Tema 23 - Nutricion nitrogenada

23.-
NUTRICION
NITROGENADA.
Sistemas
biológicos fijadores del
nitrógeno atmosférico.
Fijación
simbiótica.
Nodulación.
Mecanismo
bioquímico de la fijación. Reducción asimiladora de
nitratos.
Reducción
fotosintética
del
nitrato.
Asimilación del amonio en las plantas. Control de la
asimilación del nitrógeno por la planta.
OBJETIVOS: Se trata de comprender
los procesos
relacionados con la asimilación del nitrógeno y su
utilidad posterior.
OBSERVACIONES:
La fijación de nitrogéno por simbiontes de vegetales y
se estudia en el mismo cuatrimestre en Diversidad de
Procariotas. Lo relacionado con características
generales y ciclo biológico del nitrógeno se imparte en
la asignatura Diversidad en Procariotas en el mismo
cuatrimestre.
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Sistemas biológicos
atmosférico:
fijadores
del
nitrógeno
Las plantas necesitan nitrógeno, es un macroelemento
indispensable para el crecimiento. Las plantas
disponen de mecanismos adecuados para, en caso de
déficit, optimizar el nitrógeno disponible de la mejor
forma posible. El nitrógeno es un “ladrillo estructural”,
es necesario a nivel constitutivo ya sea para la
clorofila como para la formación de aminoácidos, de
nucleósidos, de reguladores de crecimiento, etc.
La molécula de dinitrógeno (N2) es muy poco reactiva,
al ser muy estable en su forma molecular, por lo que,
para su fijación se va a necesitar tanto energía como
poder reductor. Pese a su poca reactividad, permite
realizar procesos de oxido-reducción.
La posibilidad de fijar el nitrógeno atmosférico es la
llave del ciclo del nitrógeno del que se estima una
movilidad de 2 x 108 Tm/año. El nitrógeno, a nivel
atmosférico, representa aproximadamente un 80% de
la
representación
gaseosa
de
la
atmósfera.
Comparativamente la cantidad de nitrógeno en
atmósfera y en suelo es superior en atmósfera, sin
embargo, la mayor parte de las plantas son incapaces
de fijar el nitrógeno atmosférico. La mayor parte de
ellas cubren sus necesidades con amonio y nitratos
obtenidos desde la litosfera.
Se distinguen 3 vías de asimilación del nitrógeno:
- Fijación del nitrógeno atmosférico gracias a la
simbiosis con microorganismos.
- Captación del nitrógeno del suelo en forma de
nitrato (NO3-).
- Captación del nitrógeno del suelo en forma de
amonio (NH4+).
Fijación simbiótica:
Se va a producir en aquellas especias susceptibles de
ser infectadas por microsimbiontes que, a su vez, van
a ser capaces de tomar el nitrógeno atmosférico.
Hay microsimbiontes que pueden fijar el nitrogeno en
forma libre, su aportación ecológica es reducida
aunque importante en suelos muy deteriorados.
Mas importante es el establecimiento de sistemas
simbiónticos entre procariotas y plantas superiores
como en el caso de Rhizobium con plantas
leguminosas que llegan a fijar 8 x 107 T/año (también
se establecen entre Rhizobium y no leguminosas u
otros
procariotas
como
Frankia
e
incluso
cianobacterias). En todos ellos la asociación se suele
dar, preferentemente en la raíz aunque, en casos
puntuales, esas simbiosis se pueden dar en el tallo.
En esta fijación biológica se da un proceso de
expresión génica diferencial que dará lugar a una
estructura (simbiosoma) que va a contener a las
bacterias modificadas (bacteroides) y que, en esa
situación van a incorporar a sus maquinarias la
capacidad de reducir el nitrógeno atmosférico hasta
amonio. Los bacteroides se compartimentalizan en el
simbiosoma que está rodeado de una membrana
específica para permitir que la actividad nitrogenasa
quede enmarcada en un ambiente exento de O2 dado
que la nitrogenasa (enzima responsable de la fijación
del nitrógeno) es sensible a concentraciones de
oxígeno.
