Nutrição Mineral 2

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8. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES MINERAIS: MACRONUTRIENTES 8.1. Classificação e princípios de ação dos nutrientes minerais Por definição, os nutrientes minerais tem funções específicas e essenciais no metabolismo da planta. Dependendo da quantidade requerida de um dado nutriente, o elemento pode ser classificado, como macronutriente ou micronutriente. Outra classificação, baseada nas propriedades físico-químicas, divide os nutrientes em metal (potássio, cálcio, magnésio, ferro, zinco, cobre, molibdênio e níquel) e não metais (nitrogênio, enxofre, potássio, boro, cloro). As duas classificações são inadequadas uma vez que cada nutriente mineral pode realizar uma variedade de funções, algumas destas funções são pouco correlacionadas, com a quantidade requerida ou com propriedades físicoquímicas. Um nutriente mineral pode funcionar como um constituinte de uma estrutura orgânica, como um ativador de reações enzimáticas, ou como transportador de cargas e osmorregulador. Nesta apostila a classificação mais simples de macro e micronutrientes é utilizada. As principais funções dos nutrientes minerais tais como, nitrogênio, enxofre e fósforo que servem como constituintes de proteínas e ácidos nucléicos são descritos. Outros nutrientes minerais, tais como magnésio e os micronutrientes (exceto cloro), podem funcionar como constituintes de estruturas orgânicas, predominantemente envolvidos na função catalítica de enzimas. O potássio e presumivelmente o cloro, são os únicos elementos minerais que não são constituintes de estruturas orgânicas. Eles funcionam principalmente na osmorregulação (ex. vacúolos), na manutenção do equilíbrio eletroquímico nas células e seus compartimentos e, na regulação das atividades enzimáticas. É natural que devido sua baixa concentração, os micronutrientes não tenham função direta na osmorregulação ou na manutenção do equilíbrio eletroquímico.

Figura 8.1 – Representação esquemática dos compostos de uma molécula de enzima. Área marcada: camada de hidratação de moléculas de água (agrupamentos). 60

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O nitrogênio e o enxofre são constituintes integrais da estrutura da proteína, isto é, de apoenzimas (Figura 8.1). Para a reação catalítica da maioria das enzimas, um cofator1 é requerido. Este cofator pode ser uma coenzima, um grupo prostético, ou um componente metálico. Exemplo de coenzimas típicas são; ATP, FAD, NAD, NADP. Como grupo prostético pode-se citar o grupo heme (porfirina de Fe) que compõem um grande número de enzimas como; os citocromos, a catalasee e a peroxidase. Em muitas enzimas o grupo prostético resume-se em um metal apenas. A maioria dos átomos metálicos integrados em metaloproteínas são metais transitórios, os quais realizam sua função catalítica através de alterações em sua valência. Este é o caso para o ferro nos citocromos, cobre na plastocianina, e o molibdênio na nitrogenase. Em algumas enzimas, todavia, o metal realiza sua função catalítica pela formação de um complexo enzimasubstrato-metal ( ex. magnésio na ATPase). Recentemente, a fosforilação de enzimas, para a regulação de sua atividade tem despertado grande interesse. As enzimas que catalisam a fosforilação de proteínas são denominadas cinases protéicas. Efetores que regulam as cinases protéicas são, por exemplo, as poliaminas, calmodulinas e, em particular, o cálcio livre. Em plantas mais do que 30 cinases protéicas tem sido identificadas, e 10 destas são dependentes de cálcio. Este mecanismo oferece, no mínimo para alguns nutrientes minerais, a possibilidade de funcionar como um componente de uma cadeia de sinais. Por outro lado os nutrientes minerais podem ter uma função dominante nas reações enzimáticas. O potássio é um exemplo típico de um nutriente mineral que exerce sua função regulatória pela alteração na conformação dos componentes da enzima. As proteínas são macromoléculas grandemente hidratadas em células vivas e ativas metabolicamente. Devido as pontes intermoleculares de hidrogênio, as moléculas de água, formam associações parciais e não permanentes que tem um efeito de estabilização na conformação protéica. Os solutos, incluindo os nutrientes minerais, alteram as propriedades físicas da água (solvente) através da formação de uma camada de hidratação em torno do íon, bem como as propriedades de proteínas através de interações, particularmente com grupos carregados de macromoléculas (interações eletrostáticas). A hidratação, estabilidade e conformação da enzimas ou outros biopolímeros (ex.: membranas) são desta forma, afetadas não somente pela temperatura e pH, mas também pelo tipo (cátion ou ânion, e suas valências) e concentração dos elementos minerais. A conformação (orientação espacial) de uma enzima é novamente um fator fundamental tanto para a afinidade entre o centro ativo da enzima com o substrato (valor de KM ) como na taxa de “turnover” da enzima (VMAX)). O potássio, é o principal cátion citoplasmático, e tem um fator proeminente na conformação de enzimas e portanto, regula a atividade de um largo número de enzimas. A distribuição de elementos minerais entre tipos diferentes de célula dentro de um dado tecido (ex.: células epidérmicas, células guardas e as células do 1

São componentes não protéicos, que a maioria das enzimas necessitam para exercer suas atividades catalíticas.

61

UEM – Nutrição Mineral de Plantas mesofilo), também provê informações importantes sobre as funções dos elementos minerais. Isto é particularmente importante para a distribuição de íons em diferentes compartimentos celulares. Grandes progressos atualmente estão sendo feitos, pelos pesquisadores, para entender melhor as funções dos nutrientes minerais, não somente em comparar genótipos, ou mutantes dentro de uma espécie de planta mas também para introduzir aproximações e técnicas de biologia molecular e genética dentro do estudo da nutrição mineral de plantas. 8.2. NITROGÊNIO •

Considerações Gerais

Dependendo da espécie de planta, do estádio de desenvolvimento e do órgão a quantidade para o crescimento ótimo varia entre 2 a 5% do peso da planta. Quando o suprimento está abaixo do ótimo, o crescimento é retardado e o nitrogênio é remobilizado das folhas mais velhas para as mais novas (regiões de crescimento). Neste caso, os sintomas típicos de deficiência de nitrogênio podem ser observados. Um aumento no teor de nitrogênio não somente decresce a senescência e estimula o crescimento mas também altera a morfologia da planta de maneira típica, principalmente se a disponibilidade do nitrogênio é alta no meio radicular durante o início do desenvolvimento. Como conseqüência do aumento no teor de nitrogênio na planta pode-se citar: - Aumento na relação do peso e do comprimento da parte aérea/sistema radicular da planta (planta anual e perene). Isto afeta a absorção de nutrientes e água do solo. - Aumento do comprimento, largura e redução na espessura da folha, podendo tornar as folhas com grande inclinação com relação ao caule, afetando, assim, a interceptação da luz. - Aumento da predisposição ao acamamento. Absorção – o nitrogênio pode ser absorvido do meio em diferentes formas; N2, através das bactéria fixadoras de nitrogênio (ex. leguminosas); na forma mineral como N-N03- e N-NH4+ e como uréia. A forma predominante que a planta absorve, em condições naturais é a do nitrato devido ao processo de nitrificação no solo (item 10) Transporte – a forma do nitrogênio que é transportado via xilema varia em função da forma do nitrogênio absorvido pelo sistema radicular, e do tipo de metabolismo da raiz. Quando a planta absorve N-NH4+ pelo sistema radicular, este deve ser imediatamente metabolizado por ser um cátion muito tóxico ao nível celular. Normalmente, o N-NH4+ é assimilado a compostos orgânicos no sistema radicular e transportado como aminoácidos. Em conseqüência, pouco ou nada de N-NH4+ será encontrado no xilema. A concentração de N-N03-, encontrada no 62

UEM – Nutrição Mineral de Plantas xilema, vai depender de vários fatores, mas predominantemente da capacidade de redução deste íon no sistema radicular. Algumas plantas reduzem 100% do nitrato nas raízes, consequentemente pouco N na forma de N03- será transportado via xilema. Outras plantas podem reduzir 100% do nitrato na parte aérea, e então grande concentração de N-N03- será encontrado no xilema. Mas a maioria das plantas reduzem o nitrato em ambas as partes da planta, e assim tanto nitrato como aminoácidos podem ser encontrados neste vaso. Nas plantas fixadoras do N2 atmosférico, o transporte do nitrogênio fixado no sistema radicular é transportado principalmente como ureídeos (alantoína e ácido alantóico) e em menor proporção como glutamina e asparagina (item 11). Redistribuição - como já discutido anteriormente, o nitrogênio é um elemento de alta mobilidade na planta. Desta forma, na deficiência deste elemento o N é facilmente redistribuído na forma de aminoácidos via floema para as partes novas, principalmente para as folhas jovens e regiões meristemáticas. Funções – a maior parte do nitrogênio se encontra na forma orgânica (reduzida). É um componente fundamental das proteínas (enzimas). Tem importante função como ligante de íons metálicos, principalmente na forma de anéis heterocíclicos, como por exemplo, na clorofila. Participa na formação de pontes de hidrogênio estabilizando e dando a conformação apropriada as proteínas (enzimas) e ácidos nucléicos. Importante na formação da ligação peptídica entre os resíduos de aminoácidos, permitindo assim, a formação das proteínas. Além disso, o nitrogênio tem papel importante na formação de “baseschiff “, intermediário de inúmeras reações catalisadas por enzimas como pode ser observado abaixo.

R' R' C

NH2

C

H

R

N

Base Schiff

C00H H aminoácido

C

H + H

0 aldeído

C

R

C00H

8.3. FÓSFORO Embora o fósforo seja pouco exigido pela planta, é um dos nutrientes mais utilizados na adubação dos solos brasileiros. A falta deste nutriente é o que mais restringe a produção agrícola no Brasil. A maioria das análises de solo no Brasil registra menos de 10 mg kg-1 de solo, o que é considerado baixo considerado baixo. Em solos sob o cerrado, os teores encontrados são freqüentemente 1 mg kg-1 de solo, ou menos. Além da baixa disponibilidade deste elemento no solo, o fósforo tem outro agravante que é a grande interação com os elementos no solo 63

UEM – Nutrição Mineral de Plantas (P-Fe, P-Al em solos ácidos e P- Ca em solos alcalinos), o que torna uma grande proporção do fósforo indisponível à planta. Diferentemente do nitrato e do sulfato, o fosfato não é reduzido nas plantas e permanece em sua forma oxidada. Após a absorção, o fósforo permanece como fosfato inorgânico (Pi), ou é esterificado a grupos hidroxil na cadeia carbônica ( CO-P) como um simples éster fosfato ( ex. fosfato em açúcar), ou ligado a outro fosfato por ligação rica em energia, formando o pirofosfato (P~P), como por exemplo o ATP. A taxa de troca entre Pi, fósforo em éster e o pirofosfato é grande. Por exemplo, o Pi absorvido das raízes é incorporado em poucos minutos em Porgânico, mas logo após é liberado novamente como Pi dentro do xilema. Outro tipo de ligação do fosfato é caracterizado pela alta estabilidade da estado diéster (C-P-C). Nesta associação o fosfato forma uma parte conectando unidades mais complexas ou estruturais macromoleculares. Absorção – a forma do fósforo que é absorvida depende predominantemente da faixa de pH do meio (solo). Na faixa de pH entre 2 e 7, predomina a forma H2P04-, forma esta absorvida pelo sistema radicular das plantas. A forma HP04= predomina em solos com pH na faixa de 7 a 12 (alcalinos), entretanto, a absorção é menos rápida se comparada a primeira citada. O processo de absorção do fósforo é ativo, uma vez que a concentração do fósforo é maior nas células radiculares (100 a 1000 vezes) do que na solução externa. Assim, o fósforo deve entrar na célula contra o gradiente de concentração, portanto, ativamente. Todavia, para se dizer que um determinado íon está sendo absorvido por um processo ativo ou passivo, o componente elétrico deve ser considerado. A presença de magnésio no meio favorece a absorção de fósforo (efeito sinérgico). Transporte – a forma que o fósforo é transportado via xilema é basicamente a mesma da absorção, ou seja, como H2P04-. Redistribuição – o fósforo sendo um elemento de alta mobilidade na planta é facilmente distribuído no floema. As formas que podem ser encontradas no floema são; fosforil colina e Pi. Em plantas bem supridas de fósforo o vacúolo armazena a maior parte do Pi total da planta (85 a 95%). Quando há redução no suprimento de fósforo para a planta o Pi é redistribuído principalmente das folhas velhas para as novas, apresentando como conseqüência desta redistribuição, sintomas de deficiência inicial nas folhas velhas. Funções •

