METABOLISMO DO NITROGÊNIO
INTRODUÇÃO
O Nitrogênio e o enxofre são macronutrientes que constituem elementos
de grande importancia para a nutrição vegetal. Ambos são encontrados oxidados
e na forma iônica disponíveis na solução de solo.
Deficiências de nitrogênio e enxofre provocam na planta diferentes
sintomas que acabam por prejudicar seu crescimento e desenvolvimento
normais.
O Nitrogênio:
O nitrogênio equivale a 79% dos gases da atmosfera, mas não pode ser
utilizado diretamente pela grande maioria dos seres vivos. Ele deve ser primeiro
“fixado” por organismos especializados ou por processos industriais. Na forma
que existe na atmosfera, o nitrogênio é um gás inerte, exceto para poucos
organismos que possuem a capacidade de converter o elemento numa forma
combinada. Uma quantidade pequena, mas significativa de nitrogênio
atmosférico é fixada por fenômenos ionizantes, como as radiações cósmicas,
rasto de meteoros e relâmpagos, que momentaneamente fornecem a alta energia
necessária para o nitrogênio reagir com o oxigênio ou com o hidrogênio da água.
A maior fonte de nitrogênio fixado, são provavelmente por microrganismos
terrestres e pelas associações entre tais microrganismos e as plantas.
A fixação industrial do N, visando a fabricação de fertilizantes sintéticos
em larga escala, tem aumentado bastante nos últimos tempos e já se questiona se
a quantidade de nitrogênio retirada da atmosfera, está em equilíbrio com as
quantidades de nitrogênio devolvidas à atmosfera pelos processos de
desnitrificação realizado por algumas bactérias do solo. Não se pode prever as
conseqüências do desequilíbrio entre os processos de fixação do nitrogênio e a
desnitrificação.
Fixação de Nitrogênio por Microrganismos
A fixação do nitrogênio requer um investimento de energia. O nitrogênio
deve ser “ativado”, antes de ser fixado, o que significa que o nitrogênio
molecular deve ser dividido em dois átomos de nitrogênio livre.
Entre os organismos fixadores de nitrogênio destacam-se muitas bactérias
e fungos capazes de assimilar e incorporar compostos nitrogenados inorgânicos
+
(NH4 ). Certos microrganismos conseguem aproveitar até mesmo o nitrogênio
atmosférico: tratam-se de procariotas, ou seja, cianofíceas e bactérias, que vivem
no solo ou como simbiontes. Nestes organismos a energia necessária a redução
do nitrogênio é fornecida pela respiração. O desempenho dos organismos de
vida livre, é melhor em habitats cálidos e permanentemente úmidos. As algas
azuis nos arrozais, fixam 50 a 70 kg N2 . ha -1 . ano-1. Os organismos simbiontes
fixam o nitrogênio numa taxa mais elevada que a dos microrganismos de vida
livre. Em média pode esperar uma fixação de 200 kg N por hectare, por estação.
Os mais importantes organismos simbiontes fixadores de nitrogênio são as
bactérias do gênero Rhizobium, que vivem em nódulos das raízes de
leguminosas.
Decomposição microbiana de compostos orgânicos de nitrogênio
Grande parte do nitrogênio encontrada no solo provém de materiais
orgânicos mortos, nos quais existe sob forma de compostos orgânicos
complexos, tais como proteínas, aminoácidos, ácidos nucléicos e nucleotídeos.
Entretanto, estes compostos nitrogenados são, em geral, rapidamente
decompostos em substâncias mais simples por organismos que vivem no solo.
As bactérias saprófitas e várias espécies de fungos são os principais
responsáveis pela decomposição de materiais orgânicos mortos. Estes
microrganismos utilizam as proteínas e os aminoácidos como fonte para suas
próprias proteínas e liberam o excesso de nitrogênio sob a forma de amônia
+
(NH4 ). Este processo é denominado amonificação. Em geral a amônia
produzida por amonificação é dissolvida na água do solo, onde se combina a
prótons para formar íons amônio.
Várias espécies de bactérias comumente encontradas no solo são capazes
de oxidar a amônia. A oxidação da amônia, conhecida como nitrificação, é um
processo que produz energia, e a energia liberada é utilizada por estas bactérias
para reduzir o dióxido de carbono, da mesma forma que as plantas autotróficas
utilizam a energia luminosa para redução do dióxido de carbono. As bactérias
nitrificantes quimiossintéticas Nitrosomonas e Nitrosococcus oxidam o
amoníaco dando nitrito (NO2 ). O nitrito é tóxico para as plantas superiores, mas
raramente se acumula no solo. Bactérias do gênero Nitrobacter oxidam o nitrito
formando nitrato (NO3 ), novamente com liberação de energia. O nitrato é a
forma sob a qual quase todo o nitrogênio se move para o interior das raízes,
sendo possível à planta absorver também o N na forma NH4+, sendo este
incorporado a compostos orgânicos nas raízes. O nitrato pode ser absorvido,
estocado nos vacúolos das raízes e transportado no xilema.