Todo el proceso está regulado por la disponibilidad de
nitrógeno que tenga la planta.
Nodulación:
Los nódulos se forman en regiones radiculares,
ocasionalmente en zonas caulinares y su formación
está asociada a la disponibilidad de obtener nitrógeno
del suelo y se forman como consecuencia de una
cambio en la expresión génica.
Suelen darse en regiones radiculares jóvenes y, en sus
primeras etapas van acompañadas de una curvatura
de la región radicular (Fig. 1).
Fig 1 – Curvatura de región radicular.
Se produce la transferencia de una bacteria que, en
estado libre, presenta división celular activa, no
presenta fijación de nitrógeno y, cuando se produce la
interrelación del microsimbionte con la planta
susceptible se provoca un cambio en la bacteria que
se modifica dando lugar a un bacteroide.
El bacteroide tiene capacidad de división limitada, va a
ser capaz de fijar el nitrógeno porque comienza a
expresarse actividad nitrogenasa y sufre cambios de
diferenciación.
Un proceso en principio invasivo se transforma en un
proceso beneficioso.
Este proceso se realiza mediante una serie de etapas
muy coordinadas que implican señalización por parte
de la planta y por parte del microsimbionte. Por lo
tanto, una planta creciendo con déficit de nitrógeno va
a pasar por:
- Fase de reconocimiento celular: reconocimiento
por parte de la planta y capacidad invasiva de la
bacteria, la planta lanza señales y la bacteria
busca puntos de invasión.
- Infección
- Establecimiento
de
simbiosis
diazotrofa
(simbiosoma)
Cuando la planta necesita nitrógeno, va a comenzar la
excreción de elicitores (todas aquellas moléculas que
la planta excreta y generan una respuesta).
Estos elicitores, que suelen ser flavonoides, provocan
la
aproximación
del
microsimbionte
mediante
atracciones quimiotácticas y dispara en el mismo, la
expresión de genes NOD (nodulación). Estos genes
NOD provocan que el microsimbionte sea capaz de
reconocer la planta y, en ella las regiones donde se
puede incorporar.
Simultáneamente
el
microsimbionte
libera
lipopolisacáridos y la planta va a dejar expuestas, en
la zona de infección, glicoproteínas (lectinas). Así el
microsimbionte se acerca a la zona de infección. La
planta dispara la expresión de ciertas proteínas que
facilitan en el microsimbionte la expresión de genes
NIF o FIX(fijación).
Se producen una serie de cambios morfológicos de tal
manera que, la bacteria, por medio de una canal de
infección (por quimiotactismo) va a ser incorporado
como bacteroide (bacteria modificada). El bacteroide
se forma debido a que en la penetración, la bacteria
queda envuelta de restos de membrana celular
formándose la membrana peribacteroide. Varios de
estos
bacteroides
llegan
a
incorporarse
en
microambientes bien diferenciados formando los
simbiosomas. En este momento los bacteroides son
capaces de expresar capacidad nitrogenasa, debido a
que los microambientes
concentración de oxígeno.
generados
tienen
baja
Se van a formar diferentes tipos de nódulos:
- Nódulos de crecimiento limitado/determinado
(judía).
- Nódulos de crecimiento ilimitado/inderterminado
(alfalfa).
Los determinados tienen un periodo funcional limitado
mientras que los indeterminados siempre poseerán
células meristemáticas que se dividirán.
Ambos van a estar formado por un núcleo con células
que poseen actividad nitrogenasa (zona central)
rodeado por células con vacuolas que van a servir
como células de transferencia.
Los determinados suelen ser esféricos, con lenticelas
en zonas externas para facilitar en intercambio de
amonio y no suelen tener células de transferencia.
Los
indeterminados
suelen
tener
espacios
intercelulares, con células de transferencia y mayor
número de vacuolas.
