Tema 10. Asimilación del nitrato y sulfato (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Fisiologia Vegetal
Año del apunte 2014
Páginas 6
Fecha de subida 15/03/2015
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TEMA 10. ASIMILACIÓN DEL NITRATO Y SULFATO El medio ambiente es un ciclo completo que comprende organismos, diversos procesos… y hay un reciclaje complejo del Natmosférico a los organismos y de vuelta a la atmosfera. Gran parte del nitrógeno sale de la atmosfera en forma de N2 (gas inerte, muy estable, reacciona muy poco), el cual solo los microorganismos son capaces de reducir y formar amonio, oxidarlo y formar nitrato (nitrificación). Algunos de estos microorganismos viven en simbiosis con plantas (pocos grupos) y les proporcionan este amonio a las plantas.
La mayoría de las plantas lo captan en forma de nitrato o amonio desde el suelo, y es internamente donde lo reducen a nitrito o lo asimilan e incorporan sobre esqueletos de carbono formando aa. La energía captada para realizar todo esto proviene del sol, de la FS.
Estas plantas sirven de alimento a los animales, y de esta forma los animales captan estos aa con nitrógeno ya incorporado. Estos animales devuelven el nitrógeno al suelo en forma de materia orgánica (heces, orina), que será descompuesto por µorg y será transformado en amonio, el cual podrá ser captado de nuevo por plantas. El nitrato puede ser absorbido por las plantas para volver a reducirlo y asimilarlo, pero parte de este nitrato es desviado a las aguas orgánicas (es lixidiado). También puede volver a la atmósfera desde el suelo mediante el proceso de desnitrificación.
Los organismos vivos encierran una gran cantidad de nitrógeno, y cuando estos se mueren aumentan todos los procesos anteriormente nombrados.
1. NITRÓGENO ABSORBIBLE POR PLANTAS Las plantas pueden absorber nitrato (NO3-, el más estable en suelos acidos), amonio, nitrito (poco estable en el suelo -- se encuentra en pocas cantidades), nitrógeno en forma de urea (molécula orgánica rica en nitrógeno; componente de la orina; poco estable en el suelo – transformada en amonio por la ureasa, después en nitrito y después por nitrato).
En el suelo: urea  (ureasa)  amonio  nitrito  nitrato (últimos 2 pasos: nitrificación (bacterias)).
En la planta:  Urea  (ureasa)  amonio  asimilación GS/GOGAT  NO3-  (nitrato reductasa: en el citoplasma)NO2-(nitrito reductasa:a asociado a mbr del cloroplasto) NH4+  asimilación GS/GOGAT El nitrito no puede ser asimilado por la planta (es tóxico para ellas). Si hay mucho nitrógeno acumulado, puede acumular nitrato en la vacuola y, cuando lo necesite, reducirlo a nitrito (proceso muy costoso).
1 La reacción nitrato-nitrito puede ocurrir en la raíz o en las hojas, según la especie. Algunas lo hacen desde la raíz, a través de los plastidios donde se produce la asimilación, y ya desde esta transporta los aa al resto de la planta. A pesar de esto, la mayoría de las especies lo realizan en las hojas, donde tienen mucha más disponibilidad de poder reductor y ATP por el proceso FS.
Transportan nitrato vía xilema hasta los hojas y, en el citosol, se produce la reducción nitratonitrito, y en la membrana del cloroplasma la reducción nitrito-amonio. En el cloroplasma se asimila el amonio y se transforma en aa.
La asimilación es un proceso activo que necesita una bomba de protones.
Los que asimilan nitrato a nivel radicular exportan el nitrato orgánico de la raíz a las hojas vía xilema y ahí lo transforman en diferentes compuestos. Esto se hace mediante moléculas muy ricas en nitrógeno (inversión de pocos carbonos, moléculas relación N-C muy alta), como por ejemplo la alantoina (4C, 4N; más eficiente) o la citralina (6C, 3N), que son ureidos.
La reducción de nitrato a nitrito y de nitrito a amonio es un proceso que necesita de poder reductor y los complejos enzimáticos representan CTE. Como donador de e- tenemos el NADH, que transfiere los 2e- a componentes del nitrato reductasa (dominio FAD, dominio Hem, dominio Moco – con molibdeno). El nitrato es reducido rápidamente, y se obtiene un nitrito relativamente tóxico. La nitrito reductasa transfiere 6e- desde 6 moléculas de ferredoxina reducida (procedente de la FS; ligada a la membrana externa del cloroplasto) al nitrito (con centro de 4Fe-4S y sirohem) para dar lugar a amonio.
2 Una vez que tenemos el amonio, este rápidamente tiene que unirse a esqueletos de C debido a que es tóxico (no puede acumularse en la planta). Esto se hace mediante el aceptor glutamato (aa), el cual a través de la guatamato sintasa (GS) y ATP forma glutamina (amida; 5C y 2N). Esta glutamina transfiere el grupo amina sobre oxoglutarato mediante la oxaglutarato enzima GOGAT (glutamina aminotransferasa) y 2e- procedentes del NADPH y al ferredoxina reducida, lo cual dará lugar a dos moléculas de glutamato.
La asimilación del nitrógeno debe ser un proceso fuertemente regulado debido a que es un proceso muy costoso. Por lo tanto, esta regulación se dará a nivel de la reducción de nitrato, ya que regularlo posteriormente es menos eficiente (el nitrato es menos tóxico y más fácilmente acumulado). Por lo tanto, viene dada por la nitrato reductasa, una a nivel génico y otra a nivel de actividad enzimática. La transcripción de los genes para la enzima, cuando no hay nitrato, se encuentran inactivados – inducción por la presencia de substrato. La luz y la glucosa también activan estos genes, ya que si hay glucosa significa que tenemos esqueletos de carbono disponibles para formar más aminoácidos.
