AZOTO. Il comparto ambientale terrestre si differenzia da quello acquatico per la prevalenza delle forme organiche su quelle inorganiche

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1 AZOTO L azoto è ampiamente diffuso in natura È molto mobile Il contenuto maggiore è nella litosfera in combinazioni non ben definite. Una frazione ridotta è nel suolo direttamente assorbibile dalle piante Crosta terrestre Rocce Sedimenti Il comparto ambientale terrestre si differenzia da quello acquatico per la prevalenza delle forme organiche su quelle inorganiche

2 CICLO DELL AZOTO Combustioni industriali Attività vulcaniche Incendi di foreste Precipitazioni atmosferiche Precipitazioni atmosferiche: N 2 + O 2 2 NO + O 2 2 NO 2 ossido di N, (scariche elettriche, alte temp) 3 NO 2 + H 2 O 2 HNO 3 + NO ac. Nitrico reagisce spontaneamente con H 2 O Kg/ ha / anno proviene da tali fonti

3 AZOTO ORGANICO Mineralizzazione NO 3 e NH 4 + Humus : mol organiche complesse N proteico derivante da spoglie animali e vegetali processo che avviene in 3 stadi : 1. PROTEOLISI operata da microrganismi Proteine amminoacidi Acidi nucleici nucleotidi amminoacidi apertura anelli 2. AMMONIFICAZIONE (microrganismi eterotrofi)

4 AMMONIFICAZIONE deamminazione rilascio di NH 3 amminoacidi R rilascio di Ac. Organici H-C-NH2 CO 2 + H 2 0 COOH 3. NITRIFICAZIONE (batteri autotrofi) conversione di NH 3 NO 2- e NO 3

5 NH 3 è un gas a temp ambiente NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH - A ph ~ 7 la NH 3 è trascurabile sono 2 forme molto solubili entrambe direttamente assorbibili dalle piante NH 4 + Assorbimento (Piante) Fissazione sui colloidi del suolo Immobilizzazione nella S.O. (microrganismi) Nitrificazione Conversione in NO 2- e NO 3 -

6 NITRIFICAZIONE: 2 stadi a) 2NH 3 + 3O 2 2NO H + + 2H 2 O Batteri nitrosanti: Nitrosococcus, Nitrosomonas,Nitrosovibrio b) 2NO 2- + O 2 2NO 3 - Batteri nitricanti: Nitrobacter, Nitrococcus,Nitrospina Entrambe le reazioni sono esoergoniche : I batteri usano l energia liberata dall ossidazione di NH 3 per ridurre la CO 2 ed utilizzarla per la produzione di sostanza organica. Per questo sono detti autotrofi chemiosintetici.

7 NITRIFICAZIONE NH 3 NO 2 - NO 3 nitrito nitrato (-3) 6 e - (+3) 2 e- (+5) Perdita di 8 e - 1. Nitrosazione operata da Nitrosomonas NH O 2 2 NO H H 2 O G= - 65 Kcal/mole Perdita di 6 e - per ogni N: 3 fasi distinte di reazione con scambio di 2 e- per fase : 1. NH 3 + ½ O 2 NH 2 OH idrossilammina 2. NH 2 OH + ½ O 2 HNO nitrossile La formazione di tali composti non è evidenziabile perché 3. HNO 2 + ½ O 2 NO 2- + H + Ac. Nitroso restano ancorati all E. che li sintetizza solo il prodotto finale è rilasciato nell ambiente

8 Il passaggio di e - all O 2 non è diretto ma avviene tramite Trasportatori costituiti da coenzimi contenenti Cu I batteri tollerano elevata concentrazione di NH 4 + range di ph : 8,6-8,8 2. Nitricazione NO 2- + ½ O 2 NO 3 - G = -17,8 Kcal/mole 2 e - arrivano all O 2 tramite catena di citocromi

9 La nitrificazione comporta acidificazione La nitricazione è molto + veloce della nitrosazione non si ha accumulo di nitriti La presenza ubiquitaria dei batteri nitrificanti garantisce il processo di nitrificazione, ma Le condizioni ambientali possono influire: ph : optimum da neutralità a leggera acidità Temperatura : 26 C è optimum

10 A ph > 7 l NH 4+ assorbito risulta fitotossico Aumento rapido della NH 3 A ph neutro-acido molte specie tollerano elevate concentrazioni di NH 4 + NH + H+ 3 NH 4 + Facilità di attraversamento della membrana Nei cloroplasti azione ossidativa a livello dei Tossicità dell ammoniaca: tilacoidi Inibizione della germinazione Inibizione della respirazione Danneggiamento delle radici

11 ASSORBIMENTO NELLE PIANTE DELLE FORME AZOTATE - Per il NITRATO, NO 3-, 2 sistemi: 1. Sistema ad alta affinità,dovuto a un carrier inducibile efficiente a basse concentrazioni (< 1 mm), con flusso basso Attività dell ATPasi Gradiente protonico Cotrasporto 2H + / NO Sistema a bassa affinità, di tipo costitutivo (canale anionico?) attivo a concentrazioni elevate (> 1mM) ma con flusso maggiore. - Per lo ione AMMONIO, NH + 4 È assorbito in relazione all efflusso di H+ Tramite un Carrier definito ad alta affinità - Assorbimento dell AMMONIACA, NH 3 : Diffusione attraverso lo strato lipidico Favorita da elevati ph all esterno della radice

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13 La fonte di N influisce sul ph della soluzione esterna: L NH 4 + diminuzione ph soluzione esterna L NO - 3 è assorbito di preferenza a aumento ph soluzione esterna ph inferiori della rizosfera NH 4+ + NO 3 - iniziale diminuzione di ph (assorbimento di NH 4+ ) aumento di ph (assorbimento di NO 3- ) rappresenta la situazione migliore per la pianta: la produzione di H + ~ produzione di OH La regolazione del ph non richiede elevati costi energetici

14 DENITRIFICAZIONE = perdita di N dal suolo sottoforma gassosa : NO 2 N 2 ossido nitroso N molecolare è una Riduzione dissimilatoria del nitrato 23 specie di batteri denitrificanti : Pseudomonas, Rhizobium, Azospirillum eterotrofi e aerobi facoltativi Il processo generale si riassume con le reazioni: 2 NO e H + N H 2 O 2 NO e H+ N 2 O + 5 H 2 0 La riduzione è graduale con l acquisto di 2 e- per tappa

15 Denitrificazione NO 3 - N 2 N 2 O riduttasi N 2 O anaerobi facoltativi NO riduttasi NO NO 2 - Nitrito riduttasi Nitrato riduttasi Enzima diverso da quello coinvolto nell assimilazione Questi quattro enzimi contengono: Mo, Cu and Fe. Batteri denitrificanti, in assenza di ossigeno come accettore di elettroni, riducono ossidi di azoto. Il substrato ossidato è S.O. Utilizzano l energia ottenuta dalla riduzione per trasferire elettroni e immagazzinare energia (ATP).

16 Parametri che favoriscono il processo di denitrificazione: Assenza di O 2 Alte concentrazioni di nitrati 5.5< ph <8.6 Temperature > 5 C, anche se avviene anche fino a 0 C

17 La denitrificazione riveste importanza: Terreni con alternanza nel tempo di Fasi aerobiche formazione di NO - 3 Fasi anaerobiche denitrificazione (risaie) Elevata presenza di radici vive nel suolo: elevata produzione di essudati radicali stimolazione attività batterica denitrificante Sottrazione di O 2 condizioni di anaerobiosi Lo svolgersi del processo di denitrificazione negli orizzonti profondi del suolo diminuzione del contenuto di NO 3 - diminuzione dell inquinamento delle falde acquifere

18 ASSIMILAZIONE RIDUZIONE DEL NITRATO NO H e - NH H 2 O + OH - 2 Enzimi lavorano in serie: - La Nitrato reduttasi NR NO 3- + NAD(P)H + 2e - + 2H + NO 2- + NAD(P)+ + H 2 O - Nitrito reduttasi NiR NO e H + NH 3 + OH - + H 2 O

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21 Nitrato reduttasi (NR) 3 gr. Prostetici : FAD, Citocromo, Cofattore molibdeno È citoplasmatica È costituita da 2 subunità identiche e autonome Nitrito reduttasi (NiR) E un monomero gr. Siro-eme come gr. prostetico 2 isoforme della NR: Fogliare utilizza NADPH Radicale utilizza NADH NR 1. NO 3- + NADH+ H + + 2e- NO 2- + NAD+ + H 2 O NiR 2. NO e- + 6H + NH 3 + OH - + H 2 O In Totale: NO H e- NH H 2 O + OH - Nelle foglie i 6 e- per la riduzione dei nitriti provengono alla Fd dall acqua, tramite il trasporto non ciclico degli e- nella fase luminosa della fotosintesi. Nelle radici è una proteina simile alla Fd che viene ridotta dal NADH

22 La Nitrato reduttasi È un E. substrato-inducibile (regolazione trascrizionale): La presenza di NO - 3 nel citosol aumento della sintesi dell E. Incremento di attività dell E. La presenza di prodotti di assimilazione azotati (a.a., amidi..) Inibizione dell attività dell E (feed-back negativo) Ha un veloce turn-over : continua sintesi e degradazione La sua attività è modulata da alcuni effettori: 1. Nitrato 2. Luce agiscono da segnali che influenzano la ripartizione del C fotosintetico nelle foglie fra sintesi di saccarosio e Sintesi di a.a. due vie competono per gli scheletri C

23 Il flusso di C è regolato da una proteina chinasi citosolica buio Proteina chinasi Proteina chinasi Inattiva luce Attiva opera una fosforilazione e modula l attività dei 2 E chiave: FOSFORILAZIONE Sacc-Sintasi P (inattiva) Saccarosio PEPc P (attiva) Malato

24 3. Fitormoni : Le citochinine : aumento della trascrizione di mrna per NR aumento della sintesi di NR ABA inibizione della NR Nelle piante C4 le cellule di mesofillo e guaina del fascio si differenziano anche per l assimilazione dei nitrati: NR e NiR sono localizzate solo nelle cellule del mesofillo Nelle cell. del mesofillo l energia prodotta nella fase luminosa viene utilizzata per la riduzione del nitrato e la sua assimilazione Nelle cell. della guaina del fascio viene utilizzata per la riduzione della CO 2 (Rubisco)

25 La riduzione del nitrato è sia nelle foglie che nelle radici Dipende da: specie vegetale, età della pianta, concentrazione di NO 3- esterno In generale: Quando il rifornimento esterno di nitrato è basso Un elevata quantità è organicato nelle radici Elevata concentrazione di a.a. nel succo xilematico All aumentare della concentrazione esterna di nitrato: Una proporzione crescente di NO - 3 viene traslocato alle foglie nello xilema

26 ASSIMILAZIONE del NITRATO Avviene prevalentemente nelle foglie La produzione di OH - richiede la sintesi di acidi organici che dissociando con gli H+ tamponano il ph intracellulare e vengono accumulati nel vacuolo Meccanismi di osmoregolazione: Ritraslocazione nel floema verso aree in crescita dell N ridotto (a.a, amidi) + cationi mobili (K e Mg) Ritraslocazione verso le radici di anioni di acidi organici (malato) + K + successiva decarbossilazione e rilascio di HCO - 3 Uptake di NO - 3 : Il K+ agisce da contro-ione nel trasporto in salita del NO - 3 assorbito a livello radicale

27 Se il nitrato può essere accumulato nei vacuoli senza danno L NH 4+ e soprattutto l NH 3 sono tossici a basse concentrazioni: Nel citoplasma NH + 4 < 15 µm Nel vacuolo anche conc + elevate in quanto il basso ph previene la formazione di NH 3 Assimilazione dell NH 4 + L assorbimento di NH 4+ nella radice comporta il rilascio di H + per la compensazione di cariche: antiporto NH 4+ / H + Quasi tutto l NH 4 + è assimilato nelle radici: 3 NH NH 2 -R + 4 H+ Detossificazione rapida formazione di a.a. e amidi Produzione di H + Acidificazione del citoplasma e aumento dell invio di H + all esterno L elevata richiesta di scheletri C per la sintesi di a.a. viene garantita dal ciclo degli ac.tricarbossilici

28 Processi di ORGANICAZIONE Proteine Ac. Nucleici Clorofilla GS GOGAT

29 La conversione dell ammonio in azoto organico è il risultato della Attività di 2 Enzimi: 1. GS = glutammina sintetasi 2. GOGAT = glutammato sintetasi L asparagina è la 2 a ammide importante per le piante in particolare nelle leguminose originarie dei climi temperati È ottenuta mediante idrolisi dell ATP L N dell aspartato può derivare dal glutammato I 4 C derivano dall ossalacetato L asparagina ha le stesse funzioni della glutammina

30 RADICE

31 Frazioni azotate nelle piante Il turnover dell N ha 3 tappe principali: NO 3-, NH Aminoacidi, Ammine 2 Proteine N 2 Ammidi Acidi nucleici 3 L azoto che viene organicato nella pianta resta come tale È un processo irreversibile Le 3 frazioni azotate sono influenzate dalla nutrizione: Aumentando il livello di nutrizione azotata Incremento di tutte la frazioni ma con intensità differente

32 In questa situazione il contenuto proteico varia in modo modesto L ac glutammico e la glutammina sono i 2 primi a.a. sintetizzati: L ac glutammico è sensibile agli incrementi azotati L N inorganico in questo caso è assimilata a una vel > vel con cui sono utilizzati gli a.a nella sintesi proteica: aumento notevole degli a.a. solubili e non delle proteine

33 NO 3 - A.A. SOLUBILI PROTEINE NO 3 - A.A. SOLUBILI PROTEINE La carenza di K comporta: Alterazione della sintesi proteica Il K è cofattore in molte attività enzimatiche Aumento nel contenuto degli a.a. solubili Rallentamento della velocità di crescita

34 Il contenuto di N ottimale per la pianta varia a seconda della specie, dello stadio di sviluppo, dell organo considerato In genere è compreso fra il 2-5 % espresso in sostanza secca I sintomi di carenza si manifestano nelle foglie con clorosi: L N presente nelle foglie più vecchie viene traslocato in forma di a.a. alle parti giovani La proteolisi provoca collassamento dei cloroplasti: Calo del contenuto di clorofilla Sbiancamento delle foglie In mais e pomodoro: accumulo di antociani in fusto, piccioli,nervature colorazione rossastra

35 Compromissione dell apparato radicale soprattutto la ramificazione Modesta velocità di crescita Piante piccole, steli sottili, foglie piccole Il rapporto germogli/radici è abbassato dalla carenza di N All aumentare della disponibilità di N: Incremento del contenuto di N nelle sue forme organiche Diminuzione del contenuto di carboidrati di riserva Aumenta il rapporto germogli/radici. Le radici sono corte situazione + sfavorevole per acquisizione di H 2 O e nutrienti nella pianta adulta

36 In riso la disponibilità di N Cambi nella morfologia fogliare Aumento lunghezza, larghezza e area fogliare Diminuzione dello spessore foglie flosce e curve interferenza con l intercettazione della luce Nei cereali l eccessivo N interferenze nel bilanciamento dei fitormoni aumento della lunghezza dello stelo Aumento rischio allettamento

37 MOVIMENTO DEI COMPOSTI AZOTATI Durante la germinazione Idrolisi delle proteine accumulate nei corpi proteici formazione di a.a. e ammidi produzione di nuove proteine e acidi nucleici Traslocazione alle cellule in accrescimento di radici e germogli

38 Durante la fase vegetativa e riproduttiva Ampia ricircolazione dell N verso i sink + importanti: Le foglie perdono N e i semi lo accumulano Idrolisi della Rubisco ad opera di proteinasi (nelle foglie circa la metà delle proteine si trovano nei cloroplasti) L attività fotosintetica diminuisce In carenza di N durante la fase riproduttiva: Autodistruzione delle proteine nelle foglie per garantire il giusto apporto di N ai semi (anche le molecole di clorofilla) All inizio della fase riproduttiva il massiccio trasferimento di N è accompagnato da una diminuzione dell assorbimento dell N dal suolo

39 arancio arancio Clorosi delle foglie adulte limone

40 vite mais riso frumento

41 tabacco patata pomodoro

42 ulivo cucurbitacee

43 garofano cicas

44 cavolo eccesso di N Cavolo cappuccio: Eccesso di N Anomala distribuzione del Ca