Mecanismo bioquímico de la fijación:
La base bioquímica del proceso reside en la expresión
diferencial del enzima nitrogenasa o dinitrogenasa.
Para su actuación necesita:
- Estar aislada del entorno de oxígeno
- Ser susceptible de actuar a expensas de ATP y
poder reductor procedentes, en último término del
proceso de fotosíntesis.
La nitrogenasa se localiza dentro del simbiosoma y va
a facilitar la transformación (reducción) del nitrógeno,
que es químicamente estable, a materia orgánica vía
formación de NH3.
La nitrogenasa es un complejo proteico que va a
facilitar una reacción sencilla pero que implica
modificar la estabilidad del dinitrógeno. Partes de la
actividad nitrogenasa cambian conformacionalmente
frente a flujos energéticos o procesos de oxidoreducción. En plantas superiores se desconoce parte
de su funcionamiento pero esta más estudiado en
plantas más simples.
En 1987, Postgate postuló que la nitrogenasa debía
cumplir unos requisitos:
- Es inhibida por oxígeno.
- Consta de dos sistemas proteicos.
- Contiene átomos de metales de transición para
facilitar el trasiego de electrones y generalmente
se acepta que son el hierro y el molibdeno.
- Necesita magnesio.
- Convierte ATP en ADP.
- Es inhibida por ADP.
Todos estos requisitos son suficientes para que se
reduzca el nitrógeno y otras pequeñas moléculas con
triples enlaces.
Estos postulados, junto con la caracterización en
plantas poco complejas permiten conocer que, la
nitrogenasa, generalmente está constituida por dos
componentes proteicos (Fig.2):
- Componente 1, centro donde se reduce el nitrógeno y
presenta la verdadera capacidad de reducción.
Formado por 4 subunidades de unos 200 Kda
y lleva como elementos metálicos móviles de
transferencia hierro, molibdeno y azufre.
- Componente 2, formado por una fe-proteína, formado
por dos subunidades con 4 átomos de hierro y 4 de
azufre.
El componente 1 recibe electrones del componente 2
de forma coordinada para provocar la reducción
efectiva del nitrógeno. La ferredoxina reduce al
componente 2 que, por activación con ATP y magnesio
reduce posteriormente al componente 1.
Fig. 2 – Actividad de la nitrogenasa
En condiciones industriales se necesitan altas
presiones y temperatura (hasta 400ºC), junto con
catalizadores de hierro y molibdeno para que el
proceso se lleve a cabo (proceso de Haber-Bosch), sin
embargo también se consigue con la nitrogenasa.
N2 + 6H+ + 6e- --nitrogenasa---- 2 NH3
2H+ + 2e- ---------------- H2
Teniendo en cuenta las dos reacciones, se van a tener
que gastar 8e- para reducir el nitrógeno atmosférico.
Los estudios cuantitativos suponen que, por cada
electrón que se transfiere se necesitan 2ATP por tanto
habrá un gasto global de 16ATP.
La reacción general es:
N2+ 8e- + 8H+ + nATP  2NH3 + H2 + nADP + nPi
La nitrogenasa debe aportar los electrones y el ATP
necesarios para reducir el nitrógeno atmosférico a
derivados asimilables. El aporte de energía y poder
reductor procede de la sacarosa producida en
fotosíntesis y es exportada a raíz por el floema. A nivel
de simbiosoma no se importa la sacarosa, sino el
malato que proporciona el poder asimilatorio necesario
para la reducción.
La fijación del nitrógeno se va a dar únicamente en el
simbiosoma. El amonio va a ser fijado o bien en el
citoplasma de la célula infectada o en los plastos. Esa
fijación, dependiendo del tipo de nódulo, dará como
resultado amidas o ureidos. Generalmente se forman
amidas (ureidos en nódulos determinados de zonas
tropicales). Van a ser los vehículos de transporte del
nitrógeno a zonas de consumo (Fig. 3).