Como elemento estrutural

A função do fósforo como um elemento constituinte da estrutura molecular é mais proeminente nos ácido nucléicos (DNA e RNA). O DNA e o RNA são 64

UEM – Nutrição Mineral de Plantas importantes no armazenamento e transferência da informação genêtica, respectivamente. Em ambos, o fosfato forma uma ponte entre as unidades de ribonucleosídeos para formar as macromoléculas. O fósforo forma ligação diéster abundante nos fosfolipídios das biomembranas, formando ponte entre um diglicerídeo e outras moléculas (aminoácidos, amina ou álcool). •

Armazenamento e transferência de energia

Embora os ésteres fosfato (C-P) e fosfatos de alta energia estejam em baixas concentrações nas células eles representam a maquinaria metabólica das células. Acima de 50 compostos ésteres formados do fosfato e álcool açúcares foram identificados, acima de 10 incluindo glicose-6-fosfato e fosfogliceraldeído, estão presentes em relativamente altas concentrações nas células. A maioria dos ésteres fosfato são intermediários na rota metabólica da biossíntese e degradação. Sua função e formação está diretamente relacionada ao metabolismo energético das células e ao fosfato rico em energia. A energia, por exemplo, para a biossíntese do amido ou para a absorção dos íons é suprido por intermediários ricos em energia ou coenzimas, principalmente ATP. Uma molécula de ATP e mostrado abaixo: NH2 N N N

N

0

000CH2 - 0 - P - 0 - P - 0 - P - 0-

0

0

0

A energia liberado durante a glicólise, respiração ou fotossíntese é utilizada para a síntese de pirofosfato (composto de alta energia), e na hidrólise desta ligação 7,6 kcal mol-1 (ou 30 kJ) de ATP é liberado. O ATP é o principal composto rico em energia requerido para a síntese de amido. A energia do ATP pode ser também transferida para outras coenzimas as quais diferem do ATP somente na base nitrogenada, por exemplo, uridina trifosfato (UTP) e guanosina trifosfato (GTP), as quais são requeridas para a síntese da sacarose e celulose, respectivamente. A liberação do PPi acontece nas principais rotas metabólicas, por exemplo, na acilação de CoA na síntese de ácido graxo, do amido no cloroplasto e da sacarose no citossol. Varias enzimas podem fazer uso do PPi, como por exemplo, a UDP-glicose fosforilase e a PPi-H+-ATPase no tonoplasto. A concentração celular do PPi é de 100 a 200 nmol g-1 de peso fresco (similar ao ATP). Nas folhas a concentração de PPi no citossol é similar a 65

UEM – Nutrição Mineral de Plantas concentração no estroma do cloroplasto e, permanece mais ou menos estável durante o período luz-escuro. A fosforilação de enzimas pelo ATP, GTP e ADP é outro mecanismo pelo qual os compostos ricos em fosfato modulam a atividade enzimática. Estas fosforilações regulatórias é mediada pelas cinases protéicas e podem resultar da ativação e inativação e/ou alteração nas propriedades alostéricas das moléculas marcadas. A fosforilcação de proteínas é considerada como um fator chave na transdução de sinais, por exemplo, em respostas mediadas por fitocromos. Em plantas C4 e MAC, a fosforilação aumenta a atividade da PEP carboxilase e a enzima torna-se menos sensível a retroalimentação negativa pela concentração do malato. •

Função regulatória do fosfato inorgânico

Em muitas reações enzimáticas, o Pi, pode ser um substrato ou um produto final ( Ex .: ATP → ADP +Pi). Desta forma, o Pi controla algumas reações chaves de algumas enzimas. Para isso, a compatibilidade do Pi é essencial para a regulação das rotas metabólicas no citoplasma e cloroplastos. Em tecidos de frutos de tomate, por exemplo, o Pi trocado dos vacúolos para o citoplasma pode estimular a atividade da fosfofrutocinase, enzima chave no fluxo de substratos na via glicolítica. Assim, a troca de Pi no vacúolo pode dar início aos processos correlacionadas com o amadurecimento dos frutos. O retardamento no amadurecimento de plantas de tomate deficientes em fósforo pode estar relacionado a esta função do Pi. A concentração de Pi nos cloroplastos e na mitocôndria é também alta, aproximadamente 10 mM. A enzima chave na síntese de amido nos cloroplastos (amiloplastos), a ADP-glicose pirofosforilase (Figura 8.3) é alostericamente inibida por Pi e estimulada por triosefosfato (TF). A relação Pi/TF é que determina a taxa de síntese de amido nos cloroplastos. Já, a concentração de Pi e TF nos cloroplastos é controlada por um transportador de triosefosfato, carregador específico localizado na membrana interna do envelope da organela, que promove a troca de Pi por triosefosfato entre o estroma e o citoplasma. Desta forma, a inibição da síntese do amido pela alta concentração de Pi nos cloroplastos é resultado também da diminuição da concentração do substrato triosefosfato (= a gliceraldeído-3-fosfato ou dihidroxiacetonafosfato) que serve tanto para a estimulação da enzima, quanto de substrato para a síntese de amido. A acumulação de amido nos cloroplastos de plantas deficientes é esperado por no mínimo duas razões: a redução da concentração de Pi no citossol, e consequentemente baixa exportação de triosefosfato do cloroplasto, e o aumento da atividade da ADP-pirofosforilase devido a redução na concentração de Pi no estroma.

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Figura 8.3 – Envolvimento e função regulatória do fosfato na síntese de amido e transporte de carboidratos na célula da folha. (1) ADP-glicose pirofosforilase: regula a taxa de síntese de amido; inibido por Pi e estimulada por PGA. (2) Transportador de fosfato: regula a liberação dos fotossintatos dos cloroplastos; aumentado por Pi. TP, triosefosfato (Gliceraldeído-3-fosfato, GAP; dihidroxifosfato; DHAP); F6P, Frutose-6-fosfato; G6P, glicose-6-fosfato. (Baseado em Walker, 1980 em MARSCHNER,1997).

•

Fósforo como reserva

As sementes e frutas podem armazenar o fósforo na forma de fitato. Os fitatos são sais do ácido fítico (mioinositol do ácido hexafosfórico) . Quando sais de cálcio e magnésio ligam-se no ácido fítico, tem-se a fitina. O ácido fítico tem também, alta afinidade por Zn e Fe. Em sementes de leguminosas e de cereais os principais fitatos são os sais de cálcio de potássio. A proporção de sais associadas com o ácido fítico varia de espécie de planta e entre diferentes tecidos nas sementes. Os fitatos contendo fósforo representam cerca de 50% do P total em leguminosas e 60-70% em grãos de cereais.

67

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Nos estados iniciais do desenvolvimento da plântula, o embrião requer grande quantidade de nutrientes minerais, incluindo magnésio (necessário para a fosforilação e síntese protéica), potássio (requerido para a expansão celular) e fósforo (incorporado nos lipídios das membranas e ácidos nucléicos). A degradação de fitatos, caracterizado por fitases, conduz a um rápido declínio no fósforo ligado ao fitato (Quadro 8.3), e consequentemente síntese de outros compostos fosforilados, durante a germinação de sementes de arroz (Quadro 8.3). O aumento dos níveis de Pi e éster de fosfato refletem uma intensiva respiração, fosforilação e processos relacionados. A degradação de fitatos continua com o tempo, e finalmente os níveis de fósforo incorporado no DNA e RNA aumentam, indicando um aumento na síntese de proteínas e divisão celular. Quadro 8.3 – Alterações nas frações de fósforo durante a germinação de sementes de arroz Germinação (horas)

fitatos

0 24 48 72

2,67 1,48 1,06 0,80

Frações de fósforo (mg P/ g mat. seca) lipídios Pi éster RNA + DNA 0,43 1,19 1,54 1,71

0,24 0,64 0,89 0,86

0,078 0,102 0,110 0,124

0,058 0,048 0,077 0,116

Fonte: Mukherji et al. (1971), em MARSCHNER (1997)

8.4. POTASSIO O potássio é o mais abundante cátion no citoplasma (100 a 150 mM) e possui grande contribuição no potencial osmótico das células e tecidos de plantas glicofíticas. O potássio na planta não é metabolizado e forma complexos prontamente trocáveis. O potássio em termos gerais, é o segundo nutriente em exigência pelas culturas, não sendo tão limitante no solo quanto o fósforo. Depois do fósforo, é o nutriente mais consumido pela agricultura brasileira. Absorção – a absorção do potássio é altamente seletiva e está intimamente acoplado a atividade metabólica. Este elemento no solo aparece na forma iônica (K+), sendo esta a forma absorvida pelas raízes das plantas. Como o potássio é um íon monovalente, ao competir com elevadas concentrações de cátions divalentes como o Ca++ e o Mg++ sofre inibição competitiva, ou seja, compete com desvantagem pelo mesmo sítio de absorção. Entretanto baixas concentrações de cálcio contribuem para sua absorção (efeito sinergístico). Transporte – o potássio é transportado como K+, ou seja, na mesma forma que é absorvido do solo. 68

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Redistribuição – o K+ é caracterizado pela alta mobilidade nas plantas, em todos os níveis, dentro da célula, dentro dos tecidos, e é transportado a longa distância via xilema e floema. Isto acontece, porque o potássio não faz parte permanente de nenhum composto orgânico (função estrutural). Funções – em quase todos os casos a concentração de K+ é mantida em torno de 100 a 200 mM, sendo também verdade para os cloroplastos. As suas funções, nestes compartimentos não podem ser substituídos por outros cátions inorgânicos como o Na+. No vacúolo a concentração de potássio pode variar entre 10 a 200 mM, ou pode alcançar 500 µM nas células guardas da epiderme. A função do potássio na expansão celular e outros processos que dirigem o turgor celular, estão relacionados com a concentração de potássio no vacúolo. •

Ativação enzimática

Um grande número de enzimas são completamente dependente ou estimulada por potássio. Este elemento como outros cátions monovalentes ativam enzimas pela alteração conformacional na estrutura enzimática. Em geral, a alteração conformacional induzida por potássio nas enzimas, aumenta a taxa da reação catalítica, Vmas e em alguns casos a afinidade para com seu substrato (diminuição do Km). Em plantas deficientes de K, ocorrem algumas alterações químicas, incluindo acumulação de carboidratos solúveis, decréscimo no conteúdo de amido e o acúmulo de compostos nitrogenados solúveis. Estas alterações no metabolismo está relacionado ao alto requerimento de certas enzimas regulatórias, principalmente a piruvato cinase e a fosfofrutocinase. Por sua vez a sintetase do amido é altamente dependente em cátions monovalentes, entre os quais o K é o mais eficiente. Esta enzima catalisa a transferência da glicose para as moléculas do amido. Outra função do K é a ativação da H+-ATPase ligada a membrana. Esta ativação não somente facilita o transporte de K da solução externa através da membrana plasmática para dentro das células radiculares como também torna o K o elemento mineral mais importante na expansão celular e na osmorregulação. Em tecidos de plantas deficientes em K, existem maior atividade de hidrolases ou de oxidases tais como a polifenol oxidase, do que planta com suprimento normal do nutriente. Um exemplo ilustrativo do efeito indireto é a acumulação de diamina putrescina (putrescina) em plantas deficientes de K , por um fator de 80 a 100. As enzimas que catalisam a síntese de putrescina da arginina via agmatina, são inibidas por alta concentração de K e é estimulada pelo baixo pH celular. Nas regiões danificadas, que se observa nas bordas e pontas das folhas mais velhas das plantas ocorre acúmulo de putrescina, que é visualizado pela clorose com posterior necrose dos tecidos.