Poucas espécies vegetais são capazes de utilizar proteínas animais como
fonte de nitrogênio. Estas espécies, que compreendem plantas carnívoras,
possuem adaptações especiais utilizadas para capturar pequenos insetos. Estas
plantas em sua maioria são encontradas em pântanos, que são fortemente ácidos,
e, portanto, desfavoráveis ao crescimento de bactérias nitrificantes.
Absorção e assimilação do nitrogênio nas plantas superiores
A maioria das plantas atendem às suas necessidades de nitrogênio com
NO3 ou com NH4 . Como toda absorção de íons, a de nitrogênio requer energia.
Assim, é dependente a respiração. Em solos frios e precariamente arejados, as
plantas sofrem freqüentemente deficiência de nitrogênio.
-
Uma vez o nitrato se encontre no interior da célula vegetal, é novamente
reduzido a amônio. Este processo de redução requer energia, que é fornecida
pela respiração. É catalisado por uma cadeia de enzimas e cofatores, entre estes,
a nitrato-redutase que desempenha um papel decisivo. A nitrato-redutase que
está envolvida na redução de nitrito a NH4 é específica de cada órgão e regulada
segundo a alternância diária de luz e escuro. Os íons amônio formados pelo
processo de redução são transferidos a compostos carbonados para produzir
aminoácidos e outros compostos orgânicos nitrogenados. Este processo é
conhecido como aminação. A incorporação de nitrogênio em compostos
orgânicos ocorre, em grande parte, nas células jovens em crescimento das raízes.
As etapas iniciais do metabolismo do nitrogênio parecem ocorrer diretamente
nas raízes; quase todo o nitrogênio que ascende no xilema do caule já se
encontra sob a forma de molécula orgânica, principalmente aminoácidos.
Nas plantas superiores o verdadeiro processo de assimilação é a aminação
redutiva de cetoácidos. Os cetoácidos são geralmente produtos da fragmentação
de açúcares. O primeiro destes é o ácido α-ceto-glutárico a partir do qual formase o ácido-glutâmico. O ácido glutâmico é o principal transportador de
nitrogênio na planta.
Os aminoácidos também se formam por processos de transaminação, que
é a transferência de um grupamento amino (-NH2) de um aminoácido para um
cetoácido, formando outro aminoácido. O ácido glutâmico, por exemplo, pode
transferir seu grupo NH2 a outros cetoácidos produzidos na glicólise. Alguns
aminoácidos são também formados durante a fotossíntese e durante a
fotorrespiração.
Utilização do Nitrogênio
O material estrutural das plantas não é constituído exclusivamente por
produtos provenientes da assimilação do carbono: contém, também, ao lado do
C, O e H, até 5% de N. Substâncias protéicas contêm até 15-19% de N.
O teor de nitrogênio da fitomassa varia com a espécie, idade, etapa de
desenvolvimento e estado nutricional da planta, e é diferente de órgão para
órgão. Plantas herbáceas contêm, em média 2 a 4% de nitrogênio; folhas de
árvores decíduas, de 1 a 4%; brotos e raízes, 0,5 a 1% de N.
O metabolismo de proteínas também é específico de cada órgão e
dependente da idade dos órgãos. Os órgãos e tecidos em crescimento, estocam
materiais, sintetizam tipicamente proteínas a uma taxa especialmente mais
elevada. Nas folhas em processo de envelhecimento e em certas partes de flores,
predomina a degradação de proteínas.
A quantidade de proteínas nas folhas é máxima quando estas atingem sua
máxima expansão. Daí para frente elas entram em senescência, e a quantidade
de proteínas produzidas é menor que a quantidade desdobrada.
Entre as influências ambientais que afetam o metabolismo de proteínas
destaca-se, principalmente, a temperatura e fatores de estresse, como a seca e o
excesso de salinidade. Em uma planta com estresse, a síntese de proteína é
inibida e a degradação é acelerada.
Quando se dispõe de pouco nitrogênio, grandes quantidades de
carboidratos são convertidos em formas estocáveis e utilizados no metabolismo
secundário (por exemplo, aumento da síntese de lignina).