Todo el poder asimilatorio va a proceder del malato
que es incorporado por el simbiosoma mediante
transportadores de malato activados de forma
secuencial.
El amonio formado va a fijar el nitrógeno en forma de
precursores de aminoácidos complejos, ya sean
amidas o ureidos vía glutamina-sintasa. Esta fijación
se realiza preferentemente en los plastidios, si hay
suficientes, sino en el citoplasma.
Fig 3. Fijación de nitrógeno en raíz con nódulo.
Reducción asimiladora de nitratos:
En la mayoría de especies vegetales, el mecanismo de
fijación biológica no funciona, como alternativa
absorben por la raíz fuentes de nitrógeno disponible en
el suelo.
Las plantas toman generalmente nitratos y, en su
defecto pueden absorber amonio, en ambos casos se
produce una entrada selectiva.
Con el nitrato se pueden dar dos situaciones: que
según entra en la célula sea utilizado o que se
acumule en vacuolas, debido a que en determinadas
concentraciones es tóxico y, mediante un transporte
reversible entre la célula y la vacuola vaya siendo
usado.
El nitrato debe reducirse hasta amonio y no hay
actividad nitrogenasa, se reduce a nitrito que entra a
lo plastidios y se convierte en amonio. Este amonio, ya
sea en los plastidios o en el citoplasma se transforma
en aminoácidos (amidas o ureidos). El transporte
posterior hacia
xilema(Fig. 4).
los
centros
de
consumo
es
vía
Fig. 3 – Fijación de nitrógeno en raíz.
La absorción del nitrógeno es selectiva y activa,
entran por cambios en la membrana generados por la
protón-ATPasa.
Reacción general:
NO3- ---Nitrato reductasa NO2- --Nitrito reductasa-> NH4+
La nitrato reductasa es citoplasmática, generalmente
funciona como donador de electrones en NADH.
La nitrito reductasa es plastídica y suele actuar como
donador de electrones la ferredoxina.
La nitrato reductasa tiene tres dominios (FAD,
citocromo b-557 y molibdeno) que transfieren
electrones de forma paulatina para transformar el
nitrato en nitrito.
NO3- + NADH + H+ ----2e- NO2- + NAD + H2O
La nitrito reductasa acepta electrones de la
ferredoxina y su estructura esta conformada por un
sirohemo, que no es más que un tetrapirrol con hierro y
azufre que cataliza la transferencia de electrones.
NO2- + 6FDred + 8 H+ ----6e-NH4+ + 6FDox + 2 H2O
Asimilación del amonio en las plantas:
El amonio se transforma en productos susceptibles de
ser transportados y necesarios para el crecimiento de
la planta. Hay un gasto de ATP y, mediante la
glutamina sintetasa se transfiere el nitrógeno reducido
en forma de amonio a la glutamina mediante unión al
glutamato.
Para formar elementos mas complejos se realiza una
transaminación con participación de, según donde se
realice, o bien de ferredoxina o de nADP, generando
aspartato y asparragina que van a ser los vehículos
mayoritarios de transporte. En determinadas especies
los medios de transporte son fundamentalmente
ureidos.
Control de la asimilación del nitrógeno por la
planta.
Todo el proceso está sometido a regulación. Tanto los
nitratos como el amonio pueden ser nocivos y están
sometidos a un proceso, tanto de regulación de
actividad génica como de regulación de actividad
enzimática.
En la regulación génica actúan: la disponibidad de
nitrato, la presencia o ausencia de luz, disponibilidad
de glucosa. Los productos, por ejemplo glutamina,
inhiben la formación.
La nitrato reductasa se activa o se inactiva por
fosforilación en el último resto serina por una actividad
quinasa. Está regulado positivamente por calcio y
negativamente por la presencia de triosas fosfato. La
luz es un efector positivo ya que elimina, mediante una
fosfatasa, restos fosfato del resto serina.
Fig. 5 – Fijación del nitrógeno, esquema general.
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