Metabolismo de Nitrógeno y Azufre Dra. Catiana Zampini 2012

Asimilación de nutrientes

Crecimiento y desarrollo

Plantas Superiores Autotróficas Incorporación a compuestos orgánicos

Nutrientes minerales

Nitrógeno Azufre

Compleja serie reacciones

Mayor requerimiento energético

Importancia Biológica del azufre Capacidad catalítica de las Enzimas (40%) depende da la presencia de grupos SH (ferredoxinas, ureasa, Coenzima A, nitrogenasas, etc) Uno de los Estructura terciaria y cuaternaria de muchas elementos más proteínas depende de la presencia de puentes versátiles de los disulfuro (-S-S-) formados por la oxidación de grupos organismos SH de la cisteína, vivos Grupo SH proporciona sitios de unión p metales tóxicos relacionado con la detoxificación de diversa drogas En numerosos compuestos

cisteína metionina

Biotina

Coenzima A

Asimilación del Azufre -ión sulfato (SO4=) absorbido de soluciones edáficas El azufre de plantas superiores proviene de:

Desgaste de rocas Polución ambiental (Industrialización)

Se absorbe por raíz------ Xilema ----- resto de la planta -SO2 gaseoso

Puede ser tomado por los estomas (hojas)

-H2S (producto de los combustibles fósiles)

Azufre:

Absorción por raíz principalmente. Asimilación en hoja, principalmente.

Para la asimilación del azufre en plantas superiores 1° Paso----- Reducción del SO4= al aminoácido cisteína (1° producto de la asimilación de azufre)

Reducción del SO4= a cisteína SO4= es mus estable, poco reactivo ---------- Debe ser activado

Activación del ión sulfato por el ATP ATP sulfurilasa

SO4= +

ATP

APS

+

Adenosina-5’fosfosulfato

cloproplasto

+ ATP

Energéticamente desfavorable

PPi

Pirofosfatasa inorgánica

2 Pi

APS quinasa

Bacterias y hongos

PAPS

+

3’-Fosfoadenosina-5’fosfosulfato

ADP

Aporta energía Para activación

Reducción del SO4= a cisteína Reducción de APS a Sulfuro (Tiosulfuro) PAPS reductasa

En bacterias y hongos

Sulfito

PAPS

Ferredoxina Reducida

Thio red

Thio ox + ADP Tiorredoxina PAP

APS quinasa

ATP APS sulfotransferasa

En plantas ATP sulfurilasa ATP

PPi

GSH

Thio red

Sulfito Thio ox

Ferredoxina Oxidada

Tiosulfuro

Ferredoxina Reducida

AMP

(Glutatión)

APS reductasa

Sulfuro

Tiosulfato reductasa

Tiosulfonato

APS

Sulfato

Sulfito reductasa

Sulfito reductasa

Ferredoxina Reducida

Ferredoxina Oxidada

Sulfuro

Ferredoxina Oxidada

cloroplasto

Incorporación del S a los aminoácidos Sulfuro (Tiosulfuro) a cisteína Serina acetil transferasa

Serina

Acetil CoA

O-Acetilserina (Tio) liasa

O-Acetilserina

Co A

Sulfuro o

Acetato

Tiosulfuro

Cisteína 1° producto de asimilación

Cistationina sintasa

Cisteína

+

Cistationina

O-Fosfohomoserina Metionina sintasa

Metionina

Cistationina Β-liasa

Pi

Homocisteína Grupo CH3

NH3 + Piruvato

Cisteína y Metionina NH2

En general, la reducción del sulfato es varias veces mayor en hojas verdes que en raíces, y en las hojas la reacción es fuertemente estimulada por la luz.

Etapas de asimilación del Sulfato en Plantas ATP sulfurilasa

1- ACTIVACIÓN

SO42APS reductasa

2- REDUCCION

APS

3- REDUCCION

SO32-

APS

APS quinasa

PAPS

SO32-

2eSulfito reductasa

S2-

6e-

4- SINTESIS DE Cys Ser

AcetilCoA

5- SINTESIS DE Met

S2-

Cys

O- Acetil-Ser Cys

Met

El S asimilado en hojas, es exportado por el floema, como glutation principalmente, hacia sitios de síntesis proteica (ápices de tallos y raíces, y frutos)

Glutatión

-Tripéptido que se sintetiza a partir de los 3 aa que lo forman: glutamato, cisteína y glicina. -Reducido u oxidado (formado por dos moléculas unidas por un puente S-S). -Es una reserva de azufre (en su hidrólisis se libera cisteína.) -

Síntesis de glutatión

γ-glutamilcisteína sintetasa

glutatión sintetasa

Coordinación entre el metabolismo del nitrógeno y del azufre

APS reductasa

O-Acetil serina regula la expresión para el gen de la APS reductasa

Metabolismo especial del Nitrógeno Existe una gran cantidad de compuestos secundarios que contienen Nitrógeno -Alcaloides -Glicósidos cianogenéticos -Glucosinolatos -Aminas -Aminoácidos no proteicos

