Riassunti per esame Biochimica agraria

Descrivere processo di assorbimento e assimilazione del nitrato (NO3)

Assorbimento del nitrato

L’assorbimento del nitrato, al contrario di quello che si verifica per altri nutrienti presenti nella soluzione del suolo sia in forma anionica, es. SO4^2- / ione solfato / e H2PO4^- / ione idrogeno fosfato /, che cationica, NH4⁺ / ammonio /, è un fenomeno individuabile dalla presenza dell’anione.

• Le piante con cui non sono mai state a contatto col nitrato o che lo siano state ma a valori di concentrazione di quest’ultimo molto ridotte, la velocità di assorbimento dello ione è piuttosto bassa e solo il contatto con anione può determinare l’aumento.

Quando l’accumulo di nitrato interno supera la necessità metaboliche dei vegetali, si osserva una diminuzione della velocità di influsso del nitrato [retrofissazione].

• L’assorbimento del nitrato è mediato da trasportatori ed avviene attraverso meccanismi di simporto cotrasportando 2 o più H⁺ per ciascuna molecola di nitrato.

Nel sistema radice-suolo, salvo situazioni particolari l’assorbimento del nitrato da parte degli apparati radicali va a formare un processo di trasporto attivo secondario, quindi una necessaria fonte di E per il trasporto dell’anione attraverso la membrana, che coinvolgerebbe la H⁺-ATPasi nella membrana plasmatica.

• L’H-ATPasi di membrana, estendono H⁺ all’esterno delle cellule, crea un gradiente di pH ed elettrico. Il trasportatore del nitrato co-trasportando 2 o più H⁺ per ciascuna molecola di NO3^- va a garantire l’influsso del nutriente nella cellula contro gradiente di concentrazione.

Trasportatori

I trasportatori di NO3^- (nitrato) si caratterizzano per diversa capacità di trasportare diverse affinità per substrato:

• CHATS: trasportatori costitutivi ad alta affinità e bassa capacità di trasporto. Sono responsabili dell’assorbimento dell’anione e basse concentrazioni (<1 mM).
• IHATS: trasportatori inducibili ad alta affinità ed alta capacità, responsabili incremento transitorio di assorbimento del nitrato.
• LATS: trasportatori a bassa affinità che trasportano il nitrato quando è presente a concentrazioni >0.2 mM. Presentano cinetica non saturabile a concentrazione elevate.

Pentoso fosfati

Il ruolo della via dei pentoso fosfati è anabolico (= è un processo di sintesi o bioformazione delle molecole organiche da quelle più semplici a quelle più complesse, che possono così soddisfare le vie metaboliche ad esempio della glicolisi), volto dalla sintesi di zuccheri pentosi che costituiscono gli acidi nucleici e gli amminoacidi.

Un’altra funzione di questa via metabolica è quella di produrre potere riducente sotto forma di NADPH. È possibile dividere la via dei pentoso fosfati in due stadi:

• Nello stadio ossidativo il glucosio-6-fosfato viene convertito in acido 6-fosfogluconico con la produzione di NADPH ad opera di 2 enzimi. Successivamente, l’acido, con una decarbossilazione ossidativa, viene trasformato in ribulosio-5-fosfato da un enzima deidrogenasi, con un’ulteriore riduzione di NADPH. Il pentoso, attraverso isomerizzazione viene convertito a ribosio 5-fosfato oppure in xilosio-5-fosfato.
• Nello stadio non ossidativo gli zuccheri vengono convertiti negli intermedi di reazione della glicolisi in modo da recuperare gli scheletri carbonio senza “perderli” sotto forma di CO2. Dunque avvengono delle reazioni di isomerizzazione e di epimerizzazione con la formazione del ribosio-5-P (R5P) e xilulosio-5-P (Xu5P); trasformazione di 2 Xu5P e 1 R5P in 2 moli di fruttosio-6-P e 1 di gliceraldeide-3-P.

Ruolo della via dei pentoso fosfati

• Integrare la glicolisi.
• Produrre NADPH che può essere utilizzato dalle piante nel metabolismo energetico cellulare.
• Il ribulosio-5-P può essere utilizzato nella produzione di ribosio e deossiribosio, necessari, alla produzione di RNA e DNA.
• L’eritrosio-4-P può reagire con il PEP (fosfoenolpiruvato) e dare luogo alla via dell’acido scichimico (amminoacidi aromatici, lignina, metaboliti secondari).