69

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Síntese de proteínas

O K é mais requerido para a síntese de proteína do que para a ativação enzimática. É provável que o K esteja envolvido em vários passos no processo de tradução, incluindo a ligação do tRNA aos ribossomos. Assim, a deficiência de K nas plantas, em redução na síntese de proteínas. •

Fotossíntese e transporte de carboidratos

Em plantas superiores, o K afeta a fotossíntese em vários níveis. É o íon acompanhante para o fluxo de H+ através da membrana do tilacóide induzidas por luz e para o estabelecimento do gradiente de pH transmembrana para a síntese de ATP (fotofosforilação), em analogia a síntese de ATP na mitocôndria. O K estimula a taxa de fixação do C02. Além do controle da abertura e fechamento estomático (Quadro 8.4) o K parece melhorar a difusibilidade do C02, no mesofilo, estimula a atividade da RuBP (manutenção do pH ótimo para a enzima), reduzindo a fotorrespiração, devido a depleção do C02 nos sítios catalíticos da enzima Rubisco. Como o aumento no conteúdo de K, a respiração no escuro decresce (Quadro 8.4). O carregamento e o descarregamento de fotoassimilados no floema é um processo ativo, requerendo hidrólise do ATP pelas ATPases que estão associadas as membranas. O K+ parece ser importante na despolarização da membrana e ativação das ATPases. Quadro 8.4 – Relação entre o conteúdo de K nas folhas, troca de C02 e atividade da Rubisco em alfafa* Resistência + K na folha estomática -1 -1 (mg g MS) (s cm )

12,8 19,8 38,4

Fotossíntese -2 -1 (mg C02 dm h )

Atividade Rubisco -1 (µmol C02 mg -1 proteína h )

11,9 21,7 34,0

1,8 4,5 6,1

9,3 6,8 5,9

Respiração Fotorrespiração escuro -2 (dpm dm ) (mg C02 dm-2 h-1)

4,0 5,9 9,0

7,6 5,3 3.1

*De Peoples e Koch (1979) em MARSCHNER, 1997.

•

Osmorregulação

O K está diretamente envolvido na regulação do potencial osmótico da célula, e portanto da expansão celular, abertura e fechamento dos estômatos. •

Expansão celular

A expansão celular envolve a formação de um grande vacúolo ocupando 80 a 90% do volume celular. Há dois requerimentos para a expansão celular; um 70

UEM – Nutrição Mineral de Plantas incremento na expansibilidade e a acumulação de solutos para criar um potencial osmótico (Figura 8.4). Na maioria dos casos a expansão celular é a conseqüência da acumulação de K nas células, o que é requerido para estabilizar o pH citoplasmático e diminuir o potencial osmótico do vacúolo. Nas células o afrouxamento da parede celular é induzida pelo ácido indol acético (AIA) e acúmulo de soluto (principalmente K) no vacúolo para criar um potencial osmótico interno. O processo é inibido pela ATPase localizada na plasmalena (ativada por K), que bombeia H+ do citoplasma para o apoplasto, dando no sentido contrário uma absorção estequiométrica de K. A acidificação do apoplasto resulta na atividade de enzimas hidrolíticas (como a poligalacturonase) que causa o afrouxamento da parede celular. O afrouxamento e o aumento da pressão hidrostática devido a absorção de água em resposta a redução do potencial osmótico pela absorção do K, são pré-requesitos para o crescimento celular. As giberelinas (GAs) que induzem o aumento da extensão do caule é também dependente do suprimento de K. O K e a GA atuam sinergisticamente, uma vez que há aumento na elongação do caule quando os dois são aplicados. •

Movimento estomático

Na maioria das espécies, o K está associado com um ânion e tem grande responsabilidade na alteração do turgor nas células-guarda durante o movimento estomático. Um aumento na concentração de K nas células guardas, aumenta sua pressão osmótica, e resulta na absorção de água das células adjacentes e um aumento correspondente no turgor nas células-guarda, abrindo os estômatos. (Figura 8.4).

Figura 8.4 – Modelo da função do cálcio e de outros solutos na extensão celular e na osmorregulação. •, K; , açúcares redutores, sacarose, Na; , ácidos orgânicos (ániônicos). A acumulação do K nas células guardas de estômatos abertos podem ser demonstrados por raio X , como mostrado na Figura 8.4.1.

71

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Figura 8.4.1 – Fotografia analisada com sonda elétrica (acima) e com microsonda de raio X (abaixo), da distribuição do K em estômatos abertos e fechados de fava (MARSCHNER, 1997). O fechamento dos estômatos no escuro está relacionado com o efluxo de K e um correspondente decréscimo na pressão osmótica nas células guardas. A acumulação de K induzida por luz nas células guardas é dirigido por uma ATPase ligada a membrana plasmática (Figura 8.4.2) como é conhecida para a absorção de K nas células das raízes. A abertura estomática é precedida por um decréscimo no pH do apoplasto das células guardas. A acumulação de K nos vacúolos é balanceado por um íon acompanhante, principalmente malato-2 e Cl-, dependendo da espécie e da concentração de Cl nas vizinhanças das células guardas. O transporte de Cl- para dentro das células-guarda é mediado por simporte de Cl-/H+ na membrana plasmática (Figura 8.4.2A). Para que haja uma alta taxa de íons através da membrana, os canais são a principal rota. Em baixa disponibilidade de Cl, ou em espécies de plantas que não usam o Cl como íon acompanhante para o K nas células-guarda (Fig 8.4.2B) o influxo de K dirigido por H+, ativa a PEP-carboxilase. O novo malato formado nas célulasguarda servem como íon acompanhante para o K+ no vacúolo e, como fonte de energia para a síntese de ATP na mitocôndria (8.4.2 B). Nas plantas C3 o fosfoenolpiruvato (PEP) requerido para a síntese de malato é suprido pela degradação do amido nas células guardas, produzido pelo cloroplasto. O fechamento dos estômatos induzido pelo escuro e pelo ABA está associado com um rápido efluxo de K e do ânion acompanhante das célulasguarda. O ABA, induzindo o fechamento estomático pode vir das raízes via xilema como um sinal não hidráulico, talvez amplificado pela baixa concentração de 72

UEM – Nutrição Mineral de Plantas citocinina na seiva xilemática. Entretanto, o ABA endógeno das células-guarda pode também ter esta função.

Figura 8.4.2 – Modelo de abertura estomática mediada por bombas e transporte de K+ + Cl- (A) ou transporte de K+ + malato (B) para dentro das células do vacúolo. •

Balanço cátio-ânion

Na compensação de cargas o K é um cátion importante para contrabalançar ânions imóveis no citoplasma, nos cloroplastos e, freqüentemente também para ânions móveis nos vacúolos do xilema e floema. A acumulação de ácidos orgânicos em tecidos de plantas é freqüentemente uma conseqüência do transporte de K sem o acompanhamento de ânions dentro do citoplasma. A função do K no balanço cátion-ânion, é também refletido no metabolismo do N03-, no qual o K é o íon acompanhante para o transporte a longa distância no xilema bem como para o estoque nos vacúolos (Figura 8.4.3). Na parte aérea, após a redução de N03-, o K liga-se a ácidos orgânicos (principalmente malato) que é transportado para as raízes onde servirá novamente de íon acompanhante do nitrato, como mostrado no esquema da Figura 8.4.3.

73

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

Figura 8.4.3 – Esquema mostrando a redistribuição do potássio na planta 8.5. CÁLCIO A exigência de cálcio varia grandemente nas diferentes espécies, e pode variar de 10 até 200 kg há-1. As dicotiledôneas de modo geral, são mais exigentes em cálcio do que as monocotiledôneas. O conteúdo de cálcio nas plantas varia entre 0,1 a 5,0% do peso seco dependendo das condições de crescimento. Absorção – o cálcio é absorvido do meio (solução do solo) na forma divalente (Ca2+), e a maior parte dos solos possuem quantidade adequadas deste elemento (maiores que as de K). O cálcio possui baixa mobilidade no solo e na planta, desta forma, a região de absorção se resume apenas nas extremidades das radicelas, local ainda nada ou pouco suberizadas (estrias de caspari). A presença de outros cátions (K+, Mg++ e NH4+) diminuem a absorção do Ca. Transporte – o cálcio é transportado via xilema também na forma divalente (Ca2+). Ascende no xilema às custas de reações de troca no xilema devido a superfície da parede celular do xilema possuir cargas predominantemente negativas. Assim, o cálcio para ascender no xilema deve ser deslocado dos sítios de troca por outros cátions ou por ele mesmo. Redistribuição – a maioria das funções do cálcio é como componente estrutural de macromoléculas, e está relacionada com a capacidade de coordenação, que estabelece ligações intermoleculares estáveis mas reversíveis, na parede celular e na membrana plasmática. Isto explica os baixos níveis de Ca no floema e da baixa ou nula redistribuição do Ca na planta. Esta baixa redistribuição do Ca, faz com que os sintomas de carência do elemento apareça em órgãos e partes mais jovens como gemas (meristemas) e 74

UEM – Nutrição Mineral de Plantas pontas de raízes. É comum observar-se sintomas de deficiência de Ca (rachadura da casca) em frutos de maçã (“bitter pit”), de tomate (podridão apical), melancia e outros. Isto ocorre porque o Ca é direcionado do solo para os locais de maior demanda transpiratória nas plantas que é no caso as folhas. Como os frutos e partes novas possuem pequena superfície transpiratória e o Ca no floema não é redistribuído, acaba por acarretar deficiência deste elemento nestes órgãos da planta. Para sanar este problema os produtores fazem pulverizações a base de cálcio (CaCl2) diretamente nos frutos, principalmente nas fases críticas de crescimento, reduzindo ou evitando assim, problemas de deficiência do elemento, como pode ser observada na Quadro 8.5. Quadro 8.5 – Efeito da pulverização de cálcio durante a estação de crescimento sobre o conteúdo de cálcio e percentagem de perda de frutos de maçã durante o armazenamento a,b . Parâmetro Conteúdo (mg Ca/100g mat. seca Danos de armazenagem - mancha da casca - senescência precoce - “bitter-pit” - podridão por Gloesporium a b

Perda(%) Não pulverizado Pulverizado 3,35

3,9

10,40 10,90 30,00 9,20

0,0 0,0 3,4 1,7

Fonte: Sharpless & Johnson (1977), em MARSCHNER (1997 Pulverizações com Ca(N03)2 a 1% por 4 vezes durante a estação de crescimento. Os frutos foram armazenados por 3 meses a 3-5°C.