Excetuando-se a água, nenhuma outra deficiência é tão dramática nos seus
efeitos para a planta, quanto a de nitrogênio. O nitrogênio é importante no
metabolismo de compostos como aminoácidos e proteínas, amidas,
aminoaçúcares , purinas, pirimidinas e alcalóides. O nitrato (N03) é a forma
de nitrogênio predominantemente absorvida pela planta nas condições naturais.
A clorose geral e o estiolamento são os sintomas mais característicos da
deficiência de nitrogênio na planta. O crescimento é atrasado e lento e as plantas
têm aparência raquítica. As partes mais maduras da planta são as primeiras a ser
afetadas porque o nitrogênio é translocado das regiões mais velhas para as mais
novas em crescimento. Se o déficit em nitrogênio se torna severo, as plantas não
se desenvolvem suficientemente. Geralmente os eventos reprodutivos e a
senescência estabelecem-se antes da época normal.
Por outro lado, um excesso de N no meio (solo ou solução nutritiva) faz
com que a planta vegete muito, produza poucos frutos ou sementes e armazene
menos carboidratos. Para complementar o que é fornecido pelo solo em
quantidade insuficiente recorre-se aos fertilizantes nitrogenados; entre os
naturais estão os estercos e tortas e as próprias plantas (adubo verde); entre os
adubos produzidos pelo homem aparecem os amoniacais (sulfato de amônio), os
nitratos (de sódio, de cálcio, de potássio) os nítrico-amoniacais (nitrato de
amônio) e os amídicos (uréia).
Distribuição do nitrogênio na planta
Alguns dos compostos de nitrogênio inorgânicos absorvidos são
assimilados nas raízes. O resto é transportado, para o rebento, pelo fluxo da
seiva. Ali é incorporado em compostos orgânicos. Os aminoácidos podem ser
usados, no local onde se formam, para a biossíntese de macromoléculas
(proteínas, ácidos nucléicos), ou transferidos para outros órgãos. As formas
translocáveis mais importantes são os ácidos glutâmicos e asparigínico dos
aminoácidos.
Os compostos de nitrogênio orgânico translocáveis são também
produzidos, em grandes quantidades, quando as proteínas se degradam, nas
partes de uma planta em envelhecimento ou afetada pelo estresse. O transporte a
longas distâncias destas substâncias ocorre através do floema.
Nas folhas, nas partes em crescimento do rebento e nos frutos em
maturação, as formas de transporte orgânico do de nitrogênio fornecem grupos
amino para a síntese de aminoácidos e para transaminação. Servem também,
como bloco construtor para a síntese de proteínas e o crescimento celular.
Excreção de nitrogênio
De preferência, o nitrogênio é eliminado sobretudo numa forma ligada
organicamente: as raízes liberam aminoácidos e outros compostos orgânicos
nitrogenados. Uma quantidade maior de nitrogênio se perde pela queda das
folhas e dos frutos. O retorno dos compostos orgânicos original é realizado por
organismos heterotróficos (fungos e bactérias do solo). O ciclo do nitrogênio nas
plantas superiores se completa somente mediante a atividade desses organismos.
O Enxofre
Muitos compostos orgânicos, especialmente os de natureza nitrogenada,
contêm enxofre, que aparece em formas simples, à medida que se processa a
decomposição. Embora a presença de cálcio no solo facilite o processo de
oxidação do enxofre por microrganismos do solo, esta oxidação ocorre mesmo
em solos com deficiências de bases. O cálcio é mais vital nos processos de
nitrificação.
Além de fazer parte de alguns aminoácidos e de todas as proteínas
vegetais, o S desempenha outras funções: como S04 2 é ativador enzimático,
como SH é grupo ativo de enzimas e de coenzimas (ácido lipólico, tiamina,
biotina) na fotossíntese participa da síntese da clorofila, da absorção de C02 , da
atividade da carboxilase e de ribulose -2P e de reações de fosforilação; é
essencial ainda no processo de fixação do N2 pelas leguminosas nodulares.
Cerca de 90% do S total da planta corresponde a formas orgânicas. O elemento é
pouco móvel no floema, de modo que os sintomas de carência aparecem em
primeiro lugar nas folhas mais novas como uma clorose geralmente uniforme,
podendo ocorrer tonalidades roxas. As plantas são raquíticas e crescem pouco.