Regolazione della via dei pentoso-fosfati

Uno dei fattori che controlla se il glucosio-6-P va verso la via glicolitica o la via dei pentoso-fosfati è il fattore energetico che determina una regolazione di tipo allosterico.

Complessivamente la reazione comprende:

3 glu-6-P + 6 NADP + 3 H2O —> 6 NADPH + 6 H⁺ + 3 CO2 + 2 Fru-6-P + G3P.

Assimilazione del nitrato

Riduzione del nitrato

• C’è un primo passaggio di assimilazione dell’azoto assorbito come nitrato: è la riduzione ad ammonio. Essa avviene attraverso due reazioni che complessivamente richiedono 8 e^-. La prima reazione avviene nel citosol ad opera dell’enzima nitrato riduttasi che utilizzando due elettroni donati dal NADPH catalizza la sintesi del nitrito:

NO3^- + NADPH + H —> NO2^- + NADP + H2O.

Questo enzima utilizza come donatore di elettroni NADPH o NADH. La forma attiva del nitrato riduttasi (NR) è costituita da un dimero, in cui ogni subunità è composta da 3 gruppi prostetici contenenti un FAD, un gruppo emico ed un gruppo prostetico MoCo (molibdeno cobalto).

Il nitrito viene trasportato nel plastidio, amminoplasto in tessuti non verdi, e nel cloroplasto nei tessuti fotosintetici, dove viene ridotto ad ammonio dalla nitrato riduttasi.

Mentre nei cloroplasti, la ferrodossina ridotta è prodotta dalla fotosintesi rilascia gli elettroni per la riduzione del nitrito, nei tessuti non fotosintetici, che utilizza come donatore di elettroni il NADPH prodotto dalla via ossidativa di pentosofosfati.

La riduzione del nitrato ad ammonio può avvenire sia nelle cellule radicali sia in quelle fogliari.

Assimilazione dell’ammonio - ciclo GS/GOGAT

Il processo di assimilazione dell’ammonio avviene attraverso 2 reazioni sequenziali ad opera degli enzimi glutammina sintasi (GS) e glutammato sintasi (GOGAT). Il ruolo prioritario del ciclo GS/GOGAT nell’assimilazione dell’ammonio è associato all’affinità della GS per il substrato.

La GS può essere presente in più isoforme:

• GS1 = localizzato nel citosol.
• GS2 = forma plastidiale.

Complessivamente, il ciclo GS/GOGAT prevede il trasferimento dell’ammonio sull’acido glutammico a dare glutammina. Questa reazione è catalizzata da GS e richiede ATP:

Glutammato + NH4⁺ + ADP —> Glutammina + ADP + Pi.

• L’enzima GOGAT catalizza il trasferimento del gruppo amminico dalla glutammina al 2-oxoglutarato a dare 2 molecole di acido glutammico.
• Quest’ultima reazione richiede potere riducente, come Fd o NADH, per le forme a) Fd-GOGAT o b) NADH-GOGAT.
• Il glutammato generato può reagire con vari scheletri carbonio derivati dalla glicolisi, dalla riduzione fotosintetica, dal ciclo di Krebs o dalla via dei pentoso fosfati. Può reagire con il piruvato, grazie all’alanina aminotransferasi per generare alanina.
• Le reazioni di transaminazione che utilizzano glutammato rigenerano alfa-chetoglutarato, cioè il principale scheletro carbonio necessario per l’assimilazione dell’N.

a) Glutammina + 2-oxoglutarato + Fdrid —> 2-Glutammato + Fdoss.

b) Glutammina + 2-oxoglutarato + NADH + H⁺ —> 2-Glutammato + NAD⁺.

L’enzima Fd-GOGAT avrebbe localizzazione cloroplasti, mentre NADH-GOGAT è presente nei plastidi dei tessuti non fotosintetici.

Carenze da azoto

• 1) Se c’è poco azoto la pianta ridurrà la crescita apicale e aumenterà quella delle radici per andare in cerca dell’elemento. In terreni poveri di azoto le piante presenteranno molte radici.
• 2) Provoca ingiallimento delle piante, crescita stentata.
• 3) Ingiallimento prende prima le foglie vecchie e poi quelle giovani.