Aminoácidos No proteicos Compuestos vegetales secundarios que poseen NH2 y COOH No son usados por las plantas para síntesis proteica Son semejantes a AA proteicos (se pueden considerar análogos estructurales de los AA proteicos) Biosintéticamente: pueden derivar de AA proteicos u otras rutas Constituyen antinutrientes o antimetabolitos Abundantes en leguminosas, liliaceas, hongos superiores (Amanita y Coprinus) y algas marinas Se acumulan en Semillas (Leguminosae) y rizomas (Liliaceae) Se remueven durante germinación ------ almacenamiento de N Compuestos de Defensa Tóxicos para herbívoros y afectan sint proteica y metab aa plantas (alelopatía) Interfieren en metab microorg

Mecanismos por los que pueden resultar tóxicos los AA no proteicos - Síntesis de proteínas defectivas, por incorporación en lugar de AA proteico (canavanina, ác acetidina-2-carboxílico, etc) -Inhibición pasos de la síntesis proteica, como inh activación de aminoacil-tRNA sintetasas -Inhibición competitiva sistemas de captación de AA -Inhibición de biosíntesis de AA (por competición con el Sustrato o inh. enzimática por feedback (azaserina, albizina) -Afectar procesos relacionados con ADN y ARN (canavanina, mimosina), o con β-oxidación de lípidos (hipoglucina)

Aminoácidos No proteicos importantes por su toxicidad 3-Cianoalanina Semillas de Vicia sativa 3-Cianoalanina sintetasa

Cisteína + CN-

3-Cianoalanina + SH-

Posee efectos Neurotóxicos Ácido N-Oxalil-diaminopropiónico Especies del género Lathyrus L. sativus, L. latifolius

Ác. oxálico + HS CoA Oxalil-CoA + Ác. 1,2 diaminopropiónico

Oxalil -CoA + H2O HS-CoA + Ác. N-Oxalildiaminopropiónico

Posee efectos Neurotóxicos--- Neuralatirismo

Canavanina (ác. 2-aminoguanidoxibutirico)

análogo arginina

Leguminosas---Canavalia ensiformis

Posee efectos Antimetabólicos en plantas bacterias Fuente de N insectos Hipoglicina A y B Blighia sapida

Se cree que deriva de isoleucina

Posee efecto hipoglucemiante

Mimosina Hojas y semillas de Leucaena glauca, L. lecocephala

Biosíntesis: Lisina y o-acetilserina

Caída de Pelo Ác. acetidina-2-carboxílico

análogo prolina

Leguminosas, Agaváceas y Liliáceas Remolacha azucarera (Quenopodiaceas)

Met-----homoserina--------ác. 2,4-diaminobutírico---------ác.4-amino-2-oxo-butirico------se cicliza Inhibe sintesis de prolina -Causa inh de crecimiento y malformaciones fetales, se incorpora al colágeno en lugar de prolina

Aminas vegetales

-Aminas Alifáticas

-Monoaminas -Diaminas -Poliaminas -Con heterociclos Nitrogenados

Histamina Triptamina

-Sin heterociclos Nitrogenados

Protoalcaloides (fenilalquilaminas) Noradrenalina Mescalina Efedrina y derivados

-Aminas Aromáticas

Monoaminas -Comunes en flores de Rosáceas, Aráceas, etc. y cuerpos fructíferos de hongos (Phallus impudicus) -Poseen olor desagradable (carne podrida) -Atraen insectos ----- polinización o dispersión de esporas -Defensa (poseen actividad antibacteriana) En algas rojas

En plantas superiores: Biosíntesis: aminación de aldehídos alifáticos por una Lalanina-aldehído aminotransferasa

Diaminas y Poliaminas

-Compuestos policatiónicos ------- pueden unirse a polianiones (ADN) Diaminas

Cadaverina ---------leguminosas Putrescina

Espermidina

Presentes probablemente en todas las plantas

Poliaminas Espermina Pueden estabilizar biomembranas Por lo que serían importantes para la regulación del crecimiento

Putrescina y Cadaverina -Estabilizan las cadenas de ADN en bacterias (en eucariotas ----histona) -Probablemente también los ADNs de mitocondrias y cloroplastos (no por histonas) (ADN de origen microbiano teoría endosimbiosis) -Estimulan in vitro diversas etapas de síntesis proteica -Son precursores de alcaloides (pirrolizidina, nicotina, tropano, quinolizidinas, otros)

Biosíntesis Ornitina

Lisina

ornitin descarboxilasa

Putrescina (sirve de base para biosintesis de otras aminas ) = plantas, microorg y mamíferos

lisina descarboxilasa

Cadaverina

Putrescina es la base para la síntesis de otras aminas

Aminas aromática -Derivan de la descarboxilación de AA catalizada por la respectiva AA-descarboxilasa

Histamina Defensa: Pelos urticantes de Urtica dioica

Histidina

Descarboxilasa

Histamina

Inyección de histamina

Histamina

Serotonina

Acetilcolina

Dolor e inflamación de piel

Protoalcaloides Aminas aromáticas que no poseen heterociclos nitrogenados (fenilalquilaminas) -Derivan de AA fenilalanina o tirosina

Noradrenalina

En bananas (también dopamina, serotonina e histamina) Hojas de espinaca Papa Ácónito

Neurotransmisor

Mescalina En peyote Lophophora williamsii Alucinógeno

Efedrina y derivados

Euforia

Interactúa con los receptores de los neurotransmisores Serotonina, Noradrenalina y dopamina En Ephedra Activa liberación de noradrenalina, dopamina y serotonina e inh su recaptación Broncodilatador, dilata pupilas, eleva Presión arterial

Muchas gracias