Quantidades consideráveis de enxofre são perdidas na drenagem, fato que
merece certa atenção, no que diz respeito a manutenção da fertilidade. A perda
de enxofre é contrabalançada de vários modos. Considera-se em 1º lugar, a
adição do enxofre pela chuva e pela neve. Na agricultura geral e nas fazendas de
pecuária leiteira o problema é resolvido mais ou menos automaticamente. No
manuseio prático do solo o enxofre é devolvido ao solo em adubos verdes,
resíduos de culturas e estrume rural. Certos adubos comerciais como
superfosfato, sulfato de amônio e sulfato de potássio contêm quantidades
consideráveis de enxofre e são muito usados atualmente.
As rochas da terra, assim como o tecido lenhoso das plantas, contém
muito pouco enxofre. Parte do enxofre encontrado no solo provém da
decomposição de resíduos de origem animal e vegetal (cistina, cisteína ,
metionina), decomposição de minerais como o gesso (CaSO4), aplicação de
adubos que inclui CaSO4 e (NH4)2 SO4) e na aplicação de fungicidas que contêm
S.
A abundância de enxofre nos solos de turfa não é de admirar, pois o tecido
vegetal o contém sempre em proporção considerável. Quando é intensa a
oxidação do enxofre, como é o caso dos solos turfosos aráveis, há tendência para
acumulação de sulfatos. O sulfato (SO4) na água, constitui a principal forma
disponível que é reduzida pelas plantas autótrofas e incorporada nas proteínas,
sendo um constituinte essencial de certos aminoácidos. Quando restos de plantas
e animais são decompostos pelos microrganismos do solo, despreende-se sulfeto
de hidrogênio (H2S). Parte deste H2S é convertido em sulfato por bactérias
sulfurosas especializadas.
Os vegetais e o próprio solo absorvem dióxido de enxofre da atmosfera,
isto explica como é possível o cultivo de alfafa e de outras plantas que exigem
grandes quantidades de enxofre, em terras que não recebem adições artificiais
deste elemento.
Ciclo do enxofre
Levitt (1974), refere que os dois elementos minerais com metabolismos
mais complexos são o fósforo e o enxofre. O enxofre é absorvido em formas
altamente oxidadas, porém pode ser reduzido na planta em todos os níveis
possíveis. As mais importantes substâncias contendo enxofre nas plantas são os
aminoácidos (cisteína, cistina e metionina) e certas vitaminas ou cofatores
enzimáticos (tiamina e biotina). Assim como o nitrogênio, as transformações do
enxofre no solo, são principalmente biológicas. Elas se processam
imediatamente na maioria dos solos, embora condicionadas por vezes a
prováveis atrasos prolongados. Geralmente as transformações podem ser
indicadas da seguinte maneira: compostos orgânicos (proteínas e outras
combinações orgânicas contendo enxofre), passam por decomposições no solo,
sendo que o H2S (sulfeto de hidrogênio) e outros sulfetos (S) neles contidos são
oxidados a sulfitos (SO3) e sulfatos (SO4).
A oxidação do enxofre, como a do nitrogênio, é feita principalmente por
certos tipos de bactérias. Os componentes sulfatos resultantes, são a fonte da
maioria do enxofre captado pelos vegetais superiores. Por outro lado, os
organismos do solo, especialmente bactérias e fungos, obtêm energia mediante o
processo de oxidação e eliminam o enxofre sob forma de sulfato. De modo
diferente da nitrificação, que ocorre em duas etapas e exige dois grupos de
organismos, a oxidação do enxofre se processa numa reação contínua realizada
pelo mesmo grupo de organismos. Assim, o enxofre presente em combinações
complexas inicialmente, após a decomposição destes compostos, surge
finalmente sob a forma de íons SO4, forma como os vegetais superiores
absorvem praticamente todo o seu enxofre.
Nas condições naturais de solo, o enxofre é absorvido pelas raízes
predominantemente como S04 2; as plantas podem, porém, absorver também S
orgânico de aminoácidos, S02 (gasoso) pelas folhas e até mesmo enxofre
elementar (como S “molhável” finamente dividido), também pelas folhas e
frutos.
O caminho seguido pelo enxofre comum (enxofre 32), através de reações
de oxido-redução, é análogo ao caminho seguido pelo carbono comum (carbono
12) na fotossíntese.
Há muitos anos sabe-se que o enxofre é reciclado do mar de volta à terra
por meio da atmosfera. Estudos utilizando marcador isotópico natural, mostra
que o enxofre entra na atmosfera como sulfeto (S), sendo então oxidado a
dióxido de enxofre (SO2) gás denso, incolor e tóxico. Após a dissolução na água
de chuva, formam-se sulfatos.