Calcio

Forme, acquisizione e utilizzo del calcio

• Concentrazione del calcio è variabile nei tessuti vegetali e a seconda della specie i valori possono variare da 0,2 a 0,3% fino a 2-5%.
• La maggior parte di questo nutriente si trova in protoplasto a livello della parete cellulare.
• Le funzioni biologiche più importanti sono quelle strutturali e di messaggero secondario.
• Può andare a irrigidire la parete cellulare perché i gruppi carbossilici delle pectine possono essere coordinati dal calcio e irrigidire la parete.
• Inoltre il calcio può fare legami con il fosfato dei fosfolipidi e la membrana viene stabilizzata.

Le forme di calcio

• Può essere variabile da valori minimi di terreni acidi a valori alti in terreni.
• Il calcio è il catione più abbondante nella maggior parte dei suoli.
• Abbiamo il calcio scambiabile che è più importante per la struttura del suolo che per la nutrizione.

Assorbimento del calcio

• Il calcio viene assorbito dalle cellule radicali attraverso i canali nella membrana intracellulare.
• Abbiamo strutture come Ca²⁺-ATPasi (localizzate nel vacuolo, membrana plasmatica, reticolo) e trasportatori con un ruolo di trasportare attivamente il Ca²⁺ come tale o in antiporto con protoni. Ca²⁺-ATPasi —> capace di estrudere i protoni contro il gradiente elettrochimico dei protoni stessi. Sulla membrana plasmatica esistono entità capaci di estrudere protoni utilizzando l’ossidazione di NADPH. La proteina ATPasi è capace di accoppiare l’estrusione dei protoni all’idrolisi dell’ATP.

Carenza di calcio

• Carenza di calcio possono dare clorosi internervale, deformazioni, dislocamenti apici vegetativi e margini fogliari.

Fosforo

Forme, acquisizione e utilizzo del fosforo

• Il fosforo rappresenta il 0,2/1% della sostanza secca di un vegetale.
• Nelle cellule è presente in forma solubile sia come ortofosfato (Pi) che come pirofosfato (PPi). In forma organica, è un elemento legato a gruppi ossidrilici di zuccheri e alcoli attraverso legami esteri, svolgendo un ruolo fondamentale per il metabolismo dei carboidrati.
• Il Pi (ortofosfato) è importante perché contribuisce al mantenimento del pH in questo ambiente cellulare vicino alla neutralità.
• Pi si lega ad altri gruppi fosfato mediante legami pirofosfato come nel caso della formazione di ATP, importante perché è il composto di partenza di diverse vie metaboliche come la sintesi degli acidi nucleici dove il fosforo ha importanza.
• Formazione e idrolisi di questo legame sono uno dei meccanismi centrali del metabolismo energetico cellulare.
• Inoltre il fosforo è importante per la regolazione enzimatica.

Forme di fosforo nel suolo

Fosforo si presenta in 4 forme principali:

• 1) Fosforo in soluzione come Pi e composti organici.
• 2) Fosforo adsorbito sulle superfici dei colloidi inorganici.
• 3) Fosforo in forma minerale cristallina.
• 4) Fosforo come componente sostanza organica nel suolo.

In soluzione può essere H2PO4^- / acido fosforico / che HPO4^2- / diidrogeno fosfato / in funzione del pH, in suoli ricchi di sostanza organica.

Le forme minerali di fosforo nel suolo sono rappresentate da apatiti (fosfati di calcio) e fosfati di ferro e di alluminio.

Assorbimento del fosfato e trasporto

• Il fosfato viene assorbito dalle radici prelevandolo dalla soluzione del suolo, nella forma ossianionica, H2PO4^- / acido fosforico / o HPO4^2- / diidrogeno fosfato /.
• Il trasporto del fosfato è dato da trasportatori ad alta affinità o bassa affinità.
• Il trasporto transmembrana avviene contro gradiente elettrochimico (attivo) ed è energizzato dall’estrusione di H⁺ da parte della H⁺-ATPasi nella membrana plasmatica. La membrana plasmatica è capace di estrudere i protoni contro gradiente il gradiente elettrochimico dei protoni stessi, si può estrudere protoni utilizzando l’ossidazione NADPH, la proteina ATPasi capace di accoppiare l’estrusione dei protoni all’idrolisi ATP.
• I trasportatori capaci di garantire il trasporto di fosfato in diversi tessuti della pianta appartengono a 4 famiglie diverse di geni che codificano geni (PHT) che codificano per la sintesi di queste proteine.
• I geni che codificano per trasportatori ad alta affinità PHT1 assorbono il fosfato dalla soluzione al suolo.

