi la pianta riceve composti azotati (esporto sotto forma di ureidi - ac. allantoico, allantoina - o ammidi - asparagina, glutammina-), il batterio riceve carboidrati ed un ambiente idoneo alla fissazionen dell’azoto: leg-emoglobina (i noduli sono rosa!). Questa proteina veicola l’ossigeno proprio come l’emoglobina umana e ne assicura la giusta tensione nel nodulo per la respirazione. La parte proteica è sintetizzata dalla pianta, il gruppo eme dal batterio: esempio di “proteina simbiontica”. Formazione dei semi e digestione dei noduli… Vantaggi in agricoltura….

ASSIMILAZIONE DELLO ZOLFO Lo zolfo è assorbito dal terreno principalmente come SO42-, comunque le piante possono metabolizzare anche SO2 attraverso gli stomi, in quanto l’anidride solforosa idrolizza a H2SO4 in presenza di acqua (si forma quindi nuovamente solfato che è la forma “sfruttabile” dalle piante).

Industrializzazione → combustione → SO2 → H2SO4 → piogge acide!!! Principali composti organici contenenti zolfo: zolfo Cisteina e metionina (che sono aminoacidi!) e tutti i loro derivati, anche eterocicli. Caratteristica comune: S sempre in forma ridotta generalmente come C-S-C e C-S-H. Le uniche molecole che contengono direttamente solfato sono i solfolipidi.

La riduzione e l’assimilazione del solfato avvengono nei cloroplasti delle cellule delle foglie oppure nei proplastidi delle cellule del parenchima corticale delle radici.

ATTIVAZIONE DEL SOLFATO: SOLFATO

ATP + Solfato (S) → APS + PPi

ATP solforilasi (scissione “solforolitica dell’ATP)

Adenina – ribosio – P-P-P + S → Adenina – ribosio – P-S + P-P

APS + ATP → PAPS + ADP

APS chinasi (fosforilazione dell’APS)

Adenina – ribosio – P-S + Adenina – ribosio – P-P-P → Adenina – ribosioP – P-S + ADP

DOPO L’ATTIVAZIONE DEL SOLFATO VI E’ LA SUA RIDUZIONE Solfolipidi

PAPS

(estere solforico)

ADP ATP solforilasi

ATP

ATP APS

Solfato

Reazione energeticamente favorevole (ΔG!)

APS chinasi

Pi

PPi

Reazione energeticamente sfavorevole (ΔG!)

SO3

-

Solfito reduttasi

8 Fdrid

AMP

8 Fdox

S2Solfuro sempre legato al carrier

Solfito Intermedio instabile legato ad un enzima detto “carrier dei solfuri” non ancora caratterizzato

In pratica, il passaggio a PAPS, oltre che per la sintesi dei solfolipidi, serve per permettere la produzione stessa dell’APS che da sola sarebbe energeticamente troppo sfavorita per avvenire. L’APS è poi il vero substrato per l’assimilazione riduttiva del solfato.

Aminoacidi solforati Cys & Met

In pratica, per la riduzione del solfato sono necessari 8 elettroni SO42- → → → → → → S2+6 -2 Il donatore di elettroni della Solfito reduttasi è la FERRODOSSINA: FERRODOSSINA funzioni dei cloroplasti……. fotosintesi e metabolismo dello zolfo!

APS + 8Fdrid + 5H+ → S2- + AMP +8Fdox + 3H2O Come precedentemente illustrato, questa reazione prevede un passo intermedio attraverso la riduzione del solfato a solfito ancora non ben caratterizzata ed il legame degli intermedi di riduzione del solfato e del solfuro stesso al “carrier dei solfuri”, proteina ancora “oscura”. L’assimilazione dello solfo procede poi con l’incorporazione del solfuro negli aminoacidi solforati.

ORGANICAZIONE DEL SOLFURO Il primo passo è la cessione dell’S2- ad un intermedio attivato (sempre per destabilizzazione) per la formazione di cisteina L’intermedio in questione è molto simile alla cisteina stessa, in pratica al posto dell’SH terminale ha un OH esterificato con un gruppo acetilico: O-Acetilserina.

Serina + AcetilCoA → O-Acetilserina + CoA

Acetiltransferasi

=

O

=

O

CH3 C-O

CH3 C-S-CoA AcetilCoA

O-Acetilserina

L’O-Acetilserina reagisce quindi con il solfuro per dare finalmente cisteina. O-Acetilserina + S2- → Cys + acetato

SOLFIDRASI (lisi per inserzione di una molecola di solfuro)

In questa reazione i due elettroni necessari vengono ceduti da due Fd ridotte!

Per la formazione dell’altro AA solforato, la metionina, il solfuro viene direttamente ceduto dalla cisteina ad opportuni intermedi attivati sempre per acetilazione di gruppi OH: O-Acetil-omoserina e reazioni “simili” alle precedenti più addizione finale di un metile.

Omoserina (ha un -CH2- in più della serina nel radicale, quindi è già più simile alla metionina)

Attraverso Cys e Met lo solfo ridotto viene ceduto a tutte le molecole organiche della pianta che lo richiedono (es: CoA, lipoamide, GSH, glucosidi…..)

La forma di trasporto dello zolfo a tutto il resto della pianta è il GLUTATIONE, GLUTATIONE implicato anche nel sistema si “sensing” sensing dei livelli di zolfo all’interno della pianta stessa.