Ainda não está bem claro o local exato em que reside, dentro da
hidrosfera, a maioria dos redutores de sulfato. Os que são conhecidos são
anaeróbios obrigatórios e o seu habitat é o lodo azul dos estuários e das
plataformas continentais. O metabolismo do enxofre de sistemas tão grandes não
é fácil de ser estudado. Sabe-se que em lagos contendo íon ferroso em suas
águas mais profundas, todo o sulfeto pode ser firmemente retido no lodo como
sulfeto ferroso, de modo que a massa de lodo funciona como um absorvedor de
enxofre e não como uma fonte de enxofre atmosférico.
A bactéria Desulfovibrio salexigens, é uma das espécies que tornam o
enxofre disponível para a biosfera. Essa bactéria, metaboliza os sulfatos da água
do mar e libera o enxofre como sulfeto de hidrogênio (gás sulfídrico - H2S), que
entra na atmosfera e é utilizado por outras formas de vida e então oxidado a
dióxido de enxofre (SO2), dissolve-se na água e forma sulfatos (SO4).
Os íons sulfatos são disponíveis às plantas na solução de solo, e uma vez
absorvidos pelas raízes, são reduzidos e utilizados na formação de aminoácidos
e em todas as proteínas vegetais. Portanto, a ciclagem do enxofre na natureza
não é menos relevante para a carboxilação do que a ciclagem de carbono e de
nitrogênio.
Em resumo, pode se dizer que muitos dos papéis essenciais do nitrogênio
e do enxofre estão bem estabelecidos. Assim, o nitrogênio e o enxofre são
constituintes essenciais das moléculas de proteínas, enquanto compostos
sulfurados são importantes na regulação dos potenciais de oxido-redução.
O enxofre é o “enrijecedor” da proteína. Uma proteína não pode
desempenhar a sua função, a não ser que seja dobrada e moldada de um modo
particular. Essa estrutura tridimensional é mantida por ligações entre átomos de
enxofre, que ligam um segmento de uma molécula protéica a outro. Sem essas
ligações de enxofre, uma proteína poderia enrolar-se ao acaso, como uma corda
descuidadamente caída. A função do enxofre na matéria viva, parece mesmo ser
promover as ligações entre as cadeias polipeptídicas numa molécula protéica.
Essas ligações auxiliam a proteína a manter sua forma tridimensional, a fim de
que ela possa realizar sua função.
Alguns dos aminoácidos contendo enxofre, são liberados das proteínas, e
são em parte degradados via ciclo de Krebs, funcionando como substratos da
respiração. Outra parte é incorporada nas novas proteínas que estão sendo
produzidas.
Do ponto de vista energético, as proteínas são muito menos importantes
do que os carboidratos e os lipídios. Em todo o tecido vegetal constantemente as
proteínas são sintetizadas e hidrolisadas por enzimas proteolíticas até
aminoácidos. Estes aminoácidos vão posteriormente fazer parte de novas
proteínas e apenas uma pequena parcela sofre desdobramento em piruvato ou
em acetil CoA a qual no ciclo de Krebs sofre oxidação até sua degradação total
em gás carbônico e água. A intensidade da oxidação total dos aminoácidos vai
depender da disponibilidade de carboidratos e lipídios, pois estes são sempre os
primeiros a serem catabolisados.
QUESTÕES PARA FIXAÇÃO DA APRENDIZAGEM
1. Qual a importância do nitrogênio para o metabolismo vegetal ?
2. Como de dá a fixação do nitrogênio por microrganismos do solo ?
3. Como de dá a decomposição microbiana de compostos orgânicos de
nitrogênio ?
4. Como de processa a absorção e assimilação do nitrogênio pela planta ?
5. Qual o papel do enxofre no metabolismo vegetal ?
6. Cite alguns dos sintomas da carência do enxofre nos vegetais ?
BIBLIOGRAFIA INDICADA AO ALUNO
1. EPSTEIN, E. Nutrição mineral das plantas. São Paulo, Ed. da Universidade
de São Paulo, 1975.
2. FERRI, M. G. Fisiologia vegetal 1. 2ª ed. São Paulo: EPU, 1985.
3. LARCHER, W. Ecofisiologia vegetal: revisão técnica e notas Antônio
Lamberti, São Paulo, Editora Pedagógica e Universitária - EPU, 1986.
4. LEVITT, J. Introduction to plant physiology. 2ª ed. , Saint Louis, The C. V.
Mosby Company , 1974.
5. STREET, H. E. & ÖPIK, H. Fisiologia das angiospermas. São Paulo,
Editora Polígono S.A., 1974.