Carenza di fosforo

• Lo stress da carenza provoca una espressione dei trasportatori che è ampiamente sovraregolata, con un aumento della capacità di assorbimento.
• Inoltre la pianta attua delle modificazioni all’architettura radicale, promuovendo la crescita radicale, la proliferazione dei peli radicali e la secrezione di anioni di acidi organici insieme a composti fenolici che li proteggono dalla degradazione microbica.
• Infine rilascia enzimi idrolitici come fosfatasi e fiati per favorire la mobilizzazione del fosforo da fonti organiche.
• Piante crescono in modo stentato con germogli poco lignificati.

Lo zolfo

Forme, acquisizione e utilizzo (macronutrienti)

• Lo zolfo è presente nella pianta con un buon quantitativo tanto è che viene considerato un macronutriente, rappresenta 0,1/0,5% della sostanza secca.
• È un elemento costitutivo che si trova nella cisteina e metionina.
• Nella cisteina lo zolfo è presente come gruppo sulfidrile che è soggetto a reazioni reversibili di ossidazione con formazione legame covalente S-S.

Forme di zolfo nel suolo

• Zolfo si trova nel suolo come solfato in soluzione, solfato assorbito sulle superfici di minerali, zolfo presente nei minerali e S.O.
• La maggior parte di zolfo è presente in forma organica (90%).
• Lo zolfo è presente come solfato, in particolare come ossianione solfato.

Assorbimento e assimilazione del solfato

• La forma di zolfo più comune e disponibile per assorbimento da parte delle piante è ossianione solfato (SO4^2-).
• Assorbimento del solfato avviene tramite radice e la sua distribuzione all’interno della cellula e della pianta prevede l’attraversamento di diverse membrane e il passaggio è dato da trasportatori semplici.
• Assorbimento del solfato dalla soluzione del suolo all’interno delle cellule radicali è un processo di co-trasporto con protoni mediato da trasportatori ad alta affinità, permesso dalla H⁺-ATPasi. La membrana plasmatica è capace di estrudere i protoni contro gradiente il gradiente elettrochimico dei protoni stessi, si può estrudere protoni utilizzando l’ossidazione NADPH, la proteina ATPasi capace di accoppiare l’estrusione dei protoni all’idrolisi ATP, della membrana plasmatica.
• I trasportatori coinvolti nel trasporto del solfato sono SULTR1 e SULTR1.2 sono coinvolti nell’assorbimento dell’anione dal mezzo esterno della radice.
• Sono trasportatori ad alta affinità, uno costitutivo e uno inducibile.
• Assimilazione del solfato prevede attraverso 3 passaggi di riduzione in totale, il solfato riceve 8 elettroni fino a solfuro (S^2-).

Regolazione del trasporto e assimilazione solfato

• Avviene a livello trascrizionale determinando attivazione dei meccanismi preposti a tali processi in condizioni di limitata disponibilità di zolfo.

Carenza di zolfo

• La carenza di zolfo induce la trascrizione di geni coinvolti nell’assorbimento e l’assimilazione dello zolfo, inibita invece dalla somministrazione di solfato.
• Colorazione viola intensa nei gambi delle foglia.
• Le foglie rimangono più piccole e le foglie giovani risultano clorotiche su tutta la lamina comprese le nervature proprio perché lo zolfo è importante per la costituzione di amminoacidi come cisteina e metionina e non essendoci ne limita la crescita.
• Alcune foglie presentano giallo scuro.

Magnesio

Forme, acquisizione e utilizzo

• La concentrazione citoplasmatica del magnesio è 0,5 mM ed è molto bassa rispetto a quella del potassio.
• La funzione biologica più importante del magnesio è quella di essere costituente della clorofilla.
• Un altro ruolo del magnesio importante riguarda i flussi dal lume del tilacoide allo stroma per controbilanciare l’ingresso di H⁺.
• La maggior parte del magnesio presente nella cellula svolge un ruolo di cofattore enzima.