fixação biológica do nitrogênio

FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊNIO
ASPECTOS BIOQUÍMICOS (2).............
Prof. Dr. Sergio Paulo Severo de Souza Diniz
Agosto – 2009
Sumário
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Conceito da fixação biológica do nitrogênio
Microorganismos diazotróficos
Sistema Nitrogenase: conceito, estrutura, regulação
Redução de substratos alternativos pela nitrogenase
Mecanismos de proteção à nitrogenase
Ação deletéria do oxigênio sobre a nitrogenase
Enzimas participantes no mecanismo de proteção à nitrogenase:
 Hidrogenase
 Catalase
 Superóxido dismutase
 Peroxidase
8. Fixação biológica do nitrogênio em soja
9. Fixação biológica do nitrogênio em feijão
10. Fixação biológica do nitrogênio em espécies arbóreas
11. O papel das micorrizas arbusculares
Referências bibliográficas
INTRODUÇÃO
-Nutriente de importância fundamental para todos os seres vivos, o nitrogênio (N)
pode ser tão limitante quanto à água para o crescimento e a produtividade das
plantas.
-Na natureza, o principal repositório de nitrogênio é a atmosfera. Embora 78% da
composição da atmosfera terrestre seja representada pelo nitrogênio existente, na
forma gasosa (N2), esse imenso compartimento não está disponível para a maioria
dos vegetais.
-As plantas são dependentes do N da matéria orgânica do solo ou da adição de
fertilizantes nitrogenados.
-As plantas da família das leguminosas podem conseguir uma parte ou a totalidade
de sua nutrição nitrogenada diretamente do ar, devido às suas associações com
bactérias específicas (rizóbios).
-Essas bactérias invadem os pêlos radicais formando nódulos onde nitrogênio livre
no ar é convertido em nitrogênio fixado para a assimilação ou estocagem pela
planta.
-Os solos das regiões tropicais, tanto os cultivados quanto os sob vegetação
nativa, são pobres em nitrogênio. Assim sendo, esse elemento tem que ser
aportado ao solo por meio de compostos ricos nesse nutriente como p. exemplo,
estercos, restos culturais, adubos verdes, biomassa de leguminosas e fertilizantes
químicos.
-O nitrogênio fixado pelas associações leguminosas-rizóbios pode representar uma
alternativa ao uso de fertilizantes químicos nitrogenados.
A Importância do Nitrogênio para as Plantas
-O nitrogênio é considerado o nutriente mais problemático no solo, pois a maior
parte deste elemento está ligada à matéria orgânica; apenas uma pequena fração
encontra-se em formas disponíveis para as plantas.
-O nitrogênio é o quarto elemento mais abundante nas plantas, sendo superado
apenas pelo carbono, oxigênio e hidrogênio. É constituinte essencial de
aminoácidos, proteínas, bases nitrogenadas, ácidos nucléicos, hormônios e
clorofila, entre outras moléculas.
-A maior parte do nitrogênio da natureza está na atmosfera, sob a forma de gás,
constituída por 2 átomos de nitrogênio (N2), que se encontram unidos de uma
maneira muito estável, impossibilitando sua absorção e assimilação por
organismos eucariontes.
-Esse nutriente para que seja absorvido pelas plantas, é necessário que esteja na
forma iônica (NH4+ ou NO3 ²ˉ). Os processos de transformação do N2 em formas
disponíveis para as plantas requerem a quebra da tripla ligação entre átomos de N
pela fixação espontâneas, a fixação industrial e fixação biológica.
-A fixação espontânea dá-se através da ação de raios. A fixação industrial, reação
química que transforma o N2 atmosférico em amônia (NH3), também chamada
processo de Haber-Bosch, utiliza temperaturas e pressões muito elevadas (em
torno de 673-873K e 10-20MPa).
-Esse processo utiliza, tradicionalmente, combustíveis fósseis como fonte de
energia, em uma reação que pode ser exemplificada por: N2 + energia fóssil +
pressão + 3 H2 ------> 2 NH3.
-A fixação biológica do nitrogênio (FBN), é processada graças a uma enzima
denominada nitrogenase.
-Esse complexo enzimático nitrogenase, é responsável pela seguinte reação:
N2 + 8 eˉ + 8H ------> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
-A fixação biológica de N2 consome muita energia pela planta, de 12 a 17 g
carboidrato/ N2 fixado.
-Existem diversos sistemas fixadores de N2 (microrganismos de vida livre,
microrganismos associativos e simbióticos), destacando-se entre eles o sistema
simbiótico rizóbio-leguminosa. Esse processo é o responsável pela incorporação
de quantidades consideráveis do N atmosférico, tanto em ecossistemas naturais
quanto em sistemas agrícolas.
1. Conceito da fixação biológica do nitrogênio
A fixação biológica do nitrogênio (FBN) é o processo pelo qual o nitrogênio
atmosférico é incorporado nas plantas na forma de nitrato ou amônia.
O nitrogênio atmosférico é fixado por microorganismos especializados neste
processo, tais como: bactéria, cianobactérias e actinomicetos.
2. Microorganismos diazotróficos
Tabela – Classificação simplificada de bactérias diazotróficas
_______________________________________________________________
Forma de vida Bactéria
Localização
Hospedeiro
_______________________________________________________________
Livre
Associação
Simbiose
Azotobacter
Beijerinckia
Derxia
Nostoc
Anabaena
Rhodospirillum
Solo
Solo
Solo
Solo
Solo e água
Águas poluídas
Enterobacteriaceae Trato intestinal
Azotobacter paspali Superfícies
de raízes
Azospirillum
Superfície e
Interior de raízes
Acetobacter
Raízes e colmos
Anabaena azollae
Nostoc
Frankia
Rhizobium
Bradyrhizobium
Azorrhizobium
Não tem
Não tem
Não tem
Não tem
Não tem
Não tem
Térmitas e animais
Paspalum notatum
Milho, sorgo, trigo
Brachiaria
Cana de açúcar
Cavidade foliar
Azolla
Nódulos radiculares, Cicadaceae
Pecíolo da folha
Gunnera
Nódulos radiculares Casuarina, Alnus
Nódulos radiculares
Leguminosas
Nódulos radiculares
Leguminosas e
Parasponia
Caule nódulos
Sesbania
(leguminosa)
_____________________________________________________________________
* Estas são cianobactérias, também conhecidas por algas-azuladas.
3. Sistema Enzimático Nitrogenase: conceito, estrutura, regulação
3.1 Conceito
A fixação biológica do nitrogênio (FBN) é realizada através do complexo
enzimático denominado nitrogenase, com a participação de Fé, Mg, Mo e ATP;
segundo a seguinte equação:
Nitrogenase
N2 + 6 eˉ + 3H2 --------------------------------> 2 NH3
ATP, Mg
3.2 Estrutura e Propriedades da Nitrogenase
A nitrogenase é formada por duas Fe-S proteínas, elas não possuam qualquer
atividade enzimática enzimática por si próprias, mas integram para produzir a
nitrogenase ativa.
A primeira proteína é denominada fração 1, Fé-Mo proteína ou dinitrogenase.
A segunda proteína é chamada fração 2, Fé-proteína ou nitrogenase
redutase.
A fração 1, apresenta peso melecular de 220.000; contendo subunidades de 2
diferentes tipos de (alfa - ), 3 átomos de molibidênio e aproximadamente 30
átomos de ferro e enxofre por molécula. Estas subunidades são sensíveis ao
oxigênio.
A fração 2, possui peso molecular de 60.000, 2 subunidades, 4 átomos de
ferro e enxofres ácidos, sendo muito sensível ao oxigênio.
3.3 Regulação -Condições pata o funcionamento do sistema nitrogenase
a – Um meio anaeróbico
b - ATP
c - Um agente redutor
d - Mg++
e – Um substrato redutível
4. REDUÇÃO DE SUSTRATOS ALTERNATIVOS PELA NITROGENASE
A nitrogenase é uma enzima versátil. Além do N2 ela reduz uma série de
substratos, o cianeto de hidrogênio (HCN), o metil-isocianeto (CH3N = C), o ácido
hidrozóico (HN3), oxido nitroso (N2O), acetileno (C2H 2), o ciclopropano (C3H4 ) e
finalmente prótons (H+).
5. MECANISMOS DE PROTEÇÀO À NITROGENASE
A questão fundamental é que a nitrogenase é sensível ao oxigênio. Para tanto,
cada organismo fixador desenvolveu estratégias para livrar-se do excesso de
oxigênio, como:
a- produzindo goma que dificulta a entrada de O2.
b- aumentando a taxa de respiração (ex. Azotobacter)
c - procurando sítios onde a tensão de oxigênio seja baixa (ex. Azospirillum)
d - localizando a atividade de fixação do nitrogênio no centro de colônias (ex.
cianobactérias) ou em células especializadas (ex. heterocisto de
Anabaena, Nostoc)
e – em sistemas mais especializados, induzindo o hospedeiro a produzir uma
substância similar à hemoglobina e com a mesma função, chamada
leghemoglobina, como aparece nos nódulos das leguminosas.
6. AÇÃO DELETÉRIA DO OXIGÊNIO SOBRE A NITROGENASE
7. ENZIMAS PARTICIPANTES NO MECANISMO DE PROTEÇÃO À
NITROGENASE
7.1 Hidrogenase
7.2 Catalase
7.3 Superóxido-dismutase
7.4 Peroxidase
8. FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊNIO EM SOJA
9. FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊNIO EM FEIJÃO
10. FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊNIO EM ESPÉCIES ARBÓREAS
11. O PAPEL DAS MICORRIZAS ARBUSCULARES
09-09-2009