Assimilação e Fixação de Nitrogênio em Plantas

Aula 3: Assimilação de Nutrientes

As plantas superiores são organismos autotróficos que podem sintetizar seus compostos orgânicos a partir de nutrientes inorgânicos obtidos do ambiente. A assimilação de nutrientes compreende a incorporação dos nutrientes minerais em substâncias orgânicas, como os pigmentos, os cofatores enzimáticos, os lipídeos, os ácidos nucleicos e os aminoácidos.

O nitrogênio é transformado em diferentes formas no ciclo biogeoquímico. O nitrogênio molecular (N₂) corresponde a 78% da composição atmosférica. É preciso quebrar uma ligação tripla covalente (N≡N), altamente estável, para produzir amônia (NH₃) ou nitrato (NO₃^-). A fixação do N pode ser feita por processo industrial ou natural.

Processos de Fixação de Nitrogênio

• Processo Industrial: Para obter a NH₃, é necessário submeter o N₂ a elevada temperatura (200 ºC) e pressão (200 atm) para que se associe ao hidrogênio.
• Relâmpagos (8% do N fixado): Convertem o vapor da água e oxigênio em radicais hidroxilas reativos, átomos de hidrogênio e oxigênio livres, que atacam o N₂ para formar o ácido nítrico (HNO₃).
• Reações Fotoquímicas (2% do N fixado): Derivadas de reações entre óxido nítrico gasoso (NO) e ozônio (O₃), produzindo HNO₃.
• Fixação Simbiótica (90% do N fixado): Ocorre por meio de fixação biológica, onde bactérias e algas fixam o N₂ em amônio (NH₄⁺).

O N fixado entra no ciclo biogeoquímico, passando por várias formas orgânicas ou inorgânicas antes de voltar para a forma molecular.

Toxicidade de Amônio e Nitrato

Altos níveis de NH₄⁺ podem ser prejudiciais? Sim. O NH₄⁺ dissipa os gradientes de prótons necessários para o transporte de elétrons na fotossíntese e na cadeia respiratória, além de inibir a captura de metabólitos nos vacúolos.

Altos níveis de NO₃^- são prejudiciais?

• Nas plantas: Conseguem continuar seu metabolismo de forma normal.
• Em animais: O fígado reduz o nitrato a nitrito, que se combina com a hemoglobina, impedindo o transporte de oxigênio (metemoglobinemia). Os animais também podem converter nitrato em nitrosaminas, que possuem elevado potencial carcinogênico. Por isso, há limites rigorosos para nitratos em vegetais de consumo humano.

Assimilação do Nitrato

As plantas assimilam a maioria do nitrato absorvido pelas raízes em compostos orgânicos nitrogenados. A primeira etapa é a redução do nitrato (NO₃^-) a nitrito (NO₂^-) no citoplasma, catalisada pela enzima nitrato redutase.

A nitrato redutase é a principal proteína com Molibdênio (Mo) em vegetais. Na deficiência de Mo, ocorre o aumento da concentração de NO₃^- nos tecidos, pois a enzima não consegue atuar.

A enzima nitrito redutase converte o nitrito (NO₂^-) em amônio (NH₄⁺). O NO₂^- é imediatamente transportado do citosol para os cloroplastos (folhas) ou plastídios (raízes) para evitar toxicidade.

Assimilação do Amônio

Para evitar a toxicidade, as células vegetais convertem o NH₄⁺ em aminoácidos através das enzimas Glutamina sintetase (GS) e Glutamato sintase (GOGAT).

• GS Citosólica: Expressa na germinação e feixes vasculares, produzindo glutamina para transporte.
• GS dos Plastídios/Cloroplastos: Reassimila o NH₄⁺ da fotorrespiração ou forma N amida local.
• NADH-GOGAT: Presente em plastídios de raízes e feixes vasculares de folhas jovens.
• Fd-GOGAT: Presente em cloroplastos, atua no metabolismo fotorrespiratório.

A glutamato desidrogenase (GDH) catalisa uma reação reversível, mas sua função principal é desaminar o glutamato, não substituindo a rota GS-GOGAT.

Transaminação e Transporte

O nitrogênio é incorporado em outros aminoácidos por reações de transaminação. A enzima Asp-AT transfere o grupo amina do glutamato para o aspartato. O aspartato participa do transporte malato-aspartato e do transporte de carbono em plantas C4.

A asparagina e a glutamina unem o metabolismo de C e N. A asparagina é um elemento-chave no armazenamento e transporte de N a longa distância.

• Altos níveis de luz e carboidratos: Inibem a asparagina sintetase (AS) e estimulam GS/GOGAT (favorece glutamina/glutamato).
• Baixos níveis de luz e carboidratos: Favorecem a enzima AS, produzindo asparagina (composto rico em N e estável).

Fixação Biológica do Nitrogênio (FBN)

A FBN é a forma mais importante de fixar N₂ em NH₄⁺. Envolve uma troca: os organismos fixadores fornecem N às plantas e recebem carboidratos em troca, ocorrendo geralmente em nódulos radiculares.

A fixação requer condições anaeróbicas. Em cianobactérias como a Anabaena, isso ocorre nos heterocistos (células de paredes espessas sem PSII). Em campos de arroz, a associação entre a pteridófita Azolla e Anabaena pode fixar até 0,5 kg de N₂ por hectare ao dia.

Em leguminosas, os nódulos contêm leg-hemoglobina, uma proteína que regula o oxigênio (cor rosada). Em gramíneas, como a cana-de-açúcar, a bactéria Acetobacter diazotrophicus vive no apoplasto do caule, fixando cerca de 30% do N necessário sem formar nódulos.