A su vez, si la glutamina se acumula inhibe la enzima (indica que hay poca disponibilidad de oxoglutarato y esqueletos de carbono).
También su actividad viene regulada por múltiples factores: mediante la actuación de kinasas puede transformarse en una enzima fosforilada (reacciona con el inhibidor: no reduce nitrato a nitrito), mediante una fosfatasa puede desinhibirla y volver a hacer que la enzima sea activa.
3 2. ASIMILACIÓN DEL SULFATO Las plantas pueden asimilar el azufre en forma de sulfato (oxidado) o de sulfuro, los cuales se obtienen de compuestos diferentes. Solamente plantas y bacterias pueden hacer una reducción asimiladora del azufre (reducir el compuesto y asimilar el S), cosa responsable de gasto de energía. También hay reacciones no asimiladoras (reducir sulfato a sulfuro) y oxidaciones de sulfuro a sulfato mediante la respiración o mediante microorganismos.
La reacción asimiladora representa una transferencia de 8 electrones.
2.1. COMPUESTOS QUE CONTIENEN AZUFRE - Cisteína: contiene azufre reducido.
Necesitamos incorporarla a través de la dieta.
Su síntesis es el primer paso del azufre reducido en las plantas. A partir de ella pueden formarse cistinas (2 cisteínas; permiten cambiar la configuración espacial de las proteínas mediante la formación de un puente sulfuro). A partir de ella también se forma la metionina (metilación de la cisteína), el ácido lipoico, la tiamina y la biotina.
- Compuestos azufrados: fitoquelatinas (pequeños polipéptidos con una alta proporción de cisteinas; imprescindible para la homeostasis metálica en plantas: destoxificaición arsénico), glucosinolatos (contienen azufre reducido y un grupo sulfato oxidado; mal sabor para los herbívoros y tóxico para los microorganismos), glutatión (polipéptido que contiene azufre reducido).
4 Para poder asimilar el azufre, tanto oxidado como reducido, primeramente debe activarse (no se puede pegar enzimáticamente) con ATP. Si hacemos reaccionar ATP con sulfato mediante la enzima ATPsulfurilasa, la cual une el grupo sulfato sobre la ATP, formando una adenosin-5’fosfosulfato (APS) y PPi (pirofosfato) (reacciona con H2O y da lugar a 2Pi). El APS, junto a una segunda molécula de ATP y una APSkinasa, forma el 3’-fosfato-adenosina-5’-fosfosulfato (PAPS) + ADP. PAPS es el donante de grupos sulfato, y los transfiere a lípidos, azucares (cadenas carbonatadas)… a través del grupo de enzimas sulfotransferasas (transfieren grupos sulfatos desde PAPS a una cadena carbonatada, formando ésteres sulfato).
La mayoría de azufre en las plantas está en forma de sulfato, y por lo tanto el azufre en la planta debe ser reducido a sulfuro. No se sabía si esta reducción ocurría de forma libre o el sulfato unido a materia orgánica (PAPS). Ahora sabemos que en plantas es mayoritariamente correcto lo primero.
Para reducir sulfato a sulfito necesitamos una activación mediante ATP, de forma que APS se reduce mediante el donador de electrones (glutatión; 2 e-) formando sulfito libre, el cual será reducido a sulfuro por la sulfitoreductasa (utiliza como poder reductor la Fdred,). El sulfuro formado será incorporado sobre una cadena carbonatada mediante la O-acetilserina (procede del aa serina).
Sin luz no se puede asimilar sulfato, en tanto que es necesaria la Fdred que se obtienen con la fotosíntesis.
Sulfito reductasa: formada por cluster Fe-S: átomos de S alternados y Fe que puede pasar de 3+ a 2+ (dona e-), formando un cubo; y Siro-hemo: 4 anillos pirólicos con Fe en medio. Una proteína con estas dos formas transfieren electrones de la Fdred a Fdox.
SO32-+ 6Fdred + 6H+ Sulfito reductasa  S2-+ 6Fdox 5 Para la asimilación de azufre: serina-acetiltransferasa Serina + acetil-CoA  oacetilserina + CoA S-2 + o-acetilserina acetate cisteína sintasa  cisteína + La serina reacciona con acetil-CoA y forma O-acetilserina + CoA. La O-acetilserina reacciona con S-2 libre une el azufre mediante la cisteina sintasa, dando lugar a cisteina + acetato.
La planta solamente reducirá sulfato a sulfito y después a sulfuro si realmente va a utilizarlo. Hay una regulación a diferentes niveles: - En la absorción de sulfato hacia el interior: a través de transportadores, los cuales serán sintetizados especialmente cuando hay necesidad de absorción de azufre.
- El sulfato activado: viene favorecido por oacetilserina (tienen esqueletos de C disponibles para recibir cisteína proveniente de la reducción de sulfato), de forma que en estas condiciones se activa el sulfato.
- El sulfuro es incorporado por cisteína sintasa sobre la cisteína. Si esta se acumula inhibe la formación de o-acetilserina (si se acumula da que pensar que no es necesario al cisteína). Con esta inactivación, se inactiva la formación se sulfato y APS.
- La cisteína y el glutatión reducido (donador de electrones) inhiben el transportador de sulfato, en su absorción desde el exterior.
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