Tema20

20.
NUTRICIÓN
NITROGENADA.
Introducción.
Fijación
simbióntica.
Nodulación.
Mecanismo
bioquímico de la fijación. Reducción asimiladora de
nitratos. Asimilación del amonio en las plantas. Control
de la asimilación del nitrógeno por la planta.
OBJETIVOS: Comprender los procesos relacionados con la
asimilación del nitrógeno y su utilidad posterior.
Introducción
El nitrógeno es un elemento esencial para la planta. Es muy
abundante en el medio pero aún así, existen muchas posibilidades
de mineralización o evaporación gaseosa, que hacen que estas
fuentes de nitrógeno no sean asimilables. Muchos suelos además
no tienen nitrógeno disponible y por ello es necesario el uso de
fertilizantes (que siempre suelen llevar Nitrógeno y otros dos
elementos más).
Su deficiencia es muy visible en la planta porque su existencia
es muy importante como componente de moléculas imprescindibles:
clorofila, auxinas, fitoquininas, aminoácidos, proteinas…
Fig.1 Efectos de la deficiencia en N
Las fuentes de nitrógeno más importantes para las plantas
son:
 N atmosférico: (N2) es una gran fuente (80% de la
atmósfera). Se asimila cuando la planta entra en
simbiosis con una bacteria. Este proceso tiene un
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importante impacto ecológico así como gran importancia
agronómica. En otros casos la planta no puede fijar esta
forma.
 No biológica: nitratos, amonio…son formas asimilables
por la planta pero generalmente no están disponibles.
Fijación simbióntica
Se produce en simbiosis con bacterias que sí son capaces de
asimilar el nitrógeno atmosférico (bien sea sólo en simbiosis o
también de forma independiente), como puede ser Rhizobium (llega
a fijar 8x107 T al año). En este caso la simbiosis se produce entre la
bacteria y una leguminosa. Esta fijación es muy efectiva y suele
utilizarse para la recuperación de suelos degradados
(fitorremediación).
La asociación es recíproca entre ambos, es decir, los dos
organismos se benefician de la asociación. Depende de procesos
que hacen que los dos se reconozcan mutuamente. Se conoce muy
bien el modelo de Rhizobium y por eso es el tipo que vamos a
estudiar. En este caso, como en muchos otros, la asociación se
produce en la raíz. Se da un proceso de expresión génica
diferencial que dará lugar a una estructura llamada simbiosoma que
contendrá a las bacterias modificadas (bacteroides). De esta forma
se va a poder llevar a cabo la reducción de N atmosférico a amonio,
porque las condiciones del simbiosoma van a permitir la función del
enzima nitrogenasa, que necesita ausencia de oxígeno. Todo el
proceso está regulado por la disponibilidad de nitrógeno que tenga
la planta.
Los pasos del establecimiento de la simbiosis son:
 Reconocimiento celular modulado por aproximación y
señalización
 Infección: crecimiento desorganizado
 Establecimiento de la simbiosis DIAZOTROFA.
Nodulación
Es el resultado de la infección. Se forman en la zona de los
pelos radicales en la raíz. Esto sólo se produce cuando existe un
déficit de N en la planta. Suele darse en regiones radicales jóvenes
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y en sus primeras etapas van acompañadas de una curvatura del
pelo radical.
Fig.2 Curvatura del pelo radical y formación del nódulo
Sólo cuando se produce el cambio de bacteria a bacteroide
con la simbiosis, la bacteria es capaz de fijar N atmosférico porque
es capaz de activar el enzima Nitrogenasa.
Cuando la planta necesita N comienza a excretar elicitores,
que son moléculas que la planta excreta y generan una respuesta.
Suelen ser flavonoides que producen la aproximación de la bacteria
por quimiotaxis y la expresión de los genes NOD (nodulación).
La bacteria, a su vez, libera lipopolisacáridos y la planta
expone en la zona de infección moléculas tipo lectina. Así se va a
provocar la expresión en la bacteria de los genes NIF (fijación).