Para o amendoim é comum o uso de sulfato de cálcio (gesso) como suplemento de cálcio na região de formação do esporão (ginóforo), logo após o início do florescimento. Funções do cálcio •

Considerações gerais

Contrastando com outros macronutrientes, uma alta proporção de Ca total no tecido das plantas está localizado na parede celular (apoplasto). Isto se deve a abundância de sítios de ligação para o cálcio na parede celular, bem como do restrito transporte do Ca para dentro do citoplasma. Na lamela média ele se liga a grupos R-C00 de ácidos poligalacturônicos (pectinas) em uma forma mais ou menos trocável. Em tecidos de armazenamento de maçã, a fração de Ca ligada a parede perfaz mais de 90% do total. Com o incremento no suprimento de cálcio, em muitas espécies de plantas a proporção de oxalato de Ca aumento também. Uma distribuição típica do Ca nas células de tecidos completamente expandidos com alta capacidade de troca de cátions é mostrada na Figura 8.5. 75

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

Figura 8.5 – Representação esquemática de duas células adjacente com uma distribuição típica do cálcio (∙). Há áreas distintas e compartimentos com alta ou muito baixas concentrações de Ca. Alta concentração de Ca é encontrada na lamela média da parede celular, na superfície externa da membrana plasmática, no retículo endoplasmático e no vacúolo. A maior parte do Ca solúvel nos tecidos da planta está localizado nos vacúolos, acompanhado por ânions orgânicos (ex. malato), ou ânions inorgânicos (nitrato e cloro). Contrastando a alta concentração de Ca da parede celular, do retículo endoplasmático e do vacúolo, a concentração do Ca no citossol é extremamente baixa, mantida a uma faixa de 0,1 a 0,2 µM de Ca livre. A baixa de concentração do Ca é essencial por várias razões, tais como: - evita a precipitação de Pi; - competição com o magnésio por sítios de ligação; - evitar a competição com Ca na regulação de várias enzimas. Para manter esta baixa concentração de Ca, ele é compartimentalizado no vacúolo, organelas (mitocôndria e cloroplasto), e também lançado para fora da célula, com o auxílio de ATPases ou PPiase como mostrado na Figura 8.5.1.

Figura 8.5.1 – Processo de transporte do cálcio nas membranas para a manutenção da baixa concentração de cálcio citossólico. 76

UEM – Nutrição Mineral de Plantas •

Estabilização da parede celular

O cálcio ligado a pectatos na lamela média é essencial para reforçar a parede celular dos tecidos das plantas. A degradação dos pectatos é mediado pela poligalacturonase, que é drasticamente inibida pela alta concentração de Ca. Tecidos deficientes em Ca tem a atividade da poligalacturonase aumentada, e os sintomas típico da deficiência de Ca aparecem como a desintegração da parede celular com subsequente colapso dos tecidos. A proporção de pectatos de cálcio na parede celular é também importância a suscetibilidade dos tecidos a fungos e bactérias e para o amadurecimento do fruto. •

Extrusão celular e processos secretórios

Extensão da raiz (mm)

Na ausência de Ca no meio externo, a elongação da raiz pára em poucas horas (Figura 8.5.2). Este efeito é mais evidente em solução nutritiva na ausência de Ca do que em água destilada. Esta observação é consistente com a função do Ca em contrabalançar o efeito negativo da alta concentração de outros cátions na membrana plasmática. Embora o Ca esteja envolvido também na divisão celular, a parada no crescimento na ausência de Ca no meio externo é primariamente o resultado da inibição na elongação. O Ca fornece rigidez a parede celular pelo cruzamento de cadeias de pectinas na lamela média. Por outro lado, para que haja expansão celular, é necessário o afrouxamento da parede celular pela acidificação do apoplasto induzida por auxina e a substituição do Ca das cadeias pécticas. A auxina ativa também canais de Ca na membrana plasmática e assim, conduz a um aumento temporário na concentração de Ca livre, que a seu turno estimula a síntese de precursores da parede celular no citossol e a secreção para o apoplasto. 25

+Ca

20 15 10

-Ca

-Ca

5 0 0

12

24

36

48

Tempo (h)

Figura 8.5.2 – Relação entre a extensão da raiz primária de soja e da concentração de cálcio ( ~2 mM) na solução nutritiva (adaptado de MARSCHNER, 1997). 77

UEM – Nutrição Mineral de Plantas O crescimento do tubo polínico na germinação do grão de pólen é dependente da presença do Ca no substrato, e a direção do seu crescimento é controlado quimiotropicamente pelo gradiente de cálcio extracelular. O Ca é requerido para a formação de vesículas secretoriais e a sua fusão com a membrana plasmática conduzindo a exocitose, por exemplo, de precursores de celulose para a formação da parede celular, bem como a formação de mucilagem ou calose. A formação de calose é outro exemplo de processos induzido por cálcio. Em resposta a injúria tal como dano mecânico, infecção por parasitas ou alta concentração de alumínio, um aumento significativo de calose pode ocorrer. Este aumento rápido pode também acontecer por um aumento do Ca citossólico por um fator de 10 vezes. A atividade da α amilase na germinação de sementes de cereais é um dos poucos exemplos de estímulo de enzima por alta concentração de Ca. O Ca é um constituinte da α amilase que é sintetizado no retículo endoplasmático. O transporte de Ca através do RE é estimulado por giberelina (GA) e inibido por ABA, conduzindo a uma típica estimulação (GA) e inibição (ABA) da atividade de α amilase nas células de aleurona. •

Estabilização de membranas

A função do Ca na estabilidade da membrana e integridade da célula é refletido de várias maneiras. Em células deficientes em Ca há um aumento na perda de solutos de baixo peso molecular (ex. tomate). Isto também ocorre em plantas com deficiência severa por desintegração total da estrutura da membrana e a perda da compartimentalização celular. O Ca estabiliza as membranas das células pela ligação entre fosfatos e grupos carboxílicos de fosfolipídios e proteínas, na superfície da membrana. Na ausência de Ca, outros cátions podem ocupar os sítios de ligação como o K, Na (estresse salino), H+ e Al (em níveis tóxicos), prejudicando a permeabilidade das membranas. O efeito protetor do Ca na membrana é mais proeminente sob condições de estresse com baixas temperaturas e aerobiose. Como pode ser observado o Ca fornece a ideal permeabilidade e fluidez as membranas. É por isso que nos experimentos de absorção iônica é imprescindível o Ca na solução nutritiva. •

Balanço cátion-ânion e osmorregulação

Nas células vacuoladas das folhas, uma grande proporção do Ca está localizado nos vacúolos, onde contribui para o balanço cátion-ânion, agindo como íon acompanhante para ânions orgânicos e inorgânicos. Em espécies de plantas que sintetizam preferencialmente oxalato em resposta a redução do nitrato, a formação de oxalato de cálcio nos vacúolos é importante para a manutenção de uma baixa concentração de Ca citossólico. 78

UEM – Nutrição Mineral de Plantas A formação de oxalato de Ca é também importante para a osmorregulação das células. Assim, as plantas podem absorver grande quantidade de nitrato sem aumentar a pressão osmótica do vacúolo. Em folhas de beterraba, por exemplo, acima de 90% do Ca total está ligado a oxalato. •

Cálcio como segundo mensageiro

A função do Ca como segundo mensageiro é baseado nas concentrações muito baixas de Ca livre no citossol (0,1 a 0,2 µM) e a alta concentração em outros compartimentos. Sinais ambientais podem ativar os canais de Ca na membrana deste “pool” de cálcio e aumentar o influxo no citoplasma. Tal aumento na concentração de Ca livre no citoplasma é induzida por ABA, AIA, luz e infecção por patógenos e estresse mecânico (injúrias). Assim, o Ca pode modular a ativação de várias enzimas direta ou indiretamente. 8.6. MAGNÉSIO •

Considerações gerais

A função do magnésio na planta está relacionada com a sua capacidade para interagir com ligantes nucleofílicos (ex. grupos fosforil) através de ligações iônicas, e atuar como um elemento de ligação e ou formar complexos de diferente estabilidade. O magnésio forma um composto ternário com enzimas na qual a ligação de cátions é necessário para estabelecer uma geometria precisa entre enzima e substrato, como por exemplo a RuBP carboxilase. Uma grande proporção do magnésio total está envolvido na regulação do pH celular e no balanço cátionânion. Nas folhas a principal função do magnésio, é certamente como átomo central da molécula de clorofila. Dependendo do “status” de magnésio na planta, entre 6 a 25 % do magnésio total está ligado a molécula de clorofila. Como uma regra, outros 5 a 10% do magnésio total nas folhas está firmemente ligados a pectatos na parede celular ou precipitado como sal solúvel no vacúolo (como fosfato), e o restante 60 a 90% é extraível em água. Na maioria dos casos, o crescimento é reduzido e o sintoma visual de deficiência do magnésio ocorre quando a proporção de magnésio na clorofila excede 20 a 25 %. A semelhança do Pi, o principal local de armazenamento do magnésio é o vacúolo, que tem grande importância na homeostase do “pool” metabólico, e também no balanço cátionânion e regulação do turgor das células. Absorção – a absorção do magnésio da solução do solo é feita na forma de Mg2+. Sua absorção é reduzida em altas concentrações de cátions como o Ca2+, K+ e NH4+. Estes cátions concorrem pelo mesmo sítio ativo de absorção (inibição competitiva). 79

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Transporte – o magnésio é transportado na seiva xilemática na mesma forma absorvida, ou seja, como Mg2+. Redistriduição – embora o magnésio seja um íon divalente como o cálcio, é bastante móvel no floema. Assim, no caso de plantas deficientes, os sintomas iniciais aparecem predominantemente nas folhas velhas. Funções •

Clorofila e síntese protéica

A inserção do magnésio dentro da estrutura porfirínica como o primeiro passo da biossíntese de clorofila é caracterizada pela quelatase do magnésio, a qual necessita de ATP e magnésio. A quebra da clorofila requer duas enzimas, dequelatase do magnésio produzindo feofitina, e a clorofilase para defitilação da porfirina. O magnésio tem uma função essencial como um elemento de ligação para a agregação das subunidades do ribossomo, processo este necessário para a síntese de proteína, atividade da RNA polimerase e formação do RNA do núcleo. Nas células da folha, no mínimo 25 % da proteína total está localizada nos cloroplastos. Isto explica o porque da deficiência de magnésio afetar o tamanho, a estrutura e a função dos cloroplastos, incluindo o processo de transferência de elétrons no fotossistema II. Em plantas deficientes em magnésio, a redistribuição das folhas velhas para as novas é aumentada, e o sintoma de deficiência aparece nas folhas novas, indicando aumento na taxa de degradação de proteína, incluindo proteínas estruturais dos tilacóides. O enfraquecimento na exportação de fotoassimilados é outro fator conduzindo ao aumento na degradação da clorofila em folhas deficientes em magnésio. •

Ativação enzimática, fosforilação e fotossíntese

Há uma grande lista de enzimas e reações enzimáticas que requerem ou são fortemente promovidos pelo magnésio, por exemplo, a síntese da glutationa ou PEP-carboxilase. Para esta última enzima na presença de magnésio, o substrato PEP é ligado em maior quantidade e mais firmemente. A maioria das reações dependentes de magnésio podem ser categorizadas pelo tipo de reação, como a transferência de fosfato ( ex. fosfatases e ATPases, ou de grupos carboxil (ex. carboxilases). Nestas reações o magnésio é preferencialmente ligado ao nitrogênio e grupos fosforil como é o caso do ATP. O substrato para as ATPases, bem como para as PPiases inorgânicas é o Mg-ATP mais do que o ATP livre. O complexo Mg-ATP é formado com razoável estabilidade acima de pH 6,0. Este complexo pode ser usado pelo sítio ativo das ATPases para a transferência do grupo fosforil de alta energia (ex. ATPase ligado 80

UEM – Nutrição Mineral de Plantas a membrana). Em células meristemáticas de raízes com suficiente teor de magnésio, cerca de 90% de ATP citoplasmático é complexado ao magnésio. A síntese de ATP (fosforilação: ADP + Pi ! ATP) tem um requerimento absoluto pelo magnésio como um componente de ligação entre o ADP e a enzima. Como mostrado na Quadro 8.6, a síntese de ATP em cloroplastos isolados (fotofosforilação) é aumentada consideravelmente pelo suprimento extremo de magnésio. Outra reação chave do magnésio é a modulação da RuBP carboxilase (ribulose 1,5 bisfosfato oxidase/carboxilase – Rubisco) no estroma do cloroplasto. A atividade desta enzima é altamente dependente de magnésio e do pH. O magnésio ligando-se a enzima aumenta sua afinidade (diminui o Km) pelo substrato (C02) e a taxa de ressíntese da enzima (aumento da Vmax). Nos cloroplastos a atuação da RuBP carboxilase está relacionado ao incremento do pH e da concentração de magnésio no estroma. Durante a iluminação, os H+ são bombeados do estroma para dentro do lúmen do tilacóide, criando um gradiente de H+ no estroma requerido para a síntese de ATP. Este transporte de H+ é contrabalançado pelo magnésio do lúmen para o estroma (de 2 para 4 mM) tornando-o mais alcalino (7,6 para 8,0 em trigo). Alterações nesta magnitude no pH e na concentração de magnésio é suficiente para aumentar a atividade da rubisco e outras enzimas do estroma que dependem da concentração de magnésio e do pH (acima de 6,0). Quadro 8.6 – Efeito dos cátions no meio de incubação na fotofosforilação de cloroplastos* isolados de ervilha

Cátion no meio** de incubação

Taxa de fotofosforilação (µmol ATP formado mg-1 clorofila h-1)

Nenhum 5 mM Mg2+ 5 mM Ca2+

12,3 34,3 4,3

*Baseado em Lin e Nobel (1971). **Incubação em meio contendo ADP, Pi, e cátion como indicado Fonte: Marschner, 1997.

Outras enzimas importantes necessitam de Mg e pH a um nível ótimo, como a frutose 1,6 bisfosfofrutocinase, que regula a partição entre síntese de amido no cloroplasto e a exportação de triose fosfato. 8.7. ENXOFRE •

Considerações gerais

A assimilação do enxofre tem muitas características comuns com a assimilação do nitrato. Por exemplo, a redução é necessária para a incorporação do enxofre em aminoácidos, proteínas e coenzimas. Nas folhas verdes a 81

UEM – Nutrição Mineral de Plantas ferredoxina é o redutor do sulfato. Diferentemente do nitrato, o sulfato pode também ser utilizado sem a redução e incorporação em estruturas orgânicas tais como, sulfolipídios nas membranas ou polissacarídeos como o ágar. Também em contraste com o nitrogênio, o enxofre reduzido da cisteína pode ser convertido a sulfato, forma de armazenamento nas plantas. A oxidação de enxofre reduzido de compostos também parece ter uma importante função como um sinal (“feedback”) negativo para a redução do sulfato. Absorção – em condições aeróbicas do solo, a forma de enxofre predominante é a do sulfato (S042-), e é essa forma absorvida pelas raízes das plantas. As plantas podem absorver via foliar (via estômatos), principalmente o S02 (sulfito) atmosférico. Embora este gás seja absorvido de forma pouco eficiente, algumas plantas podem suprir grande quantidade do enxofre necessário ao seu desenvolvimento. Além do sulfato, a planta pode absorver aminoácidos contendo enxofre como é o caso da cisteína e da metionina. O Cl e o Si024 competem pelo mesmo sítio de absorção no sistema radicular. Transporte – o transporte de enxofre no xilema é predominantemente na forma de S02-4, embora dependa da proporção de enxofre reduzido e/ou assimilado no sistema radicular. Plantas como a ervilhaca podem reduzir quantidades razoáveis de sulfato no sistema radicular. Desta forma quantidade significativas de aminoácidos sulfurados e de glutationa podem ser encontrados no xilema. Redistribuição – embora o enxofre pertence a classe dos nutrientes de alta mobilidade na planta, ele é na verdade pouco redistribuído. A sua redistribuição está condicionada ao ‘status” da nutrição nitrogenada da planta. Redução e assimilação do sulfato (S042-) – nos compostos orgânicos (principal forma de enxofre nas plantas) o enxofre aparece na forma reduzida. Como a forma de enxofre absorvida pelas raízes está na forma oxidada (S02-4), este ânion divalente deve sofrer uma etapa de redução e/ou assimilação como é o caso do nitrato. O primeiro passo na assimilação do S é a ativação do íon S042- pelo ATP (Figura 8.7). Nesta reação, a enzima sulfurilase do ATP catalisa a substituição de dois grupos fosfatos do ATP por um grupo sulfuril, formando adenosina fosfosulfato (APS) e pirofosfato. Para a redução, o grupo sulfuril da APS liga-se a um tiol (-SH) de um carreador de baixo peso molecular, provavelmente a glutationa reduzida. Segue-se a transferência de elétrons da ferredoxina para a redução do grupo tiosulfato e a incorporação/assimilação do grupo -SH à cisteína. A cisteína, como primeiro produto estável formado, atua como precursor para a síntese de todos os outros compostos orgânicos sulfurados, sendo essencial para a síntese de proteínas (MARSCHNER, 1997).

82

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Coenzimas Proteína Outros

SO4 =

ATP

APS

GSH

Cisteína Acetil-Serina

AMP + PPi

GS-S

Fdox Fdred

Figura 8.7 – Rota de assimilação do enxofre em plantas superiores.

Funções metabólicas do enxofre - o enxofre é um constituinte dos aminoácidos cisteína e metionina e consequentemente de proteínas. Ambos os aminoácidos são precursores de outros compostos contendo enxofre tais como, coenzimas e produtos secundários da planta. o enxofre é um constituinte estrutural destes compostos (ex. R1 - C – S – C - R2) ou atua como grupo funcional (ex. R-SH) diretamente envolvida nas reações metabólicas. Cerca de 2 % do S orgânico reduzido na planta está presente na fração tiol (SH) solúvel em água, em condições normais o tripeptídeo glutationa ocorre em mais de 90% desta fração. O S faz parte também de constituintes estruturais de muitas coenzimas e grupos prostéticos tais como a ferredoxina, biotina (vitamina H) e a tiamina pirofosfato (vitamina B1). O grupo sulfidrilo (-SH) atua como grupo funcional de muitas enzimas e coenzimas como a urease, sulfotransferase e a coenzima A. Na rota glicolítica por exemplo, a descarboxilação do piruvato e a formação do acetil coenzima A são catalisadas por um complexo multienzimático envolvendo três coenzimas contendo enxofre: tiamina pirofosfato (TPP), ácido lipóico (sistema redox) e um grupo sulfuril de coenzima A: C02

CH3 C=0 C00H

C02 TPP, ácido lipóico CoA -SH (Complexo multienzimático)

CH3 i C=0 B

in ot

S - CoA

a

C02

Ácido Graxo

Ciclo do ácido Tricarboxílico

O grupo acetil (-C0-CH3) da coenzima A é transferido para o ciclo do ácido tricarboxílico ou para a síntese de ácido graxo. O acoplamento das unidades de dois carbonos (acetil) requer carboxilação transiente, que é mediado por outra coenzima contendo S chamada biotina é ativada por Mn2+. A cisteína, tem um efeito particular na estrutura e função das proteínas. A formação reversível da ligação dissulfídica entre os resíduos adjacentes de cisteína na cadeia 83

UEM – Nutrição Mineral de Plantas polipeptídica é de fundamental importância na estrutura terciária e consequentemente na função das enzimas. As ferredoxinas são proteínas contendo Fe-S, de baixo peso molecular, contendo uma alta proporção de unidades de cisteína. As ligações entre Fe-S conferem ao composto um potencial redox altamente negativo (-0,43 V), podendo desta forma reduzir grande quantidade de compostos no metabolismo da planta como, por exemplo o nitrito através da Redutase do Nitrito (RNi), o sulfato através da Redutase do Sulfato, redução do N2 pela Nitrogenase e o NADP+. Os mais importantes compostos contendo S do metabolismo secundário são as aliínas e os glicosinolatos. Estes compostos voláteis dão o cheiro característicos que se desprende de alguns produtos como a cebola, alho e mostarda. Estes produtos parecem ser importantes na defesa das planta, embora não haja consenso neste sentido. O enxofre em sua forma não reduzida (éster sulfato) é um componente de sulfolipídios, constituinte estrutural de todas as membranas biológicas. O sulfato é ligado aos lipídios por uma ligação éster, como por exemplo a glicose. Aproximadamente 5% dos lipídios do cloroplasto são sulfolipídios. Os sulfolipídios podem também estar envolvidos na regulação do transporte de íons através das biomembranas, e na tolerância a sais.

84

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

9. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES MINERAIS: MICRONUTRIENTES 9.1. FERRO •

Considerações Gerais

Em sistemas aerados mantidos na faixa do pH fisiológico, a concentração de Fe e Fe2+ está abaixo de 10-15 M. No solo a forma predominante de Fe solúvel se encontra como quelatos de Fe3+ e ocasionalmente Fe2+. O Fe, como um elemento de transição, é caracterizado pela relativa facilidade pela qual altera seu estado de oxidação, 3+

Fe3+

Fe2+

e pela habilidade para formar complexos octaédricos com vários ligantes. Dependendo do ligante, o potencial redox do Fe varia amplamente. Esta variabilidade fornece uma importância especial aos sistemas redox. A alta afinidade do Fe por vários ligantes (ex. ácidos orgânicos e fosfato inorgânico), é importante para o transporte a curta distância nas plantas. Em sistemas aeróbicos, muitos quelatos de Fe de baixo peso molecular, e o Fe livre em particular (Fe3+ e Fe2+) são mais efetivos na produção de radicais oxigênio, hidroxila e compostos relacionados, como por exemplo: 02 + Fe2+ ! 02- + Fe3+ ou reação de Fenton, H202 + Fe2+ ! Fe3+ + 0H + 0H. Estes radicais são responsáveis pela peroxidação de ácidos graxos poliinsaturados de membranas lipídicas. Para evitar danos oxidativos o Fe deve estar firmemente ligado ou incorporado em estruturas o que permite controlar reações de oxirredução reversíveis, incluindo aquelas na proteção contra compostos oxidantes. Absorção - as formas Fe2+ , Fe3+ ou com quelado (complexado) predominam na solução do solo. Nos sistemas arejados e no pH fisiológico o Fe provavelmente encontra-se na forma de quelato-Fe3+. A forma trivalente (Fe3+) possui grande resistência para atravessar a membrana plasmática. Assim, a principal forma absorvida e utilizada no metabolismo da planta e a ferrosa (Fe2+). Para isso o elemento que se encontra no solo na forma trivalente (Fe3+) deve ser reduzida a forma divalente (Fe2+). O Fe3+ é normalmente reduzido a Fe2+ na membrana plasmática pela doação de elétrons ao Fe3+ transformando-o em Fe2+, facilitando assim a absorção deste elemento. As gramíneas utilizam estratégias de absorção diferentes das não-gramíneas. 85

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Observa-se na prática que quando as plantas estão sob deficiência de Fe, excretam substâncias capazes de reduzir o Fe3+ para Fe2+ facilitando sobremaneira a absorção pelos motivos já citados. Altas concentrações de cátions, principalmente Mn (solos ácidos) podem inibir competitivamente a absorção de Fe, com subsequente aparecimento de sintomas de deficiência nas plantas. Transporte – o Fe é transportado via xilema para a parte aérea na forma complexada com ácido cítrico (Fe+++-citrato). Redistribuição – o Fe possui pouca mobilidade na planta. Desta forma é comum no caso de deficiência do elemento, o aparecimento de sintomas inicialmente nas folhas novas, progredindo para a toda planta dependendo da severidade da deficiência. Nas folhas verdes, 80% do Fe está localizado nos cloroplastos na forma de fitoferretina (Fe0.0H)8 . Fe0.0P03H2), servindo como reserva no estroma dos cloroplastos. Funções • Como constituinte de vários sistemas redox O Fe possui grande capacidade redox (Fe3+ Fe2+) o que o torna importante nos processos de oxirredução no metabolismo da planta. Participa na reação de uma grande quantidade de enzimas. Faz parte como hemoproteína de enzimas importantes como as citadas abaixo: - Citocromos – importante na transferência de elétrons na respiração e na fotossíntese. - Catalase – faz a transformação (dismutase) do peróxido de hidrogênio (H202), tóxico as plantas, em água e oxigênio. Reação: 2H20 → 2 H20 + 02 - Peroxidases - a exemplo da catalase transforma compostos tóxicos em água. Reação: XH2 + H202 → X + 2H20 - Leghemoglobina – encontrada principalmente nos nódulos de leguminosas, possui importante papel em manter baixas tensões de oxigênio próximo a enzima Nitrogenase, evitando assim a inibição de sua atividade (02 + 2H2 + e- ! H20) As hemoproteínas nada mais são do que enzimas que apresentam o grupo heme (complexo Fe-porfirina) como grupo prostético. 86

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Além da hemoproteínas, o Fe faz parte de proteínas contendo enxofre chamadas proteínas Fe-S, as quais são importantíssimas no metabolismo da planta. Um exemplo importante deste grupo é a ferredoxina, que catalisa a transferência de elétrons em um grande número de processos metabólicos, como na fotossíntese, na fixação biológica do N2, na redução, do sulfato e na redutase do nitrato (N03- ! N02-). -

Síntese de clorofila e de proteína

Como regra, a deficiência de Fe tem muito menos efeito no crescimento da folha, números de células por unidade de área ou no número de cloroplastos por célula do que no tamanho do cloroplasto e conteúdo de proteína. Somente com a deficiência severa de Fe há inibição da divisão celular, e consequentemente redução no crescimento foliar. O Fe é requerido na síntese protéica e o número de ribossomos (sítio de síntese de proteínas) é reduzido nas células das folhas deficientes em Fe. A deficiência afeta mais a síntese de proteína no cloroplasto do que no citoplasma. Na membrana do tilacóide, os átomos de Fe estão diretamente envolvidos. O alto requerimento de Fe para manter a integridade funcional e estrutural da membrana do tilacóide, o adicional requerimento deste elemento para a ferredoxina e na biossíntese de clorofila, explica a alta sensibilidade dos cloroplastos e dos tilacóides a deficiência de Fe ( Figura 9.1).

Figura 9.1 – Estrutura fina de cloroplastos em plantas de soja suficientes (acima) e deficientes em ferro (abaixo). (MARSCHNER, 1997). Na síntese de clorofila o Fe é indispensável em duas etapas ; a) na síntese do delta-aminolevulínico (ALA) e na formação do protoclorofilídio, que na presença de luz produz a clorofila propriamente dita (Figura 9.1.1). 87

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

Figura 9.1.1 – Função do ferro na biossíntese da clorofila.

9.2. MANGANÊS •

Considerações Gerais

O Mn pode existir em vários estados de oxidação. No solo as principais são Mn2+ e Mn3+ e está em grande parte (90%) complexado à compostos orgânicos. A sua disponibilidade no solo aumenta com a acidez devido a maior solubilidade dos compostos contendo Mn, e diminui com o decréscimo do potencial de oxirredução do solo, como por exemplo em alagamento, onde ocorre a solubilização de óxidos de Mn, podendo causar toxicidade as plantas. Absorção – o manganês é absorvido pelo sistema radicular na forma divalente (Mn2+), provavelmente com gasto de energia metabólica, portanto, ativamente. A absorção do Mn é inibida competitivamente na presença de altas concentrações de cátions. Transporte – o transporte do manganês via xilema ocorre na mesma forma que é absorvida (Mn2+). Redistribuição – recentes publicações colocam o Mn como um elemento de baixa mobilidade, como é o caso do Ca. Os sintomas de deficiência do elemento ocorre primeiro nas folhas mais novas. 88

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Funções As funções bioquímicas do Mn são semelhantes ao do Mg, entretanto, a concentração do Mg é aproximadamente 100 vezes maior do que a concentração do Mn. -

Fotoxidação da água

Juntamente com o Cl o Mn desempenha função essencial na fotoxidação da água dentro do lúmen do cloroplasto durante a fase fotoquímica do processo fotossintético (Figura 9.2).

e4 Mn+3

2H2O

Manganoproteína

4H+ + O2

Fotosistema II 4e -

hv

4 Mn+2

"evolução Figura 9.2 – Esquema mostrando a importância do Mn na fotoxidação da água no fotossistema II. A deficiência de Mn na planta reduz o fluxo de elétrons do fotossistema II (FS II) para o fotossistema I (FS I ), ocasionando como conseqüência a redução na produção de compostos redutores (ATP e NADPH) que seriam utilizados na fixação de C02 na fase bioquímica. Com a redução da produção de ferredoxina, além da fase bioquímica da fotossíntese, outros processos relacionados com esta proteína são drasticamente prejudicados, como por exemplo a redução do nitrato e do sulfato. -

Ativador enzimático

O Mn é o grupo prostético de várias isoformas de Superóxido Dismutase (SOD) que protegem os cloroplastos dos efeitos danosos dos superóxidos, como demostrado abaixo, gerados durante a fotossíntese e outros processos metabólicos. As reações mais comuns podem ser observadas abaixo: 02 + e- ! 02- (superóxido) 02- + 02- + 2H+ __ Mn SOD! ! H202 + 02 89

UEM – Nutrição Mineral de Plantas H202 __ Catalase !2 H20 + 02 Como ativador metálico o Mn possui importante papel nas enzimas málica e na desidrogenase do isocitrato. Malato + NADP+ __ Enzima Málica !Piruvato + NADPH + HC02 Isocitrato + NADP+ __ DHI ! AOA + NADPH + H+ + C02 -

Sintese de Proteína

O Mn ativa a Polimerase do RNA, e é constituinte estrutural dos ribossomos. Assim, a deficiência deste elemento na planta vai ter efeito negativo na síntese de proteínas e na multiplicação celular. - Metabolismo de fenóis O Mn é requerido em várioas passos na biossíntese de lignina. Plantas deficientes deste elemento principalmente no sistema radicular, é um importante fator da baixa resistência das raízes a agentes patogênicos. -

Alongamento e divisão celular

A inibição do crescimento radicular em plantas deficientes em Mn é causado pela falta de carboidratos bem como pelo requerimento direto para o crescimento. Na deficiência de Mn o alongamento é mais afetado do que a divisão celular. 9.3. COBRE •

Considerações Gerais

O cobre se encontra no solo basicamente na forma divalente (Cu2+) e possui grande capacidade de ligar-se a ácidos húmico e fúlvico. Mais de 98% do cobre na solução do solo está complexado como quelato com compostos orgânicos como aminoácidos, compostos fenólicos e outros quelantes. O cobre participa de várias reações de oxirredução (Cu2+ Cu+), sendo o Cu+ muito instável. Absorção – as raízes das plantas absorvem o cobre na forma divalente (Cu2+). Transporte – mais de 99% do Cu na seiva xilemática é transportado complexado com aminoácidos e até proteínas (quelado).

90

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Redistribuição – a redistribuição do cobre via floema é baixa, mas depende da quantidade do elemento no tecido. Plantas bem supridas com cobre redistribuem com maior facilidade do que plantas com deficiência deste elemento. Neste último caso, os sintomas de deficiência aparecem primeiro nas folhas novas. Funções -

Contituinte de molécuas de proteína

Três diferentes formas de proteínas existem na qual o Cu é o componente metálico (Cu-proteína); a) “proteínas azuis” sem atividade oxidade (ex.: plastocianina) que funcionam na transferência de elétrons; b) “proteínas não azuis” as quai representam as peroxidases e, c) proteínas multicores que contêm no mínimo 4 átomos de Fe por molécula que atuam como oxidases e catalizam a reação, 2AH2 + 02 ! 2A + 2H20 A citocromo oxidase é uma proteína que contém ferro e cobre e catalisa a oxidação terminal na cadeia transportadora de elétrons na mitocôndria. Plantas deficientes em cobre possui a taxa fotossintética reduzida por vários motivos. Mais de 50% do Cu localizado nos cloroplastos estão ligados a plastocianina, que faz a transferência dos elétrons do citocromo b6/f para o fotossistema I na fase fotoquímica da fotossíntese. Esta fase é comprometida nas plantas deficientes deste elemento (Quadro 9.3) Quadro 9.3 – Efeito do cobre sobre o conteúdo de pigmentos e transporte fotossintético de elétrons no FSI e II, em cloroplastos de espinafre

Tratamento

Clorofila

Pigmento -1 (µg g folha seca) Carotenóides Plastoquinona

Plastocianina -1 (n átomosmg clorofila)

Atividade Relativa FS FSII FSI

+Cu

1.310

248

106

5,16

100

100

- Cu

980

156

57

2,08

66

22

Fonte: Baszynski et al (1979), em MARSCHNER (1997)

O Cu está também envolvido na enzima Cu-Zn Superóxido Dismutase (CuZnSOD) que está diratemente envolvida no mecanismo de detoxificação do superóxido gerado na fotossíntese. Esta enzima está localizada além dos cloroplastos, na mitocôndria e nos glioxissomos. Neste último, a CuZnSOD tem a função de controle da peroxidação dos lipídios na membrana, e portanto, na senescência. 91

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Outras enzimas importantes em que o Cu faz parte é a Ascorbato Oxidase, a Lacase (responsável pela síntese de plastoquinonas) e a Fenolase (responsável pela síntese de lignina, alcalóides e outras). -

Metabolismo de carboidratos

Como descrito anteriormente, o Cu afeta a síntese de plastocianina, por conseguinte afeta a síntese de carboidratos pelos motivos já expostos. -

Nodulação e fixação de nitrogênio

No processo de fixação biológica de nitrogênio, os rizóbios necesitam de carboidratos para que ocorrea o processo simbiótico. Como a deficiência de Cu, reduz o suprimento de carboidratos para as raízes, há o comprometimento tanto da nodulação como da fixação do nitrogênio. Há necessidade de Cu para a síntese de leghemoglobina e atividade do citocromo oxidase na respiração do bacterióide. -

Lignificação das paredes celulares

A redução na lignificação da parece celular é a mais típica alteração anatômica induzida por deficiência de Cu em plantas superiores. Este efeito na lignificação é mais distinto nas células esclerenquimáticas do tecido do colmo (Figura 9.3).

Figura 9.3 – Seção do colmo de girassol crescido com suprimento suficiente de Cu ( 50 µg Cu l-1) e sem suprimento de Cu. (Acima) Suficiente em Cu; as células da paredes estão grossas e lignificadas. (Abaixo) Deficientes em Cu; as células do esclerênquima são finas e não lignificadas. MARSCHNER (1997).

92

UEM – Nutrição Mineral de Plantas

A inibição da lignificação, em tecidos deficientes em cobre, está relacionada com uma função direta em no mínimo, duas enzimas contendo Cu na biossíntese da lignina. A polifenol oxidase catalisa a oxidação de fenólicos como precursor da lignina e, a diamina oxidase produz o H202 requerido para a oxidação pelas peroxidases. Em tecidos deficientes em Cu, não somente a atividade das enzimas diminuem, mas também há acúmulo de compostos fenólicos como pode ser observado abaixo. H - C - COOH C ÁCIDO p -CUMARICO

+ o2

LIGNINA Fenolase La case

OH

-Cu acúmulo de fenóis

-

Formação de pólen e fertilização

A deficiência de Cu afeta mais a formação de grãos, sementes e frutos do que o crescimento vegetativo propriamente dito. A principal razão do decréscimo na formação de órgãos gerativos é a formação de pólens não viáveis em plantas deficientes em Cu. O estádio crítico da deficiência de Cu induzindo a esterilidade do pólen é na macrosporogênese. A alteração em plantas deficientes é também refletido na falta de reserva de amido no grão de pólen. Assim, o adequado suprimento de Cu é importante para garantir a fertilizacão e consequentemente a produção final de frutos e sementes.

9.4. ZINCO •

Considerações Gerais

O Zn nos solos de regiões tropicais encontra-se em grande proporção adsorvido na matéria orgânica e argila. Sua disponibilidade no solo reduz com o aumento do pH do solo. A prática da calagem nos solos ácidos como os do cerrado agrava o problema de deficiência do elemento. Sintomas de deficiência de Zn (clorose internerval nas folhas) é comum ser observado na cultura do milho principalmente em solos sob o cerrado. Na planta como em outros sistemas biológicos, o Zn existe somente como Zn2+, e não faz parte de reações de oxirredução. A função metabólica do Zn 93

UEM – Nutrição Mineral de Plantas é baseada na forte tendência em formar complexos tetraédricos com o N, 0 e principalmente com ligantes contendo enxofre. Assim, o Zn tem função estrutural e funcional em reações enzimáticas. Absorção – o Zn é absorvido pelas raízes das plantas na forma divalente (Zn2+), embora em pH mais alto este elemento pode ser absorvido na forma de hidróxido de Zn (Zn0H+). A maioria dos trabalhos indicam que o Zn é absorvido ativamente, portanto, com gasto de energia metabólica. O Zn possui antagonismo principalmente com Cu2+ e P. Altas concentrações de fósforo formam complexos com o Zn (P-Zn) e precipitam, além de inibir de maneira não competitiva a absorção do Zn. Transporte – o Zn é transportado via xilema em duas formas; complexada com ácidos orgânicos (ex. citrato, malato) e na forma livre como cátion divalente (Zn2+). Redistribuição – a redistribuição do Zn na planta é feito na forma complexada com solutos orgânicos de baixo peso molecular. Sua redistribuição depende fundamentalmente da disponibilidade de Zn na planta. Como é um nutriente mineral de mobilidade intermediária, a sua deficiência na planta causa primeiramente sintomas de deficiência nas folhas jovens. Funções •

Atividade de várias enzimas

O Zn funciona como grupo prostético de várias enzimas importantes no metabolismo da planta como por exemplo: - Desidrogenase Alcóolica – esta enzima contém dois átomos de zinco, um com função catalítica e o outro com função estrutural. Esta enzima catalisa a redução do acetaldeído a etanol. NADH

C0 C022 Piruvato

Acetaldeído

NAD+

Etanol

- Anidrase Carbônica Esta enzima contém um simples átomo de Zn e catalisa a hidratação de C02, como segue: C02 + H20

HC03- + H+ 94

UEM – Nutrição Mineral de Plantas A Anidrase Carbônica (AC) está localizada tanto no citoplasma como nos cloroplastos. Nas plantas C4 ela possui grande importância. Transforma o C02 nas células do mesófilo em HC03- que é o substrato para a PEP-carboxilase produzir compostos orgânicos de 4 carbonos (malato ou aspartato), os quais são transportados para as células da bainha do feixe celular, onde a AC atua novamente transformando o HC03- em C02 que é substrato da RuBP carboxilase (Rubisco). - Superóxido Dismutase (CuZnSOD) Esta enzima está associada com o cobre e sua função já foi discutida anteriormente . A deficiência de Zn reduz a atividade da SOD, ocorrendo aumento na produção de 02- (superóxido). Este radical tóxico, é o principal motivo responsável pela peroxidação de lipídios e no aumento da permeabilidade de membranas. O Zn protege os grupos SH das membranas. O Zn a semelhança do Mn é um constituinte e essencial para a manutenção da integridade estrutural dos ribossomos. A função do Zn no metabolismo do RNA e DNA, na divisão celular e na síntese de proteínas, é documentado por vários anos, mas somente recentemente tem-se identificado essa classe de proteína contendo Zn (Metaloproteína-Zn), a qual está envolvida na replicação do DNA, transcrição e tradução e por consequência na regulação da expressão gênica. Para a tradução, o Zn é requerido nesta proteína para ligar ao gene específico para formar os complexos tetraédricos, com os resíduos de aminoácidos da cadeia polipeptídica. Em plantas deficientes em Zn ocorre redução drástica na síntese de proteína e no conteúdo total da planta enquanto os aminoácidos acumulam-se. Isto é decorrência de basicamente 4 causas: a) o Zn é um componente estrutural dos ribossomos e essencial para sua integridade estrutural; b) na ausência de Zn, os ribossomos desintegram-se (há rápida ressíntese dos mesmos quando a planta é suprida com Zn); c) o Zn regula a atividade da Rnase, que ativa a desintegração do RNA, e por último o Zn é um componente da RNA polimerase que sintetisa o RNA a partir da polimerização dos nucleotídeos. Resultados ilustrativos do exposto acima podem ser observados no Quadro 9.4. Quadro 9.4 – Efeito do Zn sobre o crescimento, atividade de RNAse e N-protéico em Glycine wighii Mat. fresca Ativ. Rnase N-protéico (% Zn (mg l-1) -1 (g planta. ) (%)* Mat. fresca) 0,005 0,01 0,05 0,10

4,0 5,1 6,6 10,0

74 58 48 40

1,82 2,25 2,78 3,65

* porcentagem de hidrólise do substrato RNA. Fonte: Johnson & Simons (1979), em MARSCHNER (1997).

95

UEM – Nutrição Mineral de Plantas -

Síntese de ácido indolacético (AIA)

O mais distinto sintoma da deficiência de Zn que é a redução do crescimento e formação de folhas pequenas, estão relacionadas aos distúrbios no metabolismo de auxinas, AIA em particular. Em plantas de tomates deficientes, a redução no alongamento está correlacionado com o decréscimo no nível de AIA, e a retomada ao crescimento normal e aumento no nível de AIA pode ser observada após o suprimento do Zn a planta. O baixo nível de AIA e, plantas deficientes em Zn pode ser o resultado da inibição da síntese ou aumento da degradação do AIA. O triptofano é o precursor comum para a biossíntese de AIA como mostrado abaixo. CH2 - COOH

CH2 - CH - COOH N

H

Sinte t ase do Triptofano

Indol

-

NH2 N N

H

Triptofano

H

AIA

Metabolismo de carboidratos

Muitas enzimas dependentes de Zn estão envolvidas no metabolismo das folhas em particular. Além da função na reação da anidrase carbônica (AC) o Zn é requerido, por exemplo, para a atividade das enzimas chaves como na frutose 1,6 bisfosfatase e na aldolase, que produzem a frutose-6-fosfato e as trioses fosfatos (gliceraldeído-3-fosfato e a diidroxiacetona-fosfato), respectivamente, durante o processo fotossintético. O declínio na atividade da AC em folhas deficientes em Zn é a mais sensível e óbvia alteração na atividade enzimática no metabolismo de carboidratos.

9.5. MOLIBDÊNIO •

Considerações Gerais

O molibdênio (Mo) ocorre na solução do solo como molibdato (Mo042-) e na sua forma mais oxidada (HMo04-) . É um dos micronutrientes menos abundante no solo e o requerimento pelas plantas, é menor do que para outros nutrientes minerais, com exceção ao níquel. A sua disponibilidade no solo aumenta com o aumento do pH. Assim, a calagem pode resolver ou corrigir a deficiência deste micronutriente no solo. As funções do Mo na nutrição das plantas estão relacionadas com a alterações nas valências como componente metálico nas enzimas. No estado oxidado o Mo está como MoVI, e pode ser reduzido a MoV e MoIV. 96

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Nas plantas superiores poucas enzimas contêm Mo como cofator. Nestas enzimas, o Mo tem uma função catalítica e estrutural e está diretamente envolvido em reações redox. Estas enzimas são a Redutase do Nitrato, a Nitrogenase, a Xantina Oxidase/Desidrogenase e possivelmente a Redutase do Sulfito. Assim, as funções do Mo estão inteiramente relacionada ao metabolismo do nitrogênio. Absorção – o Mo é absorvido do solo predominantemente na forma Mo042(pH acima de 5,0), provavelmente de forma ativa. A absorção e o transporte são aumentados (efeito sinérgico) na presença de H2P04-, provavelmente pelo deslocamento do Mo das zonas de absorção no solo. Já a presença de sulfato (S042-) tem efeito inibitório na absorção do molibdato ( Mo042-). Transporte – o transporte a longa distância o Mo é prontamente móvel, tanto no xilema como no floema. A forma pelo qual o Mo é transportada é desconhecida, mas as propriedades químicas indicam que ele é mais transportado na forma Mo042- do que na forma complexada com aminoácidos ou açúcares. Redistribuição – o Mo é redistribuído possivelmente como Mo042-, e sua mobilidade no floema é intermediária. Funções •

Constituinte enzimático a) Nitrogenase

A nitrogenase é a enzima chave para todos os microrganismos que fixam nitrogênio. Esta proteína possui em sua estrutura Mo, Fe e S. Em solos deficientes, a aplicação do Mo estimula o crescimento das plantas pelo aumento da fixação de N2. A resposta no peso seco com o aumento na disponibilidade do Mo é espetacular e, reflete indiretamente o aumento na capacidade de fixação de N2 causado por este nutriente mineral. A aplicação do micronutriente junto as sementes de leguminosas na semeadura, ou mesmo na adubação foliar, tem dado boas respostas na produção. Em solos com baixas disponibilidade de Mo, o efeito da aplicação do Mo depende de como o N é aplicado. Como mostrado na Quadro 9.5, o Mo aplicado tanto em plantas de soja noduladas, como nas não noduladas, aumentam o conteúdo e a produção de grãos somente nas plantas noduladas, com ou sem o suprimento de N (como fertilizante). Isto demonstra que nos solos com baixa disponibilidade de Mo é possível substituir a aplicação do fertilizante N, para leguminosas pela aplicação deste micronutriente combinado com a infecção de rizóbios.

97

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Quadro 9.5 – Efeito do suprimento dos fertilizantes N e Mo no conteúdo de N foliar e produção de sementes de plantas* de soja noduladas e nãonoduladas Não-nodulado (kg N ha-1) Tratamento (g Mo ha-1) Nitrogênio (% PS folha) Prod. Sem. (t ha-1)

Nodulado (kg N ha-1)

0

67

134

201

0

67

134

201

0

3,1

4,6

5,3

5,6

4,3

5,1

5,4

5,6

34

3,6

4,7

5,3

5,6

5,7

5,5

5,6

5,6

0

1,71

2,66

3,00

3,15

2,51

2,76

3,08

3,11

34

1,62

2,67

2,94

3,16

3,05

3,11

3,23

3,13

*As plantas foram crescidas em solo com pH 5,6. Baseado em Parker e Harris (1977).

b) Redutase do Nitrato A Redutase do Nitrato (RN) é um enzima dímera que contém 3 grupos prostéticos que transferem elétrons; uma flavina (FAD), heme e Mo. Durante a redução do N os elétrons são transferidos diretamente do Mo para o nitrato (N03-) formando N02-. Plantas deficientes em Mo acumulam nitrato e podem apresentar deficiência de N. Nesta situação, tanto o teor de clorofila como o crescimento da planta são reduzidos.

9.6. CLORO •

Considerações Gerais

O cloro ocorre na solução aquosa como íon monovalente (Cl-). Nas plantas o Cl ocorre principalmente como um ânion livre ou pobremente ligado aos sítios de troca. O cloro supre as plantas de várias maneiras, como por exemplo pela reserva do solo, água de irrigação, chuva, fertilização e poluição do ar. É comum verificar-se mais sintomas de toxicidade do elemento do que deficiência. Absorção – como mencionado anteriormente o Cl pode suprir a planta de várias maneiras. A absorção via radicular da solução do solo ocorre como Cl-, entretanto, a planta pode suprir grande parte de sua deficiência pela absorção via foliar (poluição do ar, contaminantes, chuva, etc...) Transporte e redistribuição – o cloro é transportado e redistribuído pela planta na mesma forma pela qual é absorvida, ou seja, como Cl-. Como o Cl na 98

UEM – Nutrição Mineral de Plantas planta, praticamente não fica preso a compostos, ele é facilmente redistribuído no floema Funções •

Evolução de 02 na fotossíntese

Desde de 1946 sabe-se da importância do cloro no sistema de quebra da molécula da água durante o fluxo de elétrons na fase fotoquímica da fotossíntese.

O2

H2O

eFS II M++ n , Cl-

FS I

e-

Desde este tempo o envolvimento do cloreto na quebra da água no sítio de oxidação do FSII (também chamado complexo de evolução do oxigênio – CEO) para a evolução do 02 tem sido confirmado por vários estudos em fragmentos de cloroplastos. O cloro pode atuar como ligante para a estabilização do estado de oxidação do Mn, ou como componente de polipeptídeos associados. Os vários polipeptídeos ligados ao FSII, fornecem cargas para a ligação do cloro, e o cloro em contrapartida, protege os polipeptídeos contra a dissociação. É de bom senso esperar que com a deficiência deste elemento, o fluxo de elétrons é prejudicado, e em conseqüência a fotofosforilação (produção de ATP), bem como a produção de NADPH que seria utilizado na fixação do C02 na fase bioquímica da fotossíntese. •

Atividade da H+-ATPase no tonoplasto

As H+-ATPases e PPiases são estimuladas por vários cátions e ânions. Estas bombas são muito importantes para a regulação do pH celular e na absorção de íons, no sistema radicular. Enquanto a H+-ATPases da membrana plasmática é estimulada por cátions monovalentes (K+ principalmente) a H+ATPase do tonoplasto (membrana vacuolar) não é afetada por cátions monovalentes mas sim por Cl. O efeito do Cl no estímulo da H+-ATPase do tonoplasto pode ser observada na Quadro 9.6. •

Regulação estomática

O cloro pode ter uma função essencial na regulação estomática. A abertura e o fechamento dos estômatos é mediado pelo fluxo de K+ e ânions acompanhantes tais como o malato e o cloro. (Cl-). O descontrole na regulação estomática em palmeiras é o principal fator causando supressão do crescimento e sintomas de murcha em plantas deficientes em Cloro. 99

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Quadro 9.6 – Efeito dos sais na bomba próton ATPase de vesículas* do tonoplasto Sal (10 mM do íon monovalente) Nenhum íon monovalente KCl (controle) NaCl NaBr KN03 K2S04

Estímulo da ATPase (% do controle) 10 100 102 87 21 3

*Baseado em Mettler et al. (1982).

9.7. BORO •

Considerações Gerais

A principal fonte de boro no solo é a matéria orgânica (M.O). Solos intemperizados e com baixos teores de matéria orgânica, obviamente são deficientes em B. Na solução do solo, em pH menor que 7,0, o B se encontra como ácido bórico (H3B03), forma esta não dissociada. A nutrição do B na nutrição das plantas é ainda o menos conhecido de todos os elementos minerais. O requerimento de B por dicotiledôneas é muito maior do que para gramíneas. Este fato explica o porquê da deficiência de B em cereais ser menos comum. O boro não é constituinte enzimático nem há evidências convincentes que este microelemento afete a atividades enzimática. Há uma longa lista de funções postuladas do B, como por exemplo; a) no transporte de açúcares; b) no metabolismo do RNA; c) respiração; d) na síntese do AIA; e) metabolismo fenólico; f) membranas; g) síntese de parede celular; h) na lignificação; e i) estrutura da parede celular. Esta longa lista pode indicar, que (a) o B está envolvido em um número de rotas metabólicas, ou (b) como efeito “cascata”, como é conhecido por exemplo para os fitormônios. Há atualmente grandes evidências para a última alternativa, que a função primária do B é na biossíntese e estrutura da parede celular e na integridade da membrana plasmática. Absorção – a absorção do B está relacionada ao pH e da concentração externa do elemento. No pH fisiológico é absorvido como ácido bórico (H3B03). provavelmente passivamente pela baixo componente ativo, opondo pequena resistência à membrana plasmática. Transporte – o B é transportado também na forma H3B03, e a ascensão na seiva xilemática é governada principalmente pela transpiração. 100

UEM – Nutrição Mineral de Plantas Redistribuição – recentes pesquisas demonstram que o B pode ser redistribuído no floema em quantidades consideráveis, ao contrário do que se pensava. Isto se deve pela grande transferência lateral do ácido bórico do xilema para o floema, uma vez que o H3B03 não possui (ou possui em pequena proporção) resistência em passar pela membrana plasmática, por estar na forma não dissociada, portanto, comporta-se como uma molécula. A nova classificação coloca o B como um elemento de mobilidade intermediária e não como elemento de baixa mobilidade. Funções •

Complexos de boro com estruturas orgânicas

O ácido bórico tem grande capacidade para formar complexos com dióis e polióis particularmente com cis-diol, como mostrado abaixo:

= C - OH = C - OH

+ H3BO3

OH

=C-O =C-O

B

H+ + H2O

OH

+ = C - OH = C - OH =C-O =C-O

O-C= B O-C=

H+ + H2O

Estes complexos cis-diol são requeridos para a formação de complexos como: açúcares e seus derivados ( manitol e mananas), que são constituintes de frações de hemicelulose e de parede celular. Em contraste, a glicose, frutose, galactose e seus derivados (ex. sacarose) não possuem configuração cis-diol e, por isso, não formam complexos boratos estáveis. Outras substâncias importantes possuem conformação cis-diol formando complexos estáveis com borato, como o ácido caféico e ácido hidroxiferrúlico, ambos compostos difenólicos, precursores da síntese de lignina em dicotiledôneas. Verifica-se assim, que as funções do B, de maneira geral, estão relacionadas a sua capacidade de formar ésteres “cis-diol” com substratos, membranas, etc.

101

UEM – Nutrição Mineral de Plantas •

Síntese e transporte de carboidratos

O B pode facilitar o transporte de açúcares através da membrana pela formação de complexos açúcar-borato. Esta combinação diminui a resistência da membrana plasmática permitindo que os açúcares sejam transportados com maior facilidade. O B ainda é indispensável para a síntese da uracila, precursora direta da uridina difosfato glicose (UDPG). A UDPG, por sua vez, é um dos precursores da sacarose, principal forma de açúcar (não redutor) transportada na planta. Em conseqüência ao exposto anteriormente, a redução do “status” de B na planta pode ocasionar redução no transporte e na síntese de carboidratos. •

Metabolismo de ácidos nucléicos e síntese de proteínas

A redução do suprimento de B, acarreta diminuição na síntese de uridina (item anterior), que traz como conseqüência queda na síntese de RNA e de DNA, afetando diretamente a síntese de proteína. •

Síntese da parede celular

A parede celular de plantas deficientes em B é alterada drasticamente tanto à nível macroscópico (rachadura do colmo, desordem do talo oco), como à nível microscópico. O diâmetro da parede celular e a proporção do peso da matéria seca total aumenta em tecidos deficientes em B. A parede celular primária não é plana mas caracterizado por deposições de agregações vesiculares misturadas com material membranoso. Há grande concentração de substância pécticas e grande proporção de incorporação de glicose em B-1,3 glucano, o principal componente da calose, que acumula-se na seiva dos tubos das plantas deficientes em B, reduzindo assim, o transporte no floema. Em raízes de tomate as irregularidades ocorrem após 8 horas da falta do elemento, indicando que o B não só se complexa fortemente com os constituintes da parede celular, mas também é requerido para a integridade estrutural pela formação de ésteres cis-borato. As dicotiledôneas possuem maior proporção de compostos com a configuração cis-diol nas parede celulares, principalmente hemicelulose e precursores da lignina do que as monocotiledôneas. Nas primeiras (ex. girassol) é superior a 30 µg g-1 de matéria seca, enquanto que em monocotiledôneas (ex.: milho) varia de 3 a 5 µg g-1 de matéria seca. Admite-se que as funções do B à nível de parede celular, são semelhantes as do Ca, uma vez que ambos regulam a síntese e a estabilidade dos constituintes celulares, inclusive da membrana plasmática. •

Síntese de AIA e crescimento da planta

Na deficiência de B ocorre rápida paralisação do crescimento dos meristemas apicais da planta. Há estreita correlação entre a atividade da oxidase 102

UEM – Nutrição Mineral de Plantas do AIA, que controla o nível de AIA no tecido, com a elongação radicular em tecidos deficientes do micronutriente. Assim, a paralisação do crescimento dos meristemas apicais em plantas deficientes em B é resultado da menor elongação e da acumulação de níveis tóxicos de AIA. •

Germinação do pólen e do crescimento do tubo polínico

Nas flores a demanda de B para o crescimento do tubo polínico é fornecido pelo estigma ou pelo tecido. No milho um mínimo de B de 3 µg g-1 de matéria seca é requerido no tecido para a germinação e fertilização. O nível de deficiência crítica no estigma, pode variar consideravelmente entre cultivares e espécies. O alto nível de B no estigma e no estame é necessário para a inativação fisiológica da calose da parede do tubo polínico pela formação de borato-calose e síntese de fitoalexinas (incluindo fenóis), no estigma e estilete, como mecanismo de defesa similar a infecção microbiana. Em particular a função do B no crescimento do tubo polínico é o principal fator responsável pela alta demanda de B para a produção de grãos e sementes, o que o torna mais importante do que para o crescimento vegetativo (ex. milho, trevo branco, etc). O B afeta também a fertilização pelo aumento na capacidade de produção e viabilidade do pólen nas anteras. Efeitos indiretos também podem ser importantes, como o incremento na quantidade e composição de açúcar no néctar das flores, tornando-as mais atrativas para a polinização. •

Glicólise e síntese de materiais para a parede celular

O B forma complexo estável com o 6-P-gliconato produzindo 6P-gliconatoborato. Este complexo regula a atividade da enzima 6-P-gliconato desidrogenase, e consequentemente a via das pentoses fosfato, favorecendo a via glicolítica. Quando há deficiência de B, não há formação de complexo 6-P-gliconato-borato e o ciclo das pentoses-fosfato é aumentada. O aumento desta rota determina aumento na produção de fenóis e de AIA. O acúmulo de fenóis e de AIA, por sua vez, causa a necrose tão comum de ser observadas em plantas deficientes em B (ex. talo oco em couve-flor). •

Estrutura e permeabilidade de membranas

O B possui grande influência sobre a atividade de enzimas presas as membranas, principalmente sobre a Na+,K +-ATPase. Desta forma, o B tem função na manutenção do potencial de membrana. Aqui está outro motivo pelo qual o B pode interferir no transporte de carboidratos na planta.

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