Asimilación del nitrógeno y azufre Tema 11 Asimilación del nitrógeno y azufre

Objetivo Comprender cómo ocurre la incorporación del N y S, esenciales para el crecimiento y desarrollo de la planta, desde las formas oxidadas en que se hallan en el suelo a las formas reducidas presentes en las sustancias orgánicas.

Contenido Introducción Asimilación del nitrógeno Asimilación del azufre

Introducción

Abundancia N y S son dos de los elementos más abundantes en la materia viva. La razón N/S en la biomasa es de 20, la proporción de ambos elementos en las proteínas.

Finalidad asimiladora En suelos bien aireados se presentan en sus formas más oxidadas: NO3- y SO42-. Las plantas reducen nitratos y sulfatos a amonio (NH4+) y sulfuro (H2S) o tioles (-SH) y los incorporan a moléculas orgánicas.

Finalidad respiratoria Nitratos y sulfatos son aceptores terminales de electrones en la oxidación de sustratos orgánicos en bacterias anaerobias estrictas.

Asimilación del nitrógeno

N2 NO3- Fijación del nitrógeno Reducción del nitrato ASIMILACION del N

¿Cómo asimilan las plantas el nitrato? Absorción de nitratos Reducción del nitrato a amonio Incorporación del amonio a esqueletos carbonados

El nitrato es transportado activamente al interior de la célula mediante un simporte con protones vacuola NO3- H+ ADP ATP +++++++++ -------- 2H+ La absorción es un proceso activo. La energía la provee un gradiente de protones (fpm), generado por ATPasas de la mb plasmática Está asociada a una despolarización de membrana Respiración de las células de la raíz

La reducción de nitrato a amonio tiene lugar mediante dos reacciones consecutivas Reacciones lumínicas de la fotosíntesis o glucolisis y respiración

Reducción de NO3- a NO2- NR: enzima citosólica 2 isoformas - NADH Nitrato Reductasa NO3- + H+ + 2e- NO2- + H2O NADH NAD+ NR: enzima citosólica 2 isoformas - NADH - NADPH Citoplásmatica Homodímero: 3 grupos prósteticos: FAD Hemo Complejo de Mo 2 isoformas

Reducción de NO2- a NH4+ NiR: Enzima plastídica Nitrito Reductasa NO2- + 8H+ + 6 e- NH4+ + 2H2O 6Fd red 6 Fd ox NiR: Enzima plastídica 2 gr. prostéticos redox: cluster Fe-S siro-hemo 2 isoformas

La asimilación del nitrato está regulada por la luz y por los metabolitos nitrogenados y carbonados

Activación/inactivación de NR en respuesta a cambios luz/oscuridad. NO3- promueve la síntesis de novo de su proteína de transporte a través del plasmalema controla la síntesis de NR y NiR (a nivel de transcripción y postranscripción, incrementando la estabilidad de los mRNA y de las proteínas) Luz incrementa la transcripción de NR y NiR y el nivel de proteínas que codifican, en un efecto mediado por fitocromo. estimula la síntesis de los mRNA a través de los productos de la fijación fotosintética (azúcares) Nitrógeno reducido en forma de glutamina o glutamato reprime la síntesis de los mRNA Factor plastídico Actúa como señal primaria para que el NO3- y la luz puedan activar la expresión de los genes de NR y NiR naturaleza aún desconocida Activación/inactivación de NR en respuesta a cambios luz/oscuridad.

Procesos que liberan NH4+ Fotorrespiración Reducción de NO3- Aminoácidos y otros compuestos nitrogenados NH4+ Fijación biológica de N2 Degradación de Proteínas (Germinación, senescencia)

La toxicidad del amonio se basa en su capacidad de disipar gradientes de protones NH4+ + OH- NH3 pH alto Estroma, matriz o citoplasma pH bajo Lumen, espacio intermembranoso o vacuola NH3 + H+ NH4+ H+ OH- OH- H+ H+ OH- H+ OH- OH- H+ H+ OH- OH- H+ H+ OH- H+ OH-

Existen dos enzimas que transforman el amonio 1- glutamina sintetasa (GS) 2- glutamato sintetasa (GOGAT) Ciclo GS-GOGAT

Glutamina sintetasa (GS) Glutamato+NH4+ + ATP Glutamina + ADP + Pi Cofactores: Mg, Mn y Co. Esta enzima contiene 8 subunidades muy similares y se conocen varias isoformas

La glutamato sintasa (GOGAT) (glutamina 2 oxoglutarato amino transferasa) Glutamina+2Oxoglutarato+NADH+H (o Fdred)  2 Glutamatos + NAD (o Fd oxid) Dos tipos: 1- NADH en plastidios de tejidos no fotosintéticos (raíces, nódulos o tejidos etiolados) 2- Ferredoxina, en los cloroplastos.

Reacciones de transaminación y síntesis de aminoácidos

El aspartato es uno de los productos iniciales de la asimilación del N y es importante en su transferencia entre compartimentos celulares y de célula a célula, como ocurre en especies C4. La asparagina constituye uno de los compuestos nitrogenados más abundantes en el floema.

Conexión entre el metabolismo del carbono y del nitrógeno

La asimilación del N requiere poder reductor, ATP y esqueletos carbonados El poder reductor y el ATP pueden ser suministrados por las reacciones lumínicas de la fotosíntesis o por la glucolisis y la respiración Los esqueletos carbonados provienen de la oxidación de carbohidratos, que han sido formados por reducción fotosintética del carbono

Transporte del nitrógeno a la planta

La forma de transporte y almacenamiento de aminoácidos es la asparagina Asparagina sintetasa (AS) Glutamina + Aspartato Asparagina + Glutamato

El nitrato absorbido por la raíz puede ser reducido y asimilado en la raíz o ser transportado a la parte aérea. Si hay poco nitrato en el suelo, una elevada proporción del mismo es reducido en la raíz mientras que si hay suficiente, la mayor parte es transportada al vástago. Las vacuolas son el principal sitio de almacenamiento. A medida que la planta se desarrolla, la reducción de nitrato desciende en la raíz y aumenta en la hoja. Los frutos y semillas en desarrollo demandan gran cantidad de N, que proviene de la degradación de proteínas de órganos vegetativos (hoja bandera en cereales) o bien de N asimilado de novo.

Plantas acumuladoras de nitrato Cruciferae, Compositae, Graminae, Solanaceae y especialmente en las nitrófilas como Chenopodium album o Urtica dioica.

Asimilación del azufre

El azufre forma parte de diferentes compuestos AA (proteínas)=cisteína y metionina Glutation Coenzimas y vitaminas Sulfolípidos Metabolitos secundarios

Absorción del sulfato

Reducción de sulfato a cisteína

http://www.abenmen.com/a/azufre_en_plantas.pdf

Cistationasa Metionina sintasa Cistationina sintasa (Azcón-Bieto y Talón 2008)

http://www.abenmen.com/a/azufre_en_plantas.pdf

Glutatión El glutation es el tripéptido glutamato-cisteína-glicina. Principal compuesto de almacenamiento y transporte de azufre orgánico en plantas. Se sintetiza en las hojas, especialmente en los cloroplastos, y gran parte es exportado a la raíz y órganos en crecimiento. Puede encontrarse en forma reducida (GSH) y en forma oxidada como un dímero (GSSG) en el que dos moléculas están unidas por un puente disulfuro.

Funciones El glutatión reducido protege de la oxidación a los grupos tiólicos de los centros catalíticos de muchas enzimas evitando su inactivación. Participa en la destoxificación de especies activas de oxígeno que se forman en el cloroplasto en situaciones de estrés. Defensa frente a herbicidas, formando conjugados con ellos. Precursor de fitoquelatinas, que secuestran metales pesados y evitan su acúmulo y toxicidad.