El bacteroide se forma porque la bacteria entra formando un
canal de infección mediante tejidos de la planta, y en su entrada la
bacteria queda envuelta en restos de membrana de la célula vegetal
(membrana peribacteroide). Varios bacteroides se incorporan a
zonas diferenciadas formando los simbiosomas.
Fig.3 Ejemplo de nódulo
Dependiendo del clima nos podemos
encontrar con distintos tipo de nódulos:
 C.
templados:
nódulos
con
crecimiento determinado. Sin células
meristemáticas. Ejem. Judía.
 C.
tropicales:
nódulos
con
crecimiento ilimitado. Con diferentes
poblaciones celulares, entre ellas
meristemáticas. Ejem. Alfalfa.
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Ambos van a estar formados por un núcleo con células con
actividad nitrogenasa (central) y células con vacuolas rodeándolo,
que sirven como células de tranferencia. Los indeterminados suelen
tener espacios intercelulares y más vacuolas en las células
periféricas. Los determinados tienen lentécelas externas para
facilitar el intercambio de amonio yu nio suelen tener células de
transferencia.
En todo el proceso hay una potente interacción entre la
efectividad del núcleo y la actividad del simbiosoma. El N entra por
las raíces hacia el simbiosoma donde se reduce a amonio. Éste es
excretado al citroplasma de la célula vegetal y es en los cloroplastos
o también en el propio citoplasma donde se forman los compuestos
orgánicos necesarios. Desde ellos se transportan a las zonas de
consumo.
Mecanismo bioquímico de la fijación
El N atmosférico es un compuesto muy estable y debe ser
activado para transformarlo en otros compuestos. Para que se
produzca de forma espontánea se requieren presiones y
temperaturas muy altas. Este proceso se conoce como proceso
Haber- Bosch. Pero el enzima nitrogenasa permite esta reducción
de forma más rápida y sin necesidad de estas condiciones.
Necesita, eso sí, un ambiente de anaerobiosis y gasto de ATP. Este
ambiente anaerobio lo proporciona la Leghemoglobina o, en otros
casos, el que la reacción se produzca en heterocistes (estructuras
celulares diferenciadas donde no hay oxígeno).
El poder energético y reductor proceden fundamentalmente
del proceso fotosintético.
La nitrogenasa es un complejo proteico. Facilita una reacción
sencilla pero a la vez compleja, porque tiene que modificar la
estabilidad de la molécula de N2. Partes de la actividad nitrogenasa
cambian conformacionalmente frente a flujos energéticos o
procesos de oxido-reducción. En plantas superiores se desconoce
parte de su funcionamiento pero se sabe más en plantas más
simples.
Las características de la nitrogenasa fueron postuladas por
Postgate en 1987 y son las siguientes:
 Es inhibida por O2
 Consta de dos sistemas proteicos
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 Contiene átomos de metales de transición para facilitar
el trasiego de electrones y generalmente se acepta que
son Fe y Mb.
 Necesita Mg
 Su actividad requiere gasto de ATP
 Es inhibida por ADP
Como decimos la nitrogenasa esta formada por dos unidades
proteicas (fig.4):
Unidad 1: es el centro donde se reduce el N2 y el que
tiene la actividad reductora. Formada por 4 subunidades
proteicas de unos 200 KDa. Lleva Fe, Mb y S.
Unidad2: formada por una Fe-proteína son 2
subunidades con 4 átomos de Fe y 4 de S.
Fig.4 Actividad y estructura tridimensional de la Nitrogenasa
La unidad 1 recibe electrones de la unidad 2 de forma
coordinada para producir la reducción efectiva del N2. La
Ferredoxina reduce a la unidad 2 que, por activación con ATP y Mg
reduce posteriormente a la unidad 1. La reacción global sería:
N2 + 6H+ + 6e- ---NITROGENASA--- 2 NH3
2H+ + 2e- -------------------- H2
N2 + 8e- + 8H+ + n ATP ------------ 2NH3 + H2 + n ADP + nPi
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Luego necesitamos 8 e- para reducir el nitrógeno atmosférico.
Generalmente por cada electrón se necesitan 2 moléculas de ATP
luego serán necesarias 16 moléculas de ATP para reducir una
molécula de N2 . El aporte de energía procede de la sacarosa que se
forma por el proceso fotosintético, luego como
es observable, la reducción del nitrógeno es
un proceso que conlleva un gasto importante
de energía. Al simbiosoma no llega sacarosa
sino malato, que proporciona el poder
asimilatorio necesario. Éste es incorporado por
el simbiosoma mediante transportadores
activados. El amonio va a ser fijado en el
citoplasma o en los plastos de la célula
infectada. Dependiendo del tipo de nódulo se
formarán amidas (en nódulos indeterminados)
o ureidos (en nódulos determinados de zonas
tropicales).
Fig. 5 Fijación en raíz con nódulo y transporte a las
hojas
Reducción asimiladora de nitratos (fijación no
biológica)
Se da en las plantas donde no ocurre la fijación biológica por
simbiosis con microorganismos. Fijan entonces formas nitrogenadas
del suelo asimilables por la raíz, preferentemente NO3. Algunas
también pueden absorber amonio. En estos dos casos se produce
una entrada selectiva a la célula receptora.
En el caso del nitrato pueden darse dos situaciones:
 Utilización inmediata en la célula
 Acumulación en vacuolas: ocurre cuando no es
utilizado ya que, a determinadas concentraciones,
puede resultar tóxico. Puede ser utilizado en
momentos de escasez.
El proceso consiste en la reducción de nitrato a nitrito. Este
entra en los plastidios y se transforma en amonio que dará lugar, en
último término, a aminoácidos. Estos aminoácidos son
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transportados a los lugares de consumo mediante el xilema. La
fijación de nitrato es selectiva y activa y se produce por cambios de
membrana generados por una ATPasa. La reacción general sería:
NO3- -------------------- NO2- -----------------------NH4+
Fig.6 Fijación de nitrato en la raíz y transporte a los
centros de consumo.
El paso de nitrato a nitrito está
catalizado por el enzima nitrato reductasa.
Es un enzima citoplásmico que toma e- del
NADH
preferentemente
y
produce
reducción del nitrato con participación de
FAD, Citocromo b-557 y Molibdeno.
El paso de nitrito a amonio está
catalizado por el enzima nitrito reductasa,
que se encuentra en los plastos y toma ede la Ferredoxina. En su caso participa el
Sirohemo (tetrapirrol de Fe y S).
Asimilación de amonio en plantas
El amonio de transforma en productos susceptibles de ser
transportados y que son necesarios para en crecimiento de la
planta. Hay un gasto de ATP para que, mediante la glutamina
sintetasa se transfiera el amonio al glutamato para dar lugar a
glutamina.
Para formar elementos más complejos se realiza una
transaminación con participación de Ferredoxina o nADP,
generando Aspartato y Asparragina que van a ser los vehículos de
transporte. En algunos casos también se pueden formar ureidos.
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Fig.7 Proceso global de la asimilación no biológica de nitrógeno.
Control de la asimilación de nitrógeno en plantas
El proceso de captación está sometido a regulación. Sabemos
que la mayoría de los elementos necesarios para el crecimiento y
desarrollo de la planta pueden llegar a ser nocivos si su
concentración en la planta es demasiado alta y por ello es necesaria
esta regulación. En el caso de la asimilación de nitrógeno existe una
regulación tanto de la actividad génica como de la enzimática.
En esta regulación intervienen varios factores como son:
 Disponibilidad de Nitrato en el entorno
 Presencia o ausencia de luz
 Disponibilidad de Glucosa
 Concentración de productos (Ejem. la presencia de
Glutamina inhibe el proceso)
La nitrato reductasa se inactiva por fosforilación en el último
residuo de Serina por acción de una kinasa. La activación se ve
favorecida por el Calcio (porque favorece hidrólisis de ATP) y
desfavorecida por la presencia de triosas fosfato. La luz es un
efector positivo porque elimina restos de fosfato de la serina.
NOEMÍ TRABANCO MARTÍN